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Ronéo 2, Cours 3 UE1 sur 18

UE1 : Bases moléculaires et cellulaires des pathologies PR Hélène Cavé Mardi 02/10/2017 de 15h30 à 17h30 Ronéotypeur : Hortense DERVIEUX Ronéofycheur : Eloise LASNE

Cours 3 – UE1

Signalisation et régulation de la glycémie

A RETENIR !!! - Mécanisme de sécrétion de l'insuline (à ne pas confondre avec la SIGNALISATION de

l'insuline, ce qui est arrivé pour beaucoup d'étudiants au partiel de l'an dernier selon la prof).

- La signalisation induite par l'insuline des organes cibles (comprendre le principe général, on peut prendre des exemples si on ne retient pas tout)

- Le mécanisme de l’extinction physiologique du signal insuline - La signalisation par le Glucagon et l’organe cible

Il faut s'exercer à piocher à plusieurs endroits pour savoir 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 glycémie contribuant ainsi à leur spécialisation métabolique Le cours suivant « REGULATION DE LA GLYCEMIE DIABETE - CETOGENESE » se fait en UE8 et la prof conseil de bien connaître ce cours pour apprendre celui-ci. Elle n’a pas souhaité relire cette ronéo.


I. Procéssus généraux de conversion d’énergie 1. Les besoins énergétiques 2. Les resources énergétiques endogènes 3. La glycémie normale

II. Les transporteurs de glucose

- Les transporteurs GLUT

III. Régulation hormonale de l’insuline A. L’insuline

- Synthèse - Sécrétion - Effets Pléiotropes - Récepteurs à activité tyrosine kinase - Les cibles de la signalisation à l’insuline - Inhibition du récepteur à l’insuline

B. Le glucagon - Proglucagaon - Les récepteurs au glucagon et activation de la glycogénolyse hépatique L’adrénaline - Inhibition de la glycolyse hépatique - Régulation transcriptionnelle des gènes de la néoglucogénèse au cours du jeun

C. L’adrénaline


I. Processus généraux de conversion d’énergie

1. Les besoins énergétiques :

Les besoins énergétiques sont très importants. L’énergie est indispensable pour l’organisme mais 90 % de cette énergie va être utilisée par un nombre réduit d’organes :

– 30 % = muscle squelettique (principal utilisateur de cette énergie) – 25% = organes abdominaux (en particulier le foie pour ses fonctions de biosynthèse) – 20% = cerveau – 11% = cœur

Il existe aussi des circonstances physiologiques spécifiques qui nécessitent un besoin local d’énergie : – la croissance (croissance fœtale puis celle de l’enfant) – la digestion et l’absorption qui sollicitent l’appareil digestif et le foie – l’exercice physique

2. Les ressources énergétiques endogènes :

Quelle est cette énergie et comment peut-on la stocker ? Description des réserves d’un homme normal de 70kg en Kj :

3 grandes classes de molécules qui vont être les supports de cette réserve d’énergie – glucose, glycogène = forme de réserve du sucre – triglycérides = lipides, quantitativement la forme la plus importante – protéines mobilisables qui vont pouvoir fournir de l’énergie dans certaines circonstance On trouve ces molécules dans différents tissus : le sang, le foie, le cerveau, les muscles, les tissus adipeux

L’énergie n’est absolument pas répartie de façon homogène dans les différents tissus, en effet les triglycérides sont quantitativement la forme d’énergie la plus importantes et ils se situent essentiellement dans les tissus adipeux qui constituent les réserves énergétiques primordiales. Les protéines mobilisables sont prioritairement stockées en quantité non négligeable dans les muscles. Le glucose est stocké sous forme de glycogène dans le muscle et dans le foie qui sont les deux organes principaux de stockage du glucose sous forme de glycogène. En énergie totale disponible, le glucose et le glycogène représentent une part largement inférieure à celle des triglycérides et des protéines utilisables. Cependant ce rapport s’inverse dans le sang où on trouve la plus grande quantité de glucose (et non de glycogène)

• Rôle du Glucose sanguin : Le glucose sanguin est la forme circulante de l’énergie, il va pouvoir passer d’un organe à un autre et être distribué rapidement. C’est donc une source énergétique d’urgence. Il est quantitativement peu important mais qualitativement primordiale car il est le seul à pouvoir remplir ce rôle physiologique d’urgence. Il va donc être très important de maintenir l’homéostasie du glucose.

• 1er principe de dynamique du vivant : principe d’homéostasie L’homéostasie est l’état d’équilibre intérieur d’un organisme, qui doit être maintenu face à aux modifications du milieu extérieur Un être vivant est un être homéostatique, ce qui signifie que les fonctions du vivant sont stables, c’est à dire résistantes à des petites perturbations. à La glycémie va donc pouvoir être maintenue par différentes fonctions malgré certaines perturbations.


3. La glycémie normale La glycémie n’est pas complètement stable, elle varie dans une fourchette étroite. Elle est mesurée par ponction veineuse au pli du coude, dans 2 situations :

– à jeun : la normale est de 4 à 6 mmol/l – en post prandiale (dans les 2h qui suivent un repas) : on considère normale un glycémie < 8mmol/l

Les mmol sont l’unité internationale de l’expression de la glycémie mains certaines personnes l’exprime encore en g/L (la prof nous engage à parler plutôt en mmol) Néanmoins si la glycémie augmente temporairement dans certains cas, elle ne va pas diminuer avec par exemple la pratique une activité physique. Le corps est capable de maintenir une glycémie extrêmement stable, ce qui est très important car si l’hyperglycémie est grave (cf cours diabète), l’hypoglycémie est encore plus grave et de façon plus rapide. En effet tous les tissus consomment du glucose pour produire de l’énergie (ATP) mais ils l’utilisent aussi comme précurseur des biosynthèses (ex : voie des pentoses). Le glucose va être encore plus important pour les tissus qui ont une utilisation élective du glucose comme les muscles qui en consomment énormément ainsi que pour le SNC et les globules rouges qui sont des utilisateurs quasi exclusifs du glucose (le SNC peut aussi utiliser les corps cétoniques en cas de jeûne prolongé) Ainsi en cas d’hypoglycémie, on va avoir des effets délétères sur les tissus consommateurs exclusifs de glucose, en particulier sur le SNC, qui vont se traduire par différents types de symptômes et peuvent aboutir à un coma à importance physiologique de maintenir une glycémie normale Comment va-t-on maintenir une glycémie normale ?

• Les enjeux du maintien de la glycémie : Il existe des situations classiques qui entrainent une modification de la glycémie :

– Repas = apport, augmentation de la glycémie à 1er enjeu : limiter l’augmentation brutale de la glycémie et surtout la faire revenir à la normale en favorisant la capture, l’utilisation et le stockage Pour cela, le glucose va sortir du sang et aller dans les tissus où il va être stocké ou utilisé

– Entre les repas : moins d’apports à maintenir la glycémie c‘est à dire un apport suffisant en glucose en privilégiant les tissus qui ont une utilisation quasi exclusive du glucose (cerveau, érythrocytes)

– Efforts musculaire àadapter la glycémie pour qu’elle reste constante lorsqu’on augmente les besoins

Qu’est ce qui va permettre de réguler cette glycémie et quels sont les équipements ? La régulation de la glycémie met en jeux des organes différents :

– absorption de glucose = source exogène : intestin (ex : amidon, diholosides) – production = source endogène : essentiellement dans le foie (néoglucogénèse et glycogénolyse), – la capture et l’utilisation : muscle = quantitativement le plus gros utilisateur suivit par les tissus

périphériques (tout ce qui n’est pas le foie) La signalisation permet donc de coordonner l’action de ces différents organes. Cette coordination est essentiellement hormonale. Elle va mettre en jeux plusieurs hormones :

- une hormone hypoglycémiante : l’insuline - plusieurs hormones hyperglycémiantes = le glucagon et l’adrénaline.

• Au niveau moléculaire : Plusieurs voies métaboliques vont être impliquées dans la régulation de la glycémie. (Pas besoin de connaître tous les intermédiaires mais il faut comprendre comment, pourquoi et où elles se mettent en jeux.)


2 équilibres à concilier :

– Besoin d’énergie local: régulé par le ratio ADP/ATP Un besoin d’énergie dans une cellule va se traduire par l’utilisation les réserves de glycogène . Celui si va donner du glucose (glycogénolyse) qui va subir la glycolyse pour libérer de l’énergie à glycogénolyse et glycolyse = régulées positivement quand on a besoin d’énergie

– Glycémie En cas d’hypoglycémie : on va avoir besoin du fonctionnement des voies de production du glucose = glycogénolyse et néoglucogénèse, ce sont donc des voies qui ne sont pas complètement similaires à celles d’un besoin en énergie En cas hyperglycémie : les voies qui captent le glucose vont être stimulées = glycogénogénèse (mise en réserve) et glycolyse (utilisation)

Si on associe une hypoglycémie avec un besoin d’énergie local, la glycogénolyse se déclenchera mais pas forcément la glycolyse, il va falloir concilier ces deux éléments car les voies utilisées ne sont pas similaires. De même pour une hyperglycémie sans besoin d’énergie. à Globalement l’homéostasie du glucose tien à être tenue quel que soit les besoins en énergie, on va donc devoir concilier deux types de régulation : la régulation du rapport ADP/ATP pour réguler les enzymes du métabolisme (régulation par le niveau d’énergie et par le niveau en substrat et en produit) qui est essentiellement intracellulaire et une régulation à une échelle de l’organisme entier, essentiellement hormonale qui va avoir pour enjeux de maintenir la glycémie tout en permettant d’assurer au mieux les besoins locaux en énergie. 3 organes sont importants dans la régulation de la glycémie : l’intestin pour l’absorption, le foie pour la production et le muscle pour l’utilisation Comment se font ces échanges métaboliques entre le foie et le muscle ? (très important de bien les comprendre)

• Rôle central du foie : échanges métaboliques entre muscle et foie Muscles et foie ont en commun des voies métaboliques qu’ils n’activent pas dans les mêmes circonstances : Le foie joue un rôle central dans l’homéostasie du central à tel point qu’on l’appelle « glucostat » = élément qui va pouvoir régler la glycémie grâce à de multiples voies métaboliques :

- il peut prendre du glucose de la circulation qui va tout de suite être phosphorylé en Glucose 6 Phosphate par deux types d’enzymes : hexokinase ou glucokinase. Le glucose 6P ne pouvant sortir de la cellule il va donc être stocké dans le foie sous forme de glycogène par la glycogénogénèse qui va pouvoir se faire en particulier à partir du glucose circulant mais aussi à partir d’autres précurseurs en particulier des précurseurs pré-carbonés comme le pyruvate, le lactate ou un acide aminé : l’Alanine.

- Possibilité aussi de glycogénolyse : le glycogène peut redonner du glucose 6P qui va grâce à la Glucose 6 phosphatase pouvoir redonner du glucose qui peut sortir dans la circulation et faire remonter la glycémie

- Néoglucogénèse, en particulier à partir des éléments 6 carbonés, donne du glucose qui va aller dans la circulation

Ce qui permet au foie d’assurer ce rôle de glucostat c’est son arsenal enzymatique qui comprend notamment l’hexokinase (enzyme que l’on a dans tous les tissus) mais aussi la glucokinase. Ces deux enzymes font la même réaction biochimique mais avec des paramètres cinétiques différents : la Km de l’hexokinase est à 0,1 mM alors que celle de la glucokinase est à 10 mM, on a donc une glucokinase beaucoup moins affine que l’hexokinase.


L’intérêt du foie d’avoir ces 2 enzymes est que : - Pour une glycémie normale : l’hexokinase va atteindre sa Vmax (on est très au-dessus de sa Km) alors

que la glucokinase fonctionne assez peu - Quand la glycémie > 5mM : il va y avoir une montée en puissance de la glucokinase qui va prendre le

relai et faire du foie une éponge à glucose en excès en le mettant en réserve. - A l’inverse lorsqu’il y a besoin de glucose : le foie va être capable grâce à sa Glucose 6 phosphatase

de libérer le phosphate du glucose de sorte que le glucose puisse partir dans la circulation et faire remonter la glycémie

à Grace à son arsenal enzymatique, le foie a un rôle primordial dans le maintien de la glycémie

Le muscle est très important car il va consommer le glucose en le tirant de la circulation sanguine. Le glucose va alors donner du glucose 6 P qui sera mis en réserve sous forme de glycogène ou utiliser par la glycolyse pour produire de l’énergie. Le muscle est également capable de faire la glycogénolyse c’est à dire récupérer ce glucose qui a été mis en réserve sous forme de glucose 6P. Mais à la différence du foie il n’a pas de glucose 6 phosphatase, il va donc avoir une utilisation totalement égoïste du glucose : il ne peut pas le rendre à la circulation et remonter la glycémie. à Le muscle n’est donc pas capable de maintenir la glycémie mais il intervient dans sa régulation

Le muscle ne fait pas que la glycolyse, il peut libérer du lactate et de l’alanine par dégradation des protéines dans la circulation. Alanine et lactate rejoignent le foie où ils vont pouvoir être des substrats de la néoglucogénèse. Le muscle va donc être indirectement est un pourvoyeur de précurseur de glucose. à Les échanges métaboliques entre muscles et foie sont extrêmement importants et ont des finalités complètement différentes entre les organes II. Les transporteurs de glucose Le glucose est une petite molécule polaire, hydrophile qui ne peut donc pas passer directement la bicouche lipidique. Son entrée dans la cellule va donc nécessiter des transporteurs. 2 types de transporteurs de glucose :

- Système des SGLT (Sodium Glucose Transporteur) : transport actif secondaire couplé à un gradient électrochimique et à une pompe sodium potassium ATP dépendante. - GLUT-n: pores membranaires, transporteurs de glucose (de 1 à 5) qui vont procéder par diffusion facilitée, c’est à dire dans le sens de concentration du gradient de glucose. • Les transporteurs GLUT :

Ces GLUT vont avoir un rôle important dans la régulation de la glycémie : les différentes isoformes vont se distinguer par leur expression tissulaire, la spécificité d’un substrat et leur caractéristiques cinétiques. Selon le type d’isoforme qui sera exprimée dans un tissu, on va avoir des rôles tissulaires d’utilisation de glucose différents.


- GLUT-1 : ubiquitaire (c’est le plus répandu), forte affinité pour le glucose ce qui va permettre à tous les tissus de profiter du glucose de la circulation. Il est responsable du transport basal du glucose,

- GLUT 3 (» GLUT-1) : ubiquitaire, forte affinité pour le glucose, responsable du transport basal - GLUT-2 : restriction dans son expression tissulaire, on va essentiellement le trouver au niveau du foie

et du pancréas, faible affinité, intervient dans la régulation de la glycémie. - GLUT-4 : forte affinité, expression limitée essentiellement aux muscles striés et aux tissus adipeux

qui sont des tissus insulino-sensibles = sensibles aux effets de l’insuline = principaux tissus à avoir des récepteurs à l’insuline

On a donc la possibilité d’avoir une régulation hormonale de l’entrée du glucose dans la cellule grâce à un récepteur sensible à la régulation de l’insuline (GLUT-4). Mais aussi, de façon un peu plus étonnante, GLUT-2, à côté de tous ces GLUT à forte affinité, a une faible affinité ce qui va ressembler à ce que l’on vient de voir avec la glucokinase et l’hexokinase. En effet la répartition tissulaire de la glucokinase à faible affinité a une répartition tissulaire très proche de celle de GLUT-2 : foie et pancréas. Ces deux organes ont un rôle très important dans la régulation de la glycémie de manière complètement différente. Ils ont tous deux sont d’un régulateur de transport de glucose et d’une enzyme de capital du glucose à faible infinité qui entrent en jeux seulement lorsque la glycémie est élevée qui leur permettent d’exercer cette fiction. III. Régulation hormonale de la glycémie : La régulation hormonale fait intervenir le pancréas comme organe majeur de sécrétion de ces hormones. Hormones pancréatiques : insuline = hormone hypoglycémiante et glucagon = hormone hyperglycémiante. Elles sont produites et sécrétées par le pancréas au niveau des îlots de Langherans qui ont donc une fonction endocrine, composés de cellules b responsables de la sécrétion de l’insuline et des cellules alpha qui sécrètent du glucagon.

A. L’insuline L’insuline possède un gêne épissé, qui produit une protéine qui n’est pas directement l’insuline mais la pré-pro-insuline, un précurseur de l’insuline.

• Synthèse de l’insuline : Etapes de maturations (dans le pancréas) de la pré-proinsuline:

- Ribosome endoplasmique : repliement de la chaîne de pré-pro-insuline avec l’établissements de 3 ponts disulfures entre les groupements SH portés par les cystéines et qui vont maintenir la pré-proinsuline dans cette conformation spatiale d’escargot. La 1ère coupure enzymatique a ensuite lieu : coupure du peptide signal par une endopeptidase à Formation de la pro insuline qui va se retrouver au niveau des citernes du golgi

- Nouveaux clivages enzymatiques par une enzyme de type trypsine entre les AA basiques (arginine-lysine, arginine-arginine) et excision des AA terminaux par les enzymes de type carboxyle peptidase ou amino peptidase. à Formation d’un polypeptide de 51 AA constitué de 2 chaines A et B reliées par des ponts disulfures mais qui au départ ont été produits dans une même chaine (manière qu‘a trouvé l’organisme d’avoir un équilibre absolu entre les deux chaines)


- Dernier clivage dans les granules du peptide C qui relie les chaines A et B. Ces granules vont ensuite sécréter l’insuline par exocytose et contiennent non seulement le peptide insuline mais aussi le peptide C ; caractéristique intéressante car physiologiquement le peptide C a un rôle marqueur du taux de production d’insuline et permet donc en cas de diabète de mesurer la production d’insuline endogène en la distinguant de l’insuline pharmacologique.

Diabète Néonatal : On a trouvé pour certains acides aminés une mutation responsable d’une pathologie extrêmement rare (qui servira de fil conducteur pendant ce cours) : le diabète néonatale, qui survient chez les enfants de moins de 3 ans, d’origine génétique avec plusieurs gènes mutés qui participent à la formation et à la sécrétion

d’insuline. On a identifié des mutations du gène de l’insuline au niveau de l’ADN sur des Alanine, Cystéine ou autre AA à cote d’une zone de clivage ou formant pont disulfure. Ces mutations ne sont donc réparties au hasard mais localisée sur ou a cote des AA importants pour la structure de à rôle causal de ces mutations sur l’apparition du diabète néonatal (illustration du fait que la connaissance d’un fonctionnement biologique permet d’interpreter ce qu’on trouve chez les malades). Chaque mutation a été trouvée chez un patient (aucun patient n’a toutes ces mutations), un seul ADN muté suffit à donner la maladie (ex: il suffit d’une tyrosine à la place d’une cystéine pour que l’insuline ne fonctionne pas et développer un diabète).

à importance de la structure et du processus de maturation de l’insuline. Ainsi si la personne est malade ce n’est pas parce qu’elle ne produit plus d’insuline mais parce qu’on va avoir un mauvais repliement de cette insuline dans les granules et dans les tissus pancréatiques qui mène à une destruction des tissus pancréatiques à importance de la structure de l’insuline à la fois pour sa fonction et parce qu’elle est en tellement grande quantité dans le pancréas que si elle est mal repliée elle induit des dégâts importants aboutissant à un diabète.

• Sécrétion de l’insuline : Pour parler de la sécrétion de l’insuline il faut d’abord parler d’un acteur central au cœur de la sécrétion qui est le canal potassique sensible à l’ATP situé dans la cellule b-pancréatique. Ce canal potassique est composé de 2 types de sous unités : - 4 sous unité KIR6.2 qui forment un canal - 4 sous unités régulatrices SUR1 Il est dit ATP dépendant parce qu’il est régulé par l’ATP. À l’état quiescent, le canal est ouvert, le potassium peut donc sortir de la cellule. Si on a une augmentation dans la cellule du rapport ATP/ADP c’est à dire une augmentation de l’énergie, il y aura par régulation au niveau des sous unités SUR1 une fermeture de ce canal. à Pourquoi et comment ? Au niveau de la membrane de la cellule b pancréatique : - canal potassique ATP dépendant - canaux à glucose de type GLUT 2 Quand la glycémie est faible, il y a peu de glucose dans pancréas qui puise dans la circulation le glucose nécessaire à son fonctionnement mais pas plus. Après un repas par exemple, la glycémie va augmenter, GLUT-2 va être un petit peu plus efficace dans


sa façon de faire rentrer le glucose dans la cellule. On va donc avoir un afflux de glucose à l’intérieur de la cellule pancréatique mais qui ne sera pas épongé comme dans le foie : il va servir de signal (exemple typique de signalisation par entrée directe du ligand dans la cellule). Le glucose va rencontrer la glucokinase, active uniquement dans des situations d’hyperglycémies, et va devenir du glucose-6-P qui suit son métabolisme. On va donc avoir une augmentation de l’ATP et du rapport ATP/ADP dans la cellule ce qui entraine la fermeture du canal potassique ATP dépendant. Le potassium ne peut plus sortir de la cellule et on va avoir localement une dépolarisation membranaire de cette cellule b pancréatique qui est électriquement excitable. Elle va utiliser ce changement de potentiel membranaire pour coupler les variations de concentrations de glucose à l’ouverture d’un canal calcique dépendant du voltage. C’est l’entrée de canal calcique dans la cellule qui va être responsable de l’exocytose de l’insuline.

Le glucose va donc servir directement de signal et va arriver à faire sécréter l’insuline par la cellule b pancréatique. à sécrétion d’insuline régulée en premier lieux par la glycémie c’est à dire directement par l’événement à contrôler

La sécrétion d’insuline est aussi régulée par les hormones. En effet les îlots de Langherans sont très innervés et vascularisés ce qui favorise la régulation à la fois hormonale et par les neuro-transmetteurs. Cela permet aussi d’avoir une coordination entre tous les îlots de Langherans puisqu’il y en a plus d’un million répartis dans tout le pancréas. Certaines molécules vont agir comme des inhibiteurs de sécrétion en particulier l’adrénaline (mais aussi la somatostatine), alors que d’autres vont agir comme des activateurs de sécrétion comme l’acétyl-choline, le GABA et le GLP-1. Mais cela intervient en 2nd plan, le 1er plan étant une régulation par les nutriments, le glucose en privilégié. Diabète néo-natal : Il existe des mutations génétiques du canal potassique ATP dépendant qui vont toucher soit la sous unité canal KIR-6.2 soit la sous unité régulatrice SUR-1. Dans ce dernier cas il s’agit d’une mutation du gène ABCC8 qui code pour SUR1 dans le domaine NBD qui est le domaine de liaison aux nucléotides (en effet si SUR1 est régulé par le rapport ATP/ADP cela veut dire qu’il a un domaine de liaison aux nucléotides). La mutation cas identifiée à la suite du séquençage de l’ensemble des exons des gènes candidats, empêche la liaison du nucléotide à la protéine et donc empêche le fonctionnement de ce canal en réponse à un afflux de glucose. Ces patients vont donc avoir un diabète c’est à dire une incapacité à réguler la sécrétion d’insuline par le glucose. Le glucose va augmenter sans sécrétion d’insuline en réponse. à importance de ce canal potassique Traitement par les sulfamides hypoglycémiants : (exemple (rare) où la connaissance de la cause de cette maladie génétique a permis d’avoir un traitement) Les unités SUR-1 tiennent leur nom du fait que ce sont des récepteurs au sulfamides. Ces sulfamides ou sulfamides hypoglycémiants sont l’un des traitements les plus utilisés pour traiter le diabète de type 2 (diabète du sujet âgé, extrêmement importante dans la population d’où le grand nombre de médicament dédiés). Quand on trouvé des mutations de SUR-1 chez les enfants atteints du diabète néonatal alors traités par injection d’insuline (traitement extrêmement lourd), on leur a administré des sulfamides hypoglycémiants utilisés chez les sujets âgés.


Protocole très précautionneux : en mesurant chaque jour la glycémie, on a commencé à donner par voie orale des sulfamides hypoglycémiants en augmentant la dose petit à petit tout en diminuant celle d’insuline. La glycémie n’est pas remontée, au contraire elle s’est stabilisée à des taux un peu plus bas que ceux permis par l’insuline. On a donc pu passer d’une thérapeutique par injections quotidiennes à une thérapeutique per os (plus facile à prendre). La mesure du taux d’HB A1c ou hémoglobine glyquée (traduit les effets de l’hyperglycémie sur l’hémoglobine = glycation, cela permet de voir tout se qui s’est accumulé sur la durée de vie d’un globule rouge c’est à dire sur au moins un mois). chez une multitude de patient initialement traités par insuline montre que le taux d’hémoglobine glyquée a baissé lorsqu’ils ont commencé les sulfamides hypoglycémiants. Ce traitement a donc permis non seulement de supprimer les injections quotidiennes mais aussi de mieux équilibrer les diabètes.

• L’insuline a des effets pléiotropes L'insuline a des effets pléiotropes, c’est à dire que ses effets sont multiples et qu’ils agissent sur plusieurs cibles (le foie, le muscle, les tissu adipeux). Le rôle métabolique de cette hormone et d'agir sur la glycémie. Le premier rôle de l’insuline est un rôle métabolique, et ce rôle est exercé sur ces trois tissus avec un objectif principal qui va être le maintien de la glycémie (dans le sens hypoglycémiant) pour éviter l’hyperglycémie. Pour cela l’insuline va favoriser, au niveau des tissus adipeux et des muscles, la capture du glucose depuis le sang vers les tissus. Et au niveau du foie elle coupe la production de glucose. Ces trois tissus sont très importants pour la capture et la diminution du glucose sanguin. On a en effet une mise en réserve de glucose sous forme de glycogène. L’insuline a d’ailleurs un effet global de mise en réserve, elle agit sur le glucose par la glycogénogenèse mais également sur les acides gras, car au niveau des tissus adipeux et du muscle elle favorise la lipogenèse (mise en réserve sous forme de lipides).

Donc cette hormone a un rôle hypoglycémiant et un rôle de mise en réserve sur ces trois tissus. L’insuline a un autre rôle qui est moins bien connu et qui va s’exercer sur beaucoup de tissus : un rôle de facteur de croissance. Ce rôle est relativement ubiquitaire et favorise la croissance cellulaire. Pour cela l’insuline favorise la synthèse protéique, joue sur la régulation du gène, et va s’opposer à l’apoptose. On reconnaît donc les effets d’un facteur de croissance (stimulation de la croissance et de la survie cellulaire).


Ce rôle de facteur de croissance est important à l’âge adulte, mais il l’est d’autant plus à l’âge fœtale (60% de l’énergie d’un fœtus provient du glucose). Pendant le développement fœtale le glucose est le principal substrat énergétique (ce qui est moins le cas après la naissance). Hors l’insuline ne traverse pas le placenta, c’est la propre insuline du fœtus qui est utilisée. Cette insuline, avec IgF1 et IgF2 (deux facteurs de croissance semblables à l'insuline), vont être les moteurs de la croissance in-utero. Ceci explique que les enfants diabétiques naissent avec un poids faible et un retard de croissance, car l’insuline qui permet aux tissus de capter le glucose a un rôle absolument primordial in-utero.

• Récepteur à activité tyrosine kinase Il y a environ 60 récepteurs à activité tyrosine kinase, et 20 sous-familles. Leurs ligands sont des facteurs de croissance (polypeptides). Ils ont une structure générale commune.

Le récepteur à l’insuline a une activité tyrosine kinase (ce qui correspond très bien à son rôle de facteur de croissance). Ce récepteur est un petit peu particulier car il est directement dimérisé et il a deux sous unités alpha et deux sous unités beta. C’est un effet allostérique de la fixation de l’insuline sur sa partie extracellulaire qui va entraîner une modification de structure de sa partie intracytoplasmique, en mettant des tyrosine kinases en regard pour leur permettre de phosphoryler leur substrat. Ce récepteur à l’insuline s’exprime en priorité dans le foie, le muscle et le tissu adipeux.

La signalisation à l’insuline a la particularité de mettre en jeu un intermédiaire de type protéine adaptatrice et qui va permettre une régulation fine de cette signalisation. Cette protéine n’est pas complètement neutre,


elle va contenir des sites de régulation. Cette famille de protéine adaptatrice correspond aux substrats du récepteur à l’insuline (IRS). Les IRS sont caractérisés par un domaine de liaison aux Tyrosines Phosphate. Ce domaine de liaison aux tyrosines phosphate est appelé PTB et va permettre de se lier à la tyrosine phosphate apparue sur le récepteur à l’insuline activé. Il y a également un domaine d'homologie à la plextrin (aide l'IRS à venir près de la membrane, où les phospholipides sont présents reconnus par ce domaine) Le reste de la protéine est essentiellement composé de tyrosines qui vont pouvoir être phosphorylées. Donc lorsqu’on a un récepteur à l’insuline activé il va pouvoir attirer le substrat du récepteur à l’insuline (IRS) par son domaine PTB et il va le phosphoryler sur tous ses résidus tyrosine. On va alors voir apparaître, non pas directement sur le récepteur mais sur son « adjoint » l'IRS, des sites d’ancrage (pour Grb2 qui est une molécule adaptatrice qui engage RAS en aval, ou encore PI3K). La particularité de ce récepteur à l’insuline, c’est qu’en plus des TyrPhosphate, on a aussi des sérines qui peuvent être phosphorylées. La phosphorylation des tyrosines va permettre l’activation du signal et la phosphorylation des sérines va être importante pour inactiver l’IRS et donc éteindre le signal. Cet IRS est important car il porte tous les sites de régulation positive ou négative de la signalisation à l’insuline. Le récepteur à l’insuline active la PI3K via IRS. La PI3K est responsable de l’ensemble des actions métaboliques de l’insuline, c’est à dire que si elle est inactivée l’insuline ne peut plus jouer son rôle métabolique.

1) PI3K est recrutée à la membrane proche de son substrat PIP2 2) Elle va jouer son rôle de lipide kinase grâce à une modification conformationnelle qui active sa sous

unité catalytique (p110) et libère l'action inhibitrice de p85. 3) PI3K transforme ainsi PIP2 (Phosphatidylinositol (4,5) di phosphate) en PIP3 (Phosphatidylinositol

(3,4,5) tri phosphate). 4) Le PIP3 est un second messager, sa concentration membranaire va augmenter et, de cette façon, il va

pouvoir recruter à la membrane des protéines via le domaine d’homologie à la plextrin (domaine PH : plextrin homology).

5) La principale protéine qu’il attire est PKB/AKT (ce sont les deux noms de la même protéine). 6) AKT est activée par PDK1 et PDK2 (sérine/thréonine kinases également recrutées à la membrane par

PIP3). L'activation de PKB se fait d’une part par translocation membranaire et d’autre part par phosphorylation (elle est phosphorylée par les deux protéines, PDK1 et PDK2 à domaine plextrin qui sont attirées à la membrane à proximité d’AKT). Ceci aboutit à une protéine kinase complètement active, capable de phosphoryler ses cibles.


• Les cibles de signalisation à l’insuline : Grâce à toutes ces cibles qui sont régulées par PKB/AKT, l’insuline va avoir une action intégrée. Cette phosphorylation des cibles a soit une action inhibitrice, soit une action activatrice. (Pas besoin de connaître toutes les cibles par cœur, elles sont là pour entrer dans le détail, mais le plus important est de comprendre le fonctionnement) 1) rôle métabolique : se fait par une activation sur GLUT4 ou par une phosphorylation inhibitrice de la kinase GSK3 (glycogène synthase kinase 3) qui a une action à la fois sur la glycogène synthase (par phosphorylation inhibitrice) mais également sur des mitogènes (substance qui favorise la mitose) qu’elle inhibe comme Myc ou la cycline D1 (importante pour la progression du cycle cellulaire). GSK3, en inhibant le glycogène synthase, s’oppose à la mise en réserve du glucose, et en inhibant les Myc et la cycline D1, elle s’oppose au cycle cellulaire. AKT l’inhibe et libère les actions de la glycogène synthase, de Myc et de la cycline D1 (ce qui augmente l’activation du cycle cellulaire). 2) FOXO est un facteur de transcription inhibé par AKT. FOXO active la PEPCK et la Glucose6Phosphatase. On a donc une inhibition du PEPCK et de la glucose6phosphatase, ce qui inhibe la néoglucogenèse et la sortie du glucose dans la circulation. FOXO va aussi jouer sur des récepteurs de survie cellulaire, de même que AKT qui active Mdm2, et Mdm2 inhibe p53, ce qui va dans le sens d’une survie cellulaire 3) mTOR est une kinase activée par AKT, elle est très importante dans la synthèse protéique car elle active 2 molécules importantes pour la traduction protéique (S6K et 4EBP). En activant la synthèse protéique elle active également la croissance cellulaire, car elle permet de produire des protéines utiles à la fabrication de nouvelles cellules.


On va s’intéresser au niveau plus moléculaire : EXEMPLE 1 : La protéine kinase AKT a pour cible FOXO, un facteur de transcription (Rappel : un facteur de transcription se lie à l’ADN). FOXO est attaché à des élément de réponse à l’insuline qui se trouvent en aval de certain gène, il permet la régulation de l’expression de ces gènes. Ces gènes sont PEPCK et le G6Pase. L’expression de ces gènes est utile pour faire la néoglucogenèse dans le foie. Mais lorsque FOXO est phosphorylé sous l’effet d’AKT il va être séquestré dans le cytoplasme par la protéine 14.3.3. En effet la phosphorylation de FOXO créé un site de reconnaissance pour 14.3.3. FOXO ne peut donc plus entrer dans le noyau, il y a alors une extinction de l’expression des gènes et la néoglucogenèse s’arrête.

EXEMPLE 2 : La GSK3, substrat d’AKT, est active sous forme non phosphorylée. Elle est responsable de la phosphorylation de la glycogène synthase et donc de son inactivation à l’état basal. Or si la glycogène synthase est phosphoryler il n’y a plus de glycogénogenèse.

Pour résumer : le récepteur à l’insuline, avec IRS, est capable d’activer PKB/AKT via la PI3K. La PKB/AKT va avoir une action mitogène et métabolique. Le récepteur à l’insuline est aussi capable de capter Grb2 qui va recruter Sos et activer les MAP-kinases, ce qui va compléter les actions mitogènes de l’insuline.


Le dernier rôle de l’insuline et le transport du glucose. Une expérience a été faite sur des adipocytes dans lesquels on a introduit un gène codant pour GLUT 4 fusionné avec un gène codant pour une protéine fluorescente afin de bien visualiser GLUT4. Le GLUT4 fluorescent est tout d’abord dans le cytoplasme. Puis on ajoute de l’insuline dans la culture d’adipocytes. On observe alors que toute la membrane devient fluorescente. Sous l’effet de l’insuline il y a une relocalisation de GLUT4 au niveau de la membrane. Les muscles et les tissus adipeux possède GLUT4, ils pourront alors capter au maximum le glucose sanguin. Ceci a deux effets : diminuer la glycémie et utiliser le glucose (usage immédiat ou mise en réserve).

• Inhibition du récepteur à l’insuline : Le retour en arrière - l’extinction du signal. Découplage récepteur / IRS. En même temps que MAPK et PI3K phosphorylent leur substrat, il y a une activation de sérine kinases (IKKß et JNK). Ces sérine kinases ont pour cible l’IRS (rappel : IRS a des tyrosines qui peuvent être phosphorylé avec un effet activateur, et des sérines qui peuvent être phosphorylées avec un effet inhibiteur). La phosphorylation de ces sérines mène à un découplage entre le récepteur et IRS. Lorsque ce lien est cassé, les voies en avales sont inactivées. Ce découplage est renforcé par des tyrosine phosphatases (la plus connue est PTP1ß) qui vont défaire les phosphorylations activatrices de l’IRS et déphosphoryler le récepteur activé. Ce n’est pas la seule manière d’inactiver le récepteur à l’insuline : il y a aussi PTEN qui dégrade le second messager PIP3 et bloque ainsi l’action de PI3K. Ou encore des phosphatases qui inhibent AKT.


B. LE GLUCAGON

1) Le proglucagon Le glucagon a un effet inverse de celui de l’insuline. Synthèse : chez les mammifères il est codé par un gène qui code en fait pour son précurseur le proglucagon. Il va y avoir une maturation post traductionnelle qui va être tissus spécifique. Cette tissus spécificité est régulée par l’expression d’enzymes prohormones convertases (PC) qui vont être capable d’assurer la maturation. Ces prohormones convertases ne sont pas synthétisées de la même manière d’un tissu à l’autre. Il va donc y avoir des sécrétions différentes entre le pancréas d’un côté et l'intestin et le cerveau de l’autre. Au niveau du pancréas on a la prohormone convertase 1 (PC1) qui va donner du glucagon, qui est une petite hormone de 29 acides aminés, sécrétée par les cellules alpha des îlots de Langerhans (pancréas). 2) Les récepteurs au glucagon et activation de la glycogénolyse hépatique. Le glucagon a une action uniquement sur le foie (à la différence de l’insuline), celui-ci est donc le seul organe à posséder des récepteurs au glucagon en grand nombre. Ces récepteurs sont de type à 7 domaines trans membranaires, couplés à une protéine G. Le rôle du glucagon est d’augmenter la production hépatique de glucose et de diminuer la consommation hépatique de glucose. On garde donc le maximum de glucose pour restaurer une glycémie défaillante. Le récepteur au glucagon est couplé à une protéine G alpha s, qui va stimuler l’Adenylate cyclase, il y a alors production du second messager AMPc activant PKA (protéine kinase A). Une des rôles de PKA dans le foie est de phosphoryler la Phosphorylase Kinase A, qui va à son tour phosphoryler une phosphorylase responsable du clivage de sous unités de glucose à partir du glycogène. C’est la glycogénolyse. Et étant donné que le foie possède une Glucose6Phospatase, il y a une production de glucose. Le glucose part dans la circulation et va faire remonter la glycémie à un taux normal. 3) Inhibition de la glycolyse hépatique Le glucagon empêche également que le glucose produit par le foie soit utilisé localement, pour cela il doit inhiber la glycolyse hépatique. La glycolyse est régulée par le rapport ATP/ADP, mais elle est également régulée au niveau hormonal. L'enzyme clé de la régulation de la glycolyse est la phosphofructokinase 1 ou PFK1 (elle « pousse » vers la glycolyse), elle est régulée de façon allostérique par le fructose2,6biphosphate. Le fructose2,6biphosphate est produit à partir du fructose 6 phosphate par une enzyme bifonctionnelle, la PFK2, donc une kinase mais qui a également une activité de phosphatase. Elle peut à la fois synthétiser le fructose2,6biphosphate et le dégrader par son activité phosphatase.


Lors d'une activation par le glucagon la PKA est activée et va phosphoryler l'enzyme de synthèse du fructose2,6biphosphate, ce qui aboutit à une inactivation de sa fonction kinase et à une activation de sa fonction phosphatase. On a une diminution de synthèse de l'activateur allostérique de la PFK1 et donc on va avoir une glycolyse inactive. En jouant sur la synthèse de l'activateur de la PFK1, le fructose2,6biphosphate (qui est un régulateur majeur de la glycolyse) on va bloquer la glycolyse de sorte que tout le glucose produit par la glycogénèse parte dans la circulation extérieure et ne soit pas utiliser localement. Lorsqu'on a un signal insuline c'est l'inverse qui se produit, la fonction phosphatase est inhibée, la fonction kinase est maintenue, il y a production de fructose2,6biphosphate, et donc activation de la PFK1. C'est ici que vont s'affronter glucagon et insuline pour réguler la glycémie au niveau hépatique.

4) Régulation transcriptionnelle des gènes de la néoglucogénèse au cours du jeun

Le glucagon n'a pas seulement un effet au niveau cytoplasmique. La PKA est en effet capable d'aller phosphoryler un facteur de transcription, CREB, il y aura alors des éléments de réponse à la glycémie dans les régions régulatrices de la PEPCK et de la G6Pase, et cette fois on agit à l'inverse de ce que l'on a vu pour l'insuline. On va avoir une activation de la synthèse de ces enzymes qui permettent la production de glucose et son passage dans le sang.


La PKA est en effet capable d'aller phosphoryler un facteur de transcription CREB, ce qui va activer la transcription de PEPCK et de la G6Pase permettent la production de glucose et son passage dans le sang et cette fois on agit à l'inverse de ce que l'on a vu Pour finir le glucagon a également une action sur les acides gras et les acides aminés.

- Sur les AG : mobilisation des AG facilitée par activation de la triglycéride lipase hormone dépendante (dépendante du glucagon), permet de mobiliser les AG au niveau hépatique.

- Sur les AA : permet la capture des AA par les hépatocytes, l'objectif étant la néoglucogénèse. L'insuline inhibe la sécrétion de glucagon. La demi vie du glucagon est extrêmement rapide, 3 à 6 minutes, ce qui permet de stopper l’effet de cette hormone dès que la glycémie est restaurée, il y a également une internalisation du couple hormone-récepteur par les hépatocytes.

C. L’adrénaline

Le glucagon est une hormone hyperglycémiante mise en jeu dans des situation de jeûne (pénurie en nutriments). L'adrénaline est également une hormone hyperglycémiante mais elle agit dans des conditions d'effort et de stress. L'adrénaline est une catécholamine synthétisée par la médullosurrénale. La grosse différence avec le glucagon est que le tissus cible de l'adrénaline est le muscle. L'adrénaline à un récepteur à 7 domaines transmembranaires, couplé aux mêmes protéines G que le glucagon : protéine G alpha s, qui stimule l'adénylate cyclase, qui stimule la synthèse d'AMPc… (exactement comme le glucagon). Mais à la fin on a une production de glucose6phosphate, et non pas de glucose !! Or le glucose6phosphate ne peut pas sortir du muscle pour rejoindre le sang. Mais c'est le muscle lui-même qui consomme le sucre, donc en utilisant le glucose6phospatase il va épargner le sucre de la circulation (qui va lui pouvoir alimenter le cerveau).

p2 + ue1 + cours 3 - signalisation et régulation de la

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