Glycogène -Glycogen

Vue schématique en coupe transversale bidimensionnelle du glycogène : une protéine centrale de la glycogénine est entourée de branches d' unités de glucose . Le granule globulaire entier peut contenir environ 30 000 unités de glucose.
Vue de la structure atomique d'un seul brin ramifié d' unités de glucose dans une molécule de glycogène .
Glycogène (granules noirs) dans les spermatozoïdes d'un ver plat ; microscopie électronique à transmission, échelle : 0,3 μm

Le glycogène est un polysaccharide multiramifié de glucose qui sert de forme de stockage d'énergie chez les animaux , les champignons et les bactéries. C'est la principale forme de stockage du glucose dans le corps humain.

Le glycogène fonctionne comme l'une des deux formes de réserves d'énergie, le glycogène étant à court terme et l'autre forme étant les réserves de triglycérides dans le tissu adipeux (c'est-à-dire la graisse corporelle) pour le stockage à long terme. Chez l'homme , le glycogène est fabriqué et stocké principalement dans les cellules du foie et du muscle squelettique . Dans le foie, le glycogène peut représenter 5 à 6 % du poids frais de l'organe : le foie d'un adulte, pesant 1,5 kg, peut stocker environ 100 à 120 grammes de glycogène. Dans le muscle squelettique, le glycogène est présent en faible concentration (1 à 2 % de la masse musculaire) : le muscle squelettique d'un adulte de 70 kg stocke environ 400 grammes de glycogène. De petites quantités de glycogène se trouvent également dans d'autres tissus et cellules, notamment les reins , les globules rouges , les globules blancs et les cellules gliales du cerveau . L'utérus stocke également du glycogène pendant la grossesse pour nourrir l'embryon.

La quantité de glycogène stockée dans l'organisme dépend principalement de l'entraînement physique, du métabolisme de base et des habitudes alimentaires (en particulier les fibres oxydatives de type 1). Différents niveaux de glycogène musculaire au repos sont atteints en modifiant le nombre de particules de glycogène, plutôt qu'en augmentant la taille des particules existantes, bien que la plupart des particules de glycogène au repos soient plus petites que leur maximum théorique. Environ 4 grammes de glucose sont présents dans le sang des humains à tout moment ; chez les individus à jeun, la glycémie est maintenue constante à ce niveau aux dépens des réserves de glycogène dans le foie et les muscles squelettiques. Les réserves de glycogène dans le muscle squelettique servent de forme de stockage d'énergie pour le muscle lui-même ; cependant, la dégradation du glycogène musculaire empêche l'absorption du glucose musculaire par le sang, augmentant ainsi la quantité de glucose sanguin disponible pour une utilisation dans d'autres tissus. Les réserves de glycogène hépatique servent de réserve de glucose à utiliser dans tout le corps, en particulier le système nerveux central . Le cerveau humain consomme environ 60 % du glucose sanguin chez les individus sédentaires à jeun.

Le glycogène est l'analogue de l'amidon , un polymère de glucose qui sert de stockage d'énergie dans les plantes . Il a une structure similaire à l'amylopectine (un composant de l'amidon), mais il est plus ramifié et compact que l'amidon. Les deux sont des poudres blanches à l'état sec. Le glycogène se trouve sous forme de granules dans le cytosol /cytoplasme de nombreux types de cellules et joue un rôle important dans le cycle du glucose . Le glycogène forme une réserve énergétique rapidement mobilisable pour répondre à un besoin soudain en glucose, mais moins compacte que les réserves énergétiques des triglycérides ( lipides ). En tant que tel, on le trouve également comme réserve de stockage dans de nombreux protozoaires parasites.

Structure

Liaisons α (1 → 4) -glycosidiques dans l'oligomère de glycogène
Liaisons α(1→4)-glycosidique et α(1→6)-glycosidique dans l'oligomère de glycogène

Le glycogène est un biopolymère ramifié constitué de chaînes linéaires de résidus de glucose avec une longueur de chaîne moyenne d'environ 8 à 12 unités de glucose et de 2 000 à 60 000 résidus par molécule de glycogène.

Comme l'amylopectine, les unités de glucose sont liées entre elles linéairement par des liaisons glycosidiques α (1 → 4) d'un glucose à l'autre. Les ramifications sont liées aux chaînes dont elles dérivent par des liaisons glycosidiques α(1→6) entre le premier glucose de la nouvelle ramification et un glucose sur la chaîne de la tige.

Chaque glycogène est essentiellement une boule d'arbres à glucose, avec environ 12 couches, centrées sur une protéine de glycogénine , avec trois types de chaînes de glucose : A, B et C. Il n'y a qu'une seule chaîne C, attachée à la glycogénine. Cette chaîne C est formée par l'auto-glucosylation de la glycogénine, formant une courte chaîne d'amorce. De la chaîne C se développent les chaînes B, et des chaînes B se ramifient les chaînes B et A. Les chaînes B ont en moyenne 2 points de ramification, tandis que les chaînes A sont terminales, donc non ramifiées. En moyenne, chaque chaîne a une longueur de 12, étroitement contrainte entre 11 et 15. Toutes les chaînes A atteignent la surface sphérique du glycogène.

Le glycogène dans les cellules musculaires, hépatiques et adipeuses est stocké sous une forme hydratée, composée de trois ou quatre parties d'eau par partie de glycogène associées à 0,45 millimoles (18  mg ) de potassium par gramme de glycogène.

Le glucose est une molécule osmotique et peut avoir des effets profonds sur la pression osmotique à des concentrations élevées pouvant entraîner des dommages cellulaires ou la mort s'il est stocké dans la cellule sans être modifié. Le glycogène est une molécule non osmotique, il peut donc être utilisé comme solution pour stocker le glucose dans la cellule sans perturber la pression osmotique.

Les fonctions

Foie

Au fur et à mesure qu'un repas contenant des glucides ou des protéines est consommé et digéré , la glycémie augmente et le pancréas sécrète de l'insuline . Le glucose sanguin de la veine porte pénètre dans les cellules hépatiques ( hépatocytes ). L'insuline agit sur les hépatocytes pour stimuler l'action de plusieurs enzymes , dont la glycogène synthase . Des molécules de glucose sont ajoutées aux chaînes de glycogène tant que l'insuline et le glucose restent abondants. Dans cet état postprandial ou "nourri", le foie absorbe plus de glucose du sang qu'il n'en libère.

Après qu'un repas a été digéré et que la glycémie commence à chuter, la sécrétion d'insuline est réduite et la synthèse de glycogène s'arrête. Lorsqu'il est nécessaire pour l'énergie , le glycogène est décomposé et reconverti en glucose. La glycogène phosphorylase est la principale enzyme de dégradation du glycogène. Pendant les 8 à 12 heures suivantes, le glucose dérivé du glycogène hépatique est la principale source de glucose sanguin utilisée par le reste du corps comme carburant.

Le glucagon , une autre hormone produite par le pancréas, sert à bien des égards de contre-signal à l'insuline. En réponse à des niveaux d'insuline inférieurs à la normale (lorsque les taux sanguins de glucose commencent à tomber en dessous de la normale), le glucagon est sécrété en quantités croissantes et stimule à la fois la glycogénolyse (la dégradation du glycogène) et la gluconéogenèse (la production de glucose à partir d'autres sources) .

Muscle

Le glycogène des cellules musculaires semble fonctionner comme une source de réserve immédiate de glucose disponible pour les cellules musculaires. D'autres cellules qui en contiennent de petites quantités l'utilisent également localement. Comme les cellules musculaires manquent de glucose-6-phosphatase , qui est nécessaire pour faire passer le glucose dans le sang, le glycogène qu'elles stockent est disponible uniquement pour un usage interne et n'est pas partagé avec d'autres cellules. Cela contraste avec les cellules hépatiques qui, à la demande, décomposent facilement leur glycogène stocké en glucose et l'envoient dans le sang comme carburant pour d'autres organes.

Optimale apparente

En 1999, Meléndez et al ont montré que la structure du glycogène est optimale sous un modèle de contrainte métabolique particulier. En détail, la structure du glycogène est la conception optimale qui maximise une fonction de fitness basée sur la maximisation de trois quantités : le nombre d'unités de glucose à la surface de la chaîne disponibles pour la dégradation enzymatique, le nombre de sites de liaison auxquels les enzymes de dégradation peuvent s'attacher, le nombre total d'unités de glucose stockées ; et en minimisant une qualité : le volume total.

Si chaque chaîne a 0 ou 1 point de ramification, on obtient essentiellement une longue chaîne, pas une sphère, et elle occuperait un volume trop important avec seulement quelques unités terminales de glucose à dégrader. Si chaque chaîne a 3 points de ramification, le glycogène se remplirait trop rapidement. Le point d'équilibre est 2.

Avec cette branche numéro 2, la longueur de la chaîne doit être d'au moins 4. Comme modélisé par Meléndez et al, la fonction de fitness atteint son maximum à 13, puis diminue lentement.

Empiriquement, le numéro de branche est 2 et la longueur de la chaîne varie de 11 à 15 pour la plupart des organismes allant des vertébrés aux bactéries et champignons. La seule exception significative est l'huître, avec une longueur de chaîne de glycogène allant de 2 à 30, avec une moyenne de 7.

Histoire

Le glycogène a été découvert par Claude Bernard . Ses expériences ont montré que le foie contenait une substance qui pouvait donner naissance à des sucres réducteurs par l'action d'un "ferment" dans le foie. Dès 1857, il décrit l'isolement d'une substance qu'il appelle « la matière glycogène », ou « substance formant du sucre ». Peu de temps après la découverte du glycogène dans le foie, A. Sanson a découvert que le tissu musculaire contenait également du glycogène. La formule empirique du glycogène de ( C
6
H
dix
O
5
) n a été créé par Kekulé en 1858.

Métabolisme

La synthèse

La synthèse du glycogène est, contrairement à sa dégradation, endergonique - elle nécessite l'apport d'énergie. L'énergie pour la synthèse du glycogène provient de l'uridine triphosphate (UTP), qui réagit avec le glucose-1-phosphate , formant l'UDP-glucose , dans une réaction catalysée par l'UTP-glucose-1-phosphate uridylyltransférase . Le glycogène est synthétisé à partir de monomères d' UDP-glucose initialement par la protéine glycogénine , qui possède deux ancres tyrosine pour l'extrémité réductrice du glycogène, puisque la glycogénine est un homodimère. Après qu'environ huit molécules de glucose ont été ajoutées à un résidu tyrosine, l'enzyme glycogène synthase allonge progressivement la chaîne de glycogène en utilisant l'UDP-glucose, en ajoutant du glucose lié α (1 → 4) à l'extrémité non réductrice de la chaîne de glycogène.

L' enzyme de ramification du glycogène catalyse le transfert d'un fragment terminal de six ou sept résidus de glucose d'une extrémité non réductrice au groupe hydroxyle C-6 d'un résidu de glucose plus profondément à l'intérieur de la molécule de glycogène. L'enzyme de ramification peut agir uniquement sur une ramification ayant au moins 11 résidus, et l'enzyme peut être transférée à la même chaîne de glucose ou à des chaînes de glucose adjacentes.

Panne

Le glycogène est clivé des extrémités non réductrices de la chaîne par l'enzyme glycogène phosphorylase pour produire des monomères de glucose-1-phosphate :

Action de la glycogène phosphorylase sur le glycogène

In vivo, la phosphorolyse se déroule dans le sens de la dégradation du glycogène car le rapport entre le phosphate et le glucose-1-phosphate est généralement supérieur à 100. Le glucose-1-phosphate est ensuite converti en glucose 6 phosphate ( G6P) par la phosphoglucomutase . Une enzyme de déramification spéciale est nécessaire pour éliminer les branches α (1 → 6) du glycogène ramifié et remodeler la chaîne en un polymère linéaire. Les monomères G6P produits ont trois devenirs possibles :

Pertinence clinique

Troubles du métabolisme du glycogène

La maladie la plus courante dans laquelle le métabolisme du glycogène devient anormal est le diabète , dans lequel, en raison de quantités anormales d'insuline, le glycogène hépatique peut s'accumuler ou s'épuiser anormalement. La restauration du métabolisme normal du glucose normalise également le métabolisme du glycogène.

Dans l'hypoglycémie causée par un excès d'insuline, les taux de glycogène hépatique sont élevés, mais les taux élevés d'insuline empêchent la glycogénolyse nécessaire au maintien d'une glycémie normale. Le glucagon est un traitement courant pour ce type d'hypoglycémie.

Diverses erreurs innées du métabolisme sont causées par des déficiences en enzymes nécessaires à la synthèse ou à la dégradation du glycogène. Celles-ci sont collectivement appelées maladies du stockage du glycogène .

Épuisement du glycogène et exercice d'endurance

Les athlètes de longue distance, tels que les coureurs de marathon , les skieurs de fond et les cyclistes , souffrent souvent d'un épuisement du glycogène, où presque toutes les réserves de glycogène de l'athlète sont épuisées après de longues périodes d'effort sans consommation suffisante de glucides. Ce phénomène est appelé " frapper le mur " en course à pied et "bonking" en vélo.

La déplétion en glycogène peut être prévenue de trois manières possibles :

  • Tout d'abord, pendant l'exercice, les glucides dont le taux de conversion en glucose sanguin ( indice glycémique élevé) est le plus élevé possible sont ingérés en continu. Le meilleur résultat possible de cette stratégie remplace environ 35 % du glucose consommé à des fréquences cardiaques supérieures à environ 80 % du maximum.
  • Deuxièmement, grâce à des adaptations d'entraînement d'endurance et à des régimes spécialisés (par exemple, jeûne, entraînement d'endurance à faible intensité), le corps peut conditionner les fibres musculaires de type I pour améliorer à la fois l'efficacité de l'utilisation du carburant et la capacité de charge de travail pour augmenter le pourcentage d'acides gras utilisés comme carburant, en épargnant les glucides. utiliser de toutes les sources.
  • Troisièmement, en consommant de grandes quantités de glucides après avoir épuisé les réserves de glycogène à la suite d'exercices ou d'un régime alimentaire, le corps peut augmenter la capacité de stockage des réserves intramusculaires de glycogène. Ce processus est connu sous le nom de charge glucidique . En général, l'indice glycémique de la source de glucides n'a pas d'importance puisque la sensibilité musculaire à l'insuline est augmentée en raison de l'épuisement temporaire du glycogène.

Lorsque les athlètes ingèrent à la fois des glucides et de la caféine après un exercice intense, leurs réserves de glycogène ont tendance à se reconstituer plus rapidement ; cependant, la dose minimale de caféine à laquelle il y a un effet cliniquement significatif sur la réplétion du glycogène n'a pas été établie.

Voir également

Les références

Liens externes