UE1 Bases moléculaires et cellulaires des pathologies Pr Hélène CavéMardi 02/10/2018 de 15h30 à 17h30 Ronéotypeur : Sonia Dias da Costa Roneoficheur : Lilly Zhao-Boulet

Cours 3 Signalisation et régulation de la glycémie

Le professeur a indiqué lors de son premier cours ne pas vouloir relire les Ronéo.

Ce cours s’articule avec deux UEs : la partie plus fondamentale avec la médiation de l’insuline, glucagon et adrénaline est étudiée dans ce cours et la deuxième partie, qui sera vue en UE8, sera plus axée sur l ‘application en pathologie avec le diabète. Malgré que les cours sont dans des UEs différentes il faut les voir dans la continuité.

Le professeur a posé quelques questions pour une réflexion en dehors du cours. Leur correction sera faite dans sonprochain cours.

Le type de questions tombables à l’examen sont à la fin du cours

Pour rappel Glycolyse : dégradation du glucose avec production d’ATPNéoglucogénèse : production de glucose Glycogénogénèse : production de glycogène à partir du glucose (stockage du glucose) Glycogénolyse : dégradation du glycogène pour obtenir du glucose

Bien connaître l’inhibition du récepteur de l’insuline car il y a une grande importance en pathologie

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Sommaire

1 Processus généraux de conversion d’énergie 1.1 Les besoins énergétiques de l’organismes 1.2 Les ressources énergétiques endogènes 1.3 La glycémie

1.3.1 La glycémie normale 1.3.2 Les voies métaboliques 1.3.3 Rôle central du foie dans les échanges métaboliques 1.3.4 Le glucose

2 Les transporteurs de glucose 2.1 Les transporteurs SGLT 2.2 Les transporteurs GLUT

3 Régulation Hormonale de la glycémie 3.1 L’insuline

3.1.1 Structure de l’insuline 3.1.2 Sécrétion de l’insuline 3.1.3 Régulation de la Sécrétion de l’insuline

3.1.3.1 Régulation par la glycémie 3.1.3.2 Régulation par les hormones

3.1.4 Diabète par mutation du canal K 3.1.5 Effets Pléiotropes de l’insuline

3.1.5.1 Effet sur la glycémie 3.1.5.2 Effet mitogène

3.1.6 Récepteur de l’insuline 3.1.6.1 Voie PI3-Kinase/AKT 3.1.6.2 Voie RAS (MAP Kinases) 3.1.6.3 Rôle de l’insuline dans le transport du glucose 3.1.6.4 Inhibition du récepteur de l’insuline

3.2 Le glucagon 3.2.1 Structure du glucagon 3.2.2 Inhibition de glycolyse hépatique 3.2.3 Activation de la glycogénolyse hépatique 3.2.4 Régulation transcriptionnelle des gènes de la néoglucogénèse au cours du jeun

3.3 L’adrénaline

4 Un régime pour booster l’efficacité d’un traitement anticancéreux

5 A connaître

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1 Processus généraux de conversion d’énergie 1.1 Les besoins énergétiques de l’organisme

Plus de 90 % de l’énergie est utilisée par les organes principaux : 30 % pour les muscles squelettiques, 25 % pourles organes abdominaux (notamment le foie), 20 % pour le cerveau et 11 % pour le cœur. Cependant, pendantcertaines circonstances physiologiques spécifiques ces besoins énergétiques vont être accrus comme dans lacroissance chez l’enfant, l’absorption et digestion (appareil digestif, foie, etc) et l’exercice musculaire .

1.2 Les ressources énergétiques endogènes

Le tableau représente les réserves énergétiques d’un hommede 70 Kg et montre que les ressources énergétiquesendogènes sont partagées par 3 types de molécules présentesen quantités variables dans l’organisme. Les glucides en tantque glucose ou glycogène (forme de stockage), lestriglycérides et des protéines mobilisables (pas de protéinesde structure). Ces 3 molécules ne sont pas stockées aumême endroit, les triglycérides dans le tissu adipeux, lesprotéines essentiellement dans le muscle et le glucose dansle muscle, foie, et dans le sang où il est la principale sourced’énergie quantitativement. Le glucose est ainsi la forme circulante de l’énergie, même s’il y a un peu detriglycérides dans le sang. Du fait de sa présence dans le sang, le glucose peut passer facilement de cellule encellule et malgré qu’en termes de quantité ce n’est pas très important, il est rapidement mobilisable faisant de lui lasource énergétique d’urgence. Les triglycérides sont, quantitativement la ressource énergétique la plus importante, mais tous seuls ils ne suffisentpas aux besoins de l’organisme et ce car certains tissus utilisent quasi-exclusivement du glucose, comme le cerveau(tissu nerveux) et les érythrocytes. Le glucose ayant ce rôle important il est primordial de réguler son homéostasie.

Le principe d’homéostasie ou le 1er principe de dynamique du vivant : ce principe se définit par un état d’équilibreintérieur d’un organisme face à des modifications du milieu extérieur ou, les fonctions du vivant sont stables (etrésistantes à des petites perturbations). Le milieu extérieur est constamment soumis à des variations, mais face àcela, le milieu intérieur doit être capable de maintenir certains paramètres biochimiques dans des limites étroites.Ainsi, « un être vivant est un système homéostatique ou en homéostase ». Les fonctions du vivant sont stables,mais elles peuvent résister à des perturbations en maintenant les paramètres biochimiques dans une fourchetteétroite. Un exemple des ces paramètres est la glycémie.

1.3 La glycémie 1.3.1 La glycémie normale

En g/L En mmol/L

À jeun 0,7 à 1,1 4 à 6

En post-prandial (2h) < 1,4 < 8 * 1g/L = 5,5 mmol/L

• Pourquoi est-il nécessaire/important de réguler la glycémie ? ◦ Tous les tissus consomment du glucose pour produire de l’ATP et les biosynthèses (NADH2,

NADPH2, voie des pentoses. → le glucose est la brique élémentaire de la biosynthèse)◦ Le glucose est une source majeure pour le muscle, à l’exception du cœur → pour fonctionner

rapidement◦ le glucose est la source d’énergie exclusive pour le SNC (corps cétoniques si jeûne prolongé) et les

globules rouge. ◦ Si absence de glucose une hypoglycémie délétère pour les tissus consommateurs exclusifs du glucose

(SNC) peut provoquer des malaises et des comas hypoglycémiques

• Quels sont les enjeux ? ◦ Limiter lors d’un repas l’augmentation brutale du taux de glucose en favorisant la capture, l’utilisation

et le stockage

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◦ Maintenir, entre les repas un apport suffisant en glucose pour les tissus utilisant quasi-exclusivement leglucose (cerveau et érythrocytes)

◦ S’adapter à des besoins énergétiques accrus lors d’un effort musculaire.

• Les équilibres font intervenir 3 types d’organes pour homéostasie du glucose ◦ Absorption (intestin) : sources exogènes (amidon et diholosides) ◦ Production (foie) : sources endogènes, glycogène, néoglucogénèse (alanine, lactate glycérol). Ces

sources sont complémentaires des exogènes. ◦ Capture et utilisation (tissus périphériques) ; rôle quantitatif majeur du muscle.

• Coordination ◦ Communication entre les différents organes via des hormones (qui passent dans le sang) et signalent ce

que l’organe a doit faire◦ Cela est fait à partir d’une (et une seule) hormone hypoglycémiante, l’insuline → quand il y a trop de

glucose◦ ou quand il n’y a pas assez de sucre à partir d’hormones hyperglycémiantes comme le glucagon,

l’adrénaline et autres (qui ne seront pas étudiées dans ce cours)

1.3.2 Les voies métaboliques

Pour répondre aux besoins de la cellule, celle-ci utilisedes voies métaboliques qui doivent fonctionner defaçon intégrée afin de concilier 2 équilibres quirépondent à des besoins différents :

• Les besoin d’énergie local est régulé par lerapport ADP/ATP. En cas de besoin, la celluleentame la glycolyse à partir du glucose et sicela n’est pas suffisant la glycogénolyse. Lecatabolisme est favorisé pour faire face a unbesoin d’énergie intracellulaire

• Besoin de maintenir la glycémie constante :Lorsque l’organisme est en hypoglycémie, la glycogénolyse et la néoglucogenèse sont favorisées afin demaintenir le taux du glucose dans les paramètres normaux . Mais si l’organisme est en hyperglycémie, laglycogénogénèse et la glycolyse sont à leur tour favorisées. Quelques soient les besoins en énergie locaux,l’homéostasie du glucose doit être maintenue.

1.3.3 Rôle central du foie dans les échanges métaboliques entre muscle et foie

Dans le schéma ci-contre, les étapes à gauchecorrespondent à ce qui se passe dans le foie, alorsque celles de droite se passent dans le muscle.

Le foie a un rôle central dans les différentséchanges métaboliques, on l’appelle ainsi de« glucostat ». Il est à la fois capable de capter leglucose et de le restituer à la circulation sanguinedans un contexte de nécessité. Les outilspermettant au foie de jouer ce rôle sont lessuivants :

• le glucose est capable d’entrer dans le foiepar un transporteur GLUT2, il est piégédans la cellule par phosphorylation et ensuite est stocké sous forme de glycogène. → glycogénogénèse

• le foie peut restituer le glucose en cas de besoin, via la la glycogénolyse. Le glycogène est dégradé enGlucose-6P qui va donner le glucose via la glucose 6 phosphatase. Le glucose va ainsi pouvoir partir dansla circulation pour lutter contre une glycémie défaillante → glycogénolyse

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• production du glucose par la néoglucogenèse grâce au pyruvate, lactate ou certains acides aminés commel’alanine. → néoglucogenèse

• Hexokinase/ Glucokinase : L’hexokinase est ubiquitaire et est active à glycémie normale puisque son Kmest faible (Km=0,1 mM), donc elle a une forte affinité pour le glucose. La glucokinase est présenteuniquement dans le foie et dans le pancréas. Elle effectue la même réaction que l’hexokinase, mais elle aune faible affinité pour le glucose car la valeur de la Km (Km=10 mM) est supérieure à la valeur de laglycémie normal. Cela veut dire qu’elle est active lors d’une hyperglycémie, permettant ainsi au foie dejouer le rôle d’éponge du glucose. Une fois la glycémie rétablie, c’est l’hexokinase qui entre en jeu.L’arsenal enzymatique va être à l’origine de la spécification des organes

Le muscle est aussi important dans la régulation de la glycémie, car il est capable de faire la glycogénogénèse ainsique la glycogénolyse. Cependant, à l’inverse du foie, le muscle n’a pas de glucose-6 Phosphatase, ainsi il n’est pascapable de transformer le glucose 6-Phosphate en glucose. Le muscle n’est donc pas capable de distribuer leglucose qu’il produit à partir du glycogène. Il a un usage égoïste du glucose puisque tout le glucose qu’il produitsera utilisé par lui même. Le muscle n’est, par conséquent, pas capable de rétablir une glycémie normale. Maiscomme il utilise son propre glucose, il ne va pas consommer le glucose de la circulation sanguine. Donc cettecapacité de stocker son glucose et de l’utiliser pour ses propres besoins va épargner le glucose au dépend desorganes qui en ont le plus besoin. Le muscle participe un peu à la synthèse du glucose en produisant desprécurseurs de néoglucogenèse. Lors d’un effort musculaire important il va produire du lactate qui sera ensuitecapté par le foie. Il participe aussi à la dégradation des protéines, ce que lui permet de produire des acides aminésqui pourront être utilisés par le foie.

1.3.4 Le glucose

Le glucose est une molécule hydrophile qui ne peut pas pénétrer librement à travers la doublecouche lipidique de la membrane cellulaire. La cellule a donc trouvé un artifice pour le faire :les transporteurs de glucose.

2 Les transporteurs de glucose 2.1 Les transporteurs SGLT (Sodium Glucose Transporter)

Les transporteurs SGLT permettent un transport actif secondaire couplé à un gradient électrochimique avec unepompe Na+/K+ ATP dépendante. On le retrouve surtout au niveau des cellules épithéliales.

2.2 Les transporteurs GLUT (GLUcose Transporter de 1 à 5)Les transporteurs GLUT permettent une diffusion facilitée dans le sens du gradient électrochimique deconcentration du glucose. Ils sont beaucoup plus ubiquitaires et les différentes isoformes se distinguent par :

• leur expression dans les différents tissus• la spécificité de leur substrat (car certains transportent autres choses que le glucose) • leurs caractéristiques cinétiques

Transporteur Principale localisation tissulaire Affinité FonctionGLUT1 ubiquitaire forte Transport basal

GLUT2 Foie, pancréas, intestin, rein faible Régulation glycémie

GLUT3 ubiquitaire forte Transport Basal

GLUT4 Muscle strié, tissus adipeux forte Tissus insulino-sensibles

GLUT5 intestin Très faible Fructose

→ Le GLUT2 dans le foie et dans le pancréas ne sera efficace que sur des fortes concentrations de glucose car il aune affinité faible pour celui-ci. Ainsi, il ne sera actif qu’en cas d’hyperglycémie. C’est donc un mécanismecomplémentaire de la glucokinase/hexokinase présentes dans la foie et dans le pancréas.

→ Le GLUT4 a une forte affinité pour le glucose et est régulé par l’insuline, ainsi il est présent uniquement dansles tissus insulino-sensibles. Le foie n’en fait pas partie car la capture de glucose dans le foie n’est pas régulée parl’insuline.

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L’existence de plusieurs isoformes d’une molécule (soit transporteur, soit enzyme) joue un rôle majeur dans ladiversification des tissus et la capacité a avoir des fonctions nouvelles et à s’adapter aux besoins métaboliques del’organisme.

3 Régulation Hormonale de la glycémie

La régulation hormonale de la glycémie est intimement liée au pancréas. Celui-ci par sa fonction endocrine auniveau des îlots de Langherans, secrète de l’insuline via les cellules β et du glucagon via les cellules α. L’insulineest responsable de l’anabolisme et a donc une fonction hypoglycémiante, alors que le glucagon est impliqué dans lecatabolisme et a une fonction hyperglycémiante.

3.1 L’insuline 3.1.1 Structure de l’insuline

L’insuline est codée par un seul gène localisée dans le chromosome 11p15. L’insuline est un petit polypeptide de 51acides aminés (environ 6 Kda). Elle fait partie des molécules qui sont secrétées dans une forme immature. La pre-proinsuline.

Pré-proinsuline(immature)

Peptide d’une centaine d’acides aminés, replié sur lui-même par des ponts disulfure (liaisoncovalentes entre cystéines). Il est produit dans les citernes du réticulum endoplasmique. Il estconstitué d’un peptide signal, d’un c-peptide, d’une chaîne A et d’une chaîne B. Il contient desponts disulfure (liaison covalentes).

Proinsuline Obtenue suite à la digestion de le la pré-proinsuline avec libération du peptide signal . Insuline(mature)

Obtenue suite au clivage entre une lysine et une arginine présentes entre le c-peptide et lachaîne A. Suite à ce clivage, ces deux acides aminés sont éliminés et on obtient l’insuline. L’insuline possède 51 acides aminés (environ 6 Kda) et est formée d’une chaîne A et unechaîne B reliées entre elles par des ponts disulfure. L’insuline et le c-peptide sont enfermés dans les granules de sécrétion (vésicules) prêtes à êtreutilisées en cas de besoin.

Un patient diabétique peut avoir 2 types d’insuline, l’endogène (produite par les cellules β du pancréas) etl’exogène (traitement médical). Vu que ces deux molécules sont identiques, seul le dosage du c-peptide permet defaire la quantification de l’insuline endogène.

Question à corriger en UE8 dans le cours du diabète: Il existe un diabète néonatal, très rare, lié à des mutationsde certains gènes dont l’insuline. Sur la chaîne de la pré-proinsuline, on voit en les substitutions de cette forme dediabète néonatal. Quelle hypothèse pouvez-vous faire sur la conséquence moléculaires de ces mutations etcomment pouvons nous faire le lien avec l’apparition du diabète chez ces enfants ?

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3.1.2 Sécrétion de l’insuline

Les cellules β du pancréas présentent à leur membrane plasmique uncanal K+ ATP-dépendant. Ce canal, présent exclusivement dans la celluleβ pancréatique, est composé de 4 molécules KIR6.2 formant le canal etde 4 sous unités régulatrices SUR1. Celui-ci contrôle l’activité électriquede la cellule β et est régulé par le ratio ATP/ADPA l’état quiescent, le canal K+ est ouvert et le potassium passe en dehorsde la cellule. Une augmentation du ratio ATP/ADP entraîne sa fermeture,par la fixation de l’ATP sur le canal.

3.1.3 Régulation de la Sécrétion de l’insuline

La sécrétion d’insuline est régulée principalement par la glycémie, mais aussi par une régulation hormonale qui apparaît qu’au 2ème plan.

3.1.3.1 Régulation par la glycémie

Ce qui prime sur la régulation de la glycémie est le taux deglucose. Une concentration de glucose supérieure à 6mM entraînel’ouverture des transporteurs GLUT2 dans le pancréas et dans lefoie, permettant ainsi au glucose d’entrer dans la cellule. Ceglucose sera phosphorylé par la glucokinase en glucose 6-P qui nepeut plus sortir de la cellule. Le métabolisme du glucoseaugmente le taux d’ATP qui va ainsi fermer le canal K+ ATP-dépendant. Le K+ restant à l’intérieur de la cellule entraîne unedépolarisation de la membrane, permettant au Ca2+ d’entrer dansla cellule via des canaux calciques voltage dépendants. Le Ca2+via la calmoduline va permettre ainsi l’exocytose de l’insuline. La cellule β est excitable et elle va utiliser son changement de potentiel de membrane pour coupler des variationsde concentration de glucose pour stimuler ou inhiber la sécrétion d’insuline. Ici, on observe une signalisation directe par une entrée du signal (glucose) dans la cellule. On peut dire donc quec’est le glucose qui va générer la sécrétion de l’hormone hypoglycémiante.

3.1.3.2 Régulation par les hormonesLes hormones vont potentialiser l’effet du glucose sur la sécrétion d’insuline. Les îlots de Langherans ont uneinnervation et vascularisation importantes. Cela :

• favorise la régulation neuronale et hormonale des cellules β• Coordonne la sécrétion des îlots (1 million répartis dans tout le pancréas)• et a une action au niveau

◦ du potentiel d’action électrique de la membrane◦ de l’exocytose

Hormones inhibitrices de la sécrétion Hormones activatrices de la sécrétion

Adrénaline Somatostatine

Acetyl-cholineAcide y-amino-butyrique (GABA)Glucagon-like peptide-1 (GLP-1)

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3.1.4 Diabète par mutation du canal K Il existe un diabète par mutation du gène ABCC8 quicode pour SUR-1, la sous unité régulatrice du canal K. La sous unité SUR-1 lie l’ATP ce qui permetl’ouverture/fermeture du canal K. Cette protéinecontient donc un domaine de fixation à l’ATP. Lorsquece domaine est muté, dans le cas de la mutationABCC8, l’ATP n’est plus reconnu. Ainsi, lorsque laconcentration du glucose est supérieure à 6 mM celui-civa rentrer dans la cellule et l’ATP produit lors de sonmétabolisme ne sera pas reconnu par le canal K qui enrestant ouvert ne permet pas la dépolarisation de lamembrane et l’exocytose de l’insuline de se fera pas.Sans insuline, il y a une augmentation anormale de laglycémie donnant ainsi un diabète sucré.

Chez les enfants présentant cette pathologie, le traitement quotidien est 1 injection d’insuline par jour, mais enanalysant les autres médicaments du diabète de type 2 (chez l’adulte) et la mutation du gène ABCC8, des étudesont été mise en ouvre pour comprendre si les sulfamides hypoglycémiantes peuvent être efficaces pour le traitementde ce diabète.

Certains médicaments comme les sulfamide hypoglycémiantes vont se fixer sur la sous unité régulatrice SUR-1(récepteur des sulfamides hypoglycémiantes) permettant la fermeture du canal. Le K+ ne vas pas sortir et vas doncpermettre la dépolarisation de la membrane cellulaire et par les mécanismes vus précédemment, l’exocytose del’insuline. Les études avec les sulfamides hypoglycémiantes ont montrée que malgré que les valeurs des glycémiesn’étaient pas régulières, elles étaient plus basses qu’avec le traitement par de l’insuline. Le diabète est mieuxéquilibrés, et le confort de vie est plus important car on peut s’affranchir de la prise quotidienne de l’insuline.

3.1.5 Effets Pléiotropes de l’insuline

L’insuline a plusieurs cibles et des effets indépendants les uns des autres. Son rôle mieux connu est le rôlemétabolique, mais elle a aussi des effets mitogènes.

3.1.5.1 Effet sur la glycémie

Les 3 tissus cibles de l’effet hypoglycémiant de insuline sont le foie, le muscle etles adipocytes. Le foie va arrêter sa production de glucose (glycogénolyse et néoglucogenèse). Dans le muscle (tissu insulino-dépendants) il y a un arrêt de la glycogénolyse (caril peut piocher du glucose dans la circulation et n’a pas besoin prendre ses réserves)puis l’insuline favorise la capture du glucose qui sera stocké sous forme deglycogène (glycogénogénèse)Le tissu adipeux (tissu insulino-dépendants) augmente aussi la capture du glucose

dans la circulation, pour le stocker sous forme de lipides (lipogénèse).

En résumée, insuline a 2 actions sur la glycémie : • arrêt de production du glucose• mise en réserve sous forme de glycogène et d’acides gras

3.1.5.2 Effet mitogène

L’insuline a aussi un rôle physiologique de facteur de croissance (effet mitogène). Cet effet est beaucoup plus largeque l’effet métabolique car l’insuline en tant que facteur de croissance agit sur plusieurs tissus. Elle protège lacellule de la mort cellulaire (car diminution de l’apoptose) et elle stimule la croissance et la différenciation par uneaugmentation de la synthèse protéique et l’augmentation ou diminution de l’expression de certains gènes. Pour quecela soit possible, il faut que le signal de l’insuline soit transmis à l’intérieur de la cellule. Cela se fait via desrécepteurs à la membrane plasmique des cellules.

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3.1.6 Récepteur de l’insuline

Le récepteur de l’insuline fait partie de la famille des récepteurs àactivité tyrosine kinase. Cette famille comporte environ 60récepteurs partagés en 20 sous-familles. Les ligands sont despolypeptides (facteurs de croissance) et ils ont une structurecommune :

• un domaine extra-cellulaire très glycosylé avec des motifsrépétés caractéristiques (domaines riches en cystéine oudomaines « immunoglobulin-like »

• un domaine transmembranaire• domaine intra-cytoplasmique composé de domaine tyrosine

kinase (et parfois serine/thréonine kinase) Le récepteur de l’insuline est essentiellement localisé dans lestissus qui répondent à l’insuline (muscles squelettiques, tissuadipeux et foie). Il est constitué de sous unité α et β et il est déjà dimerisé. Lorsque l’insuline se lie à ce tétramèredéjà formé, celui-ci va changer de conformation dans sa partie intra-cytoplasmique avec une activation du domainetyrosine kinase et apparition de sites de phosphorylation. Cette phosphorylation permet le recrutement de protéinescytoplasmiques qui sont les substrats de récepteur à l’insuline ou (IRS)

Les IRS (insulin-Receptor substrates) ont une structure similaire.

Ils sont composés de : • domaine PTB (phosphotyrosine binding) ou domaine de liaison à des tyrosines phosphorylées • domaine PH (domaine d’homologie avec la pleckstrine) • beaucoup de serines et thréonines qui vont pouvoir être phosphorylées et ainsi relayer le signal de

l’insuline. D’une manière générale ◦ Phosphorylation des tyrosine : régulation positive sur le signal insuline◦ Phosphorylation des serines: régulation négative sur le signal de insuline

Les tyrosines vont pouvoir fixer avec d’autres molécules possédant des domaines SH2 (PI3K, Grb2, …). Nousallons étudier deux voies de signalisation du signal de l’insuline, la voie PI3K/AKT et la voie RAS.

3.1.6.1 Voie PI3-Kinase/AKT

Lorsque le récepteur à l’insuline estactivé par la fixation de son ligand,il va se phosphoryler sur sa partieintra-cytoplasmique et IRS va venirse fixer, et par le jeu de tyrosinesphosphorylées qui vont apparaîtresur cet IRS.

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Conséquences : 1. recrutement de la PI3K à la membrane (proche de son substrat PIP2) 2. Modification conformationnelle qui active la sous unité catalytique (p110) en la libérant de l’action

inhibitrice de la sous unité régulatrice (p85)3. PI3K transforme PIP2 en PIP3 (2nd messager) lui aussi ancré dans la membrane4. PIP3 recrute à la membrane PKB/AKT via leur domaine PH (homologie avec la pleckstrine) 5. Activation d’AKT par PDK1 et PDK2 (serine/thréonine kinases) également recrutées à la membrane par

PIP3. Cette activation se fait par la double action de translocation et phosphorylation6. PKB/AKT activés vont phosphoryler des protéines cytoplasmiques.

Insuline a une action intégrée/coordonné sur plusieurs voies métaboliques

AKT agit par activation/ inhibition de plusieurs molécules.

Rôle métabolique de l’insuline (tout est adapté à une fonction hypoglycémiante) :Activation GLUT4 Elle passe par une translocation de GLUT4 à la membrane. Augmentation des récepteurs

pour pouvoir augmenter la captation de glucose.

Inhibition GSK3 L’inhibition de GSK3 entraîne l’activation de la glycogène synthase. AKT favorise la miseen réserve de glucose sur forme de glycogène

Inhibition FOXO Pas d’activation de la PEPCK (pas de néoglucogenèse ) et de G6Pas (pas de sortie de glucose dans le cellule)

Rôle de facteur de croissance sur le cycle cellulaire Inhibition GSK3 Reprise du cycle cellulaire par l’activation de cycline D et Myc

Inhibition FOXO Comme FOXO n’active plus P27KIP1 (inhibiteur du cycle cellulaire) il y a une reprise du cycle cellulaire

Rôle de facteurs de croissance sur la survie cellulaire Inhibition FOXO En inhibant FOXO il n’y a plus d’activation de FASL, donc pas d’apoptose et la survie

cellulaire est sauvegardée.

Activation mdm2 Mdm2 est un répresseur de p53 (molécule pro-apoptotique). L’activation de mdm2 favorise la survie cellulaire.

Inhibition BAD BAD est une molécule pro-apoptotique donc son inhibition conduit à la survie cellulaire.

Rôle de facteur de croissance sur la synthèse protéique activation MTOR Cette molécule active la synthèse protéique. On l’étudiera dans un autre cours

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Plus en détail : FOXO et GSK3

FOXO

Foxo est un facteur de transcription, il est donc capabled’aller dans le noyau se fixer sur des régions spécifiques de lachromatine en amont des gènes et régler leur expression.Deux gènes (PEPCK et G6PAse) sont sur la dépendanced’éléments de réponse à l’insuline (ou IRE).

Quand FOXO se fixe sur l’élément de réponse à l’insuline onva avoir la sécrétion dans le foie de PEPCK et G6PAse.Quand FOXO est actif, la néoglucogénèse est activée.

En cas d’hyperglycémie l’insuline est secrétée, ce qui vapermettre, via la cascade de signalisation vue précédemment,l’activation de PKB/AKT. Cette kinase va phosphorylerFOXO. FOXO phosphorylé est capable de fixer la protéine14.3.3 (protéine de séquestration cytoplasmique) empêchantainsi FOXO d’agir sur l’IRE et PEPCK et G6Pase ne sontdonc pas exprimées. Ainsi, dans le foie, FOXO est inactivépar délocalisation.

GSK3

La GSK3 va inactiver la la glycogène synthase en laphosphorylant, que devient inactive et la glycogénogénèsene peut pas se faire.

Dans les organes de glycogénogénèse (foie et muscles), enprésence d’insuline la PKB/AKT active va phosphorylerGSK3 qui devient inactive et de ce fait elle ne peut plusaller phosphoryler la glycogène synthase et donc la cellulepeut effectuer de la glycogénogénèse.

Par des jeux de phosphorylations et de déphosphorylationson va arriver à réguler des enzymes et aboutir ou non àl’action ou inaction de l’hormone en bout de chaîne.

Résumé des actions

Toutes les actions métaboliques de l’insuline sont mediéespar la PI3K, donc si on inhibe la PI3K, on empêchel’insuline d’agir sur le métabolisme du glucose et labiosynthèse. En ce qui concerne les actions mitogènes,l’insuline va agir par la voie de la PI3K mais aussi par lavoie des MAP kinases.

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3.1.6.2 Voie RAS (MAP Kinases)

La voie des MAP kinases a été étudié dans les précédents cours. La seule différence est qu’au lieu d’avoir unefixation directe de Grb2 aux tyrosines phosphorylés du récepteur, on a IRS (insulin-Receptor substrates), qui vajouer le rôle d’intermédiaire entre le récepteur de l’insuline et le Grb2. Mais cela confère à cette voie designalisation une régulation particulière qui peut se jouer sur cette molécule IRS.

3.1.6.3 Rôle de l’insuline dans le transport du glucose

L’insuline va avoir un effet important permettant la captation du glucose dans le tissu adipeux et dans le muscle.Elle stimule la translocation de GLUT4 en surface de la cellules.

Lors de la mise en culture d’adipocytes transfectés avec du GLUT4 fusionné à un gène codant pour une protéinefluorescente, le GLUT4 est exprimé dans le centre de la cellule (visualisation à l’aide de la microscopie confocale).C’est du GLUT4 cytoplasmique. En présence d’insuline, le GLUT4 cytoplasmique est relocalisé à la membrane dela cellule ou il va pouvoir jouer son rôle de transporteur. L’insuline, sur les tissus adipeux et musculaires (le utilisateurs le plus important du glucose), va avoir un effetimportant permettant la captation du glucose sanguin. Cette translocation se fait par l’intermédiaire de la PKB/AKT activé par la PI3K. (le professeur n’a pas donné plusd’indications sur cette voie de signalisation)

3.1.6.4 Inhibition du récepteur de l’insuline (+++)

L’insuline passe son signal par l’IRS qui active PI3Ket la voie de la MAPK, permettant ainsi la médiationdes actions de l’insuline. Au même temps, ces kinases,vont activer des serine kinases (IKKβ et JNK) qui vontà leur tour phosphoryler l’IRS sur des sérines. Cemécanisme découple le récepteur de l’IRS. Au mêmetemps on a l’activation de tyrosine phosphatase(PTB1β) qui va cliver les phosphates des tyrosinesprésentes dans le récepteur de l’insuline. En résumé,on défait les phosphorylations des tyrosines et on vaphosphoryler les serines empêchant IRS de se fixer surle récepteur et les actions de l’insuline ne peuvent pluss’exercer. Ce système est très important en pathologie.

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3.2 Le glucagon 3.2.1 Structure du glucagon

Chez les mammifères, un gène unique codepour un précurseur : le proglucagon. Suite à desmodifications post-traductionnelles tissuspécifiques du proglucagon par expressiontissu-spécifique d’enzymes prohormoneconvertase (PC) . Dans le cerveau il s’agitd’une autre enzyme.

Dans les cellules α des îlots de Langherans dupancréas, la prohormone convertase 1 (PC1),clive ce proglucagon en glucagon, une hormonepeptidique de 29 acides aminés.

Le glucagon est une hormone hyperglycémiante, qui agit en réponse à une hypoglycémie. Il est plus spécialisé quel’insuline et a une action élective sur le foie. Il augmente la production hépatique de glucose et diminue laconcentration hépatique du glucose.

3.2.2 Inhibition de la glycolyse hépatique

Le glucagon va inhiber la glycolyse hépatique de façon à empêcher la consommation de glucose. Il agit en se liantà un récepteur à 7 domaines transmembranaires couplé à une protéine G, et plus particulièrement à une protéineGαs qui va stimuler la production d’AMP cyclique via l’adenylate cyclase et va donc activer la protéine Kinase A.Celle-ci a une double activité, elle est kinase et phosphatase. Son activité kinase 2 (PFK2) permet de passer dufrutose 6-Phosphate au frutose 2,6-biphosphate. Son activité phosphatase (FBPase 2) permet de catalyser le passagedu frutose 2,6-biphosphate en frutose 6-phosphate.

En abondance de glucose, les cellule β du pancréas secrète de l’insuline, cela active la fonction kinase de la PKA(PFK2) et la formation du frutose 2,6-biphosphate qui est un activateur allostérique de l’enzyme PFK1 de laglycolyse.

Lors d’un manque de glucose, les cellule α du pancréas vont secréter du glucagon qui va à son tour activer lafonction phosphatase de la PKA (FBPase 2), aboutissant à la formation du frutose 6-phosphate qui ne vas passtimuler la PFK1 et ne va donc pas activer la glycolyse.

On inhibe ou on active la glycolyse en jouant sur la quantité du régulateur allostérique (frutose 2,6-biphosphate).

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3.2.3 Activation de la glycogénolyse hépatique

Le glucagon va aussi jouer un rôle dans la production du glycogène au niveau du foie. l’AMPc va activer la PKAqui à son tour va activer la phosphorylase Kinase A par phosphorylation. Celle-ci va phosphoryler laphsosphorylase conduisant à son activation. La phosphorylase active va permettre la formation du glucose à partirdu glycogène.

3.2.4 Régulation transcriptionnelle des gènes de la néoglucogénèse au cours du jeun Le glucagon a aussi une action au niveau du noyau (cf image précédente). L’AMPc va activer la PKA qui va dansle noyau et phosphoryle CREB qui va se fixer dans CRE (cAMP response element) permettant la transcription dePEPCK et G6Pase favorisant ainsi la néoglucogénèse.

Résumé sur le glucagon Le rôle du glucagon sur le foie est d’ouvrir le robinets de production du glucose et diminuer la mise en réserve duglucose. Tout doit fonctionner ensemble. La PKA a des actions cytoplasmiques et des actions sur le noyau qui se font dans un temps un peu plus long enfavorisant la transcription des gènes. Ainsi, le glucagon a un effet puissant sur la glycémie et un effet qui monte enpuissance dans le temps du fait de son double effet cytoplasmique et transcriptionnel.

Par ailleurs le glucagon active la mobilisation des AG (activation de la triglycéride lipase hormone-dependante) etaugmente la capture d’acides aminés par les hépatocytes.

3.3 L’adrénaline

L’adrénaline, comme le glucagon est une hormone hyperglycémiante. Sur le plan moléculaire elle joue comme leglucagon, mais sur le plan physiologique d’une manière très différente. L’adrénaline est une catécholaminesynthétisée par la médullosurrénale.

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Le récepteur de l’adrénaline est un récepteur β-adrénergique. C’est un récepteur à 7 domainestransmembranaires couplé à une protéine Gαs. Comme pourle glucagon, elle permet l’activation de l’adénylate cyclasequi va activer l’AMPc qui va ensuite activer la PKA parphosphorylation. Celle-ci va phosphoryler laphsosphorylase conduisant à son activation. Laphosphorylase active va permettre la formation du glucose6-phosphate à partir du glycogène.

Le glucagon joue sur le foie en situation de jeune avec laproduction de glucose qui peut aller dans la circulationsanguine. L’adrénaline (hormone d’urgence) agit sur le

muscle en situation de stress et beaucoup plus rapidement que le glucagon. Dans le muscle, l’adrénaline, enfavorisant la formation du glucose 6-phosphate, permet de mettre en place un processus d’épargne. Le muscle estun grand consommateur de glucose. Adrénaline, en activant la formation de glucose 6 phosphate qui ne peut passortir de la cellule (le muscle produit son propre glucose), va éviter que le muscle utilise le glucose circulant dans lesang. Celui-ci peut donc être utilisé en priorité par les tissus qui ont besoin (SNC et érythrocytes).

4 Régime pour booster l’efficacité d’un traitement anticancéreux ?

Des chercheurs ont décrit, chez la souri, comment mieux guérir de son cancer en jouant sur l’alimentation.

• La voie PI3K est souvent activée dans les cancers (ex : mutations PIK3CA, code p110a)• Les inhibiteurs de PI3K sont souvent peu efficaces• Des chercheurs s sont questionné si cette inefficacité était la faute d’un rétrocontrôle de l’insuline ?

◦ La voie PI3K est une voie qui a des effets mitogènes mais elle est aussi la voie principale de lamédiation de effets métaboliques de l’insuline.

◦ Lorsqu’on traite un individu par un inhibiteur de PI3K, l’effet secondaire c’est qu’au même temps onva bloquer le signal de l’insuline. Cela crée une hyperglycémie réactionnelle. Cela est normal.Cependant lorsque on administre les inhibiteurs e la PI3K, la sécrétion d’insuline va augmenter trèsfort amenant ainsi à une restauration du signal PI3K même en présence des inhibiteurs de la PI3K. Lerécepteur à l’insuline, comme il est présent dans toutes les cellules, y compris dans les cellulescancéreuses, va augmenter la PI3K dans les cellules où on voulait l’inhiber.

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Les chercheurs préconisent, qu’il faut adapter le régime alimentaire pour prévenir ce pic d’insulinémie. Chez lasouris, un régime cétogène (très pauvre en glucides, riche en graisses, mime l’effet du jeune) augmente l’effet desinhibiteurs PI3K.

5 A connaître A la fin du cours, il faut connaître :

• Le mécanisme de sécrétion de l’insuline.• La signalisation induite par l’insuline et les organes cible• Le mécanisme de l’extinction physiologique du signal d’insuline• la signalisation par le glucagon et l’organe cible

Il faut comprendre• comment l’expression d’isoformes enzymatiques (glucokinase) ou de récepteurs au glucose (GLUT2)

spécifiques permet au foie et au pancréas d’assurer leur fonction dans la régulation de la glycémiecontribuant ainsi à leur spécialisation métabolique

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