GLYCOGÈNE: STRUCTURE, SYNTHÈSE, DÉGRADATION, FONCTIONS - LA BIOLOGIE - 2025

Le glycogène est le stockage des glucides de la plupart des mammifères. Les glucides sont communément appelés sucres et ceux-ci sont classés en fonction du nombre de résidus provoqués par l'hydrolyse (monosaccharides, disaccharides, oligosaccharides et polysaccharides).

Les monosaccharides sont les glucides les plus simples qui sont classés en fonction du nombre de carbones contenus dans leur structure. Il y a ensuite les trioses (3C), tétrosas (4C), pentoses (5C), hexoses (6C), heptose (7C) et octoses (8C).

Structure chimique du glycogène montrant des liaisons glycosidiques (Source: Glykogen.svg: travaux dérivés de NEUROtiker: Marek M via Wikimedia Commons)

En fonction de la présence du groupe aldéhyde ou du groupe cétone, ces monosaccharides sont également classés respectivement en aldoses ou cétoses.

Les disaccharides donnent naissance, par hydrolyse, à deux monosaccharides simples, tandis que les oligosaccharides produisent 2 à 10 unités monosaccharidiques et les polysaccharides produisent plus de 10 monosaccharides.

Le glycogène est, d'un point de vue biochimique, un polysaccharide composé de chaînes ramifiées d'un aldose à six carbones, c'est-à-dire un hexose appelé glucose. Le glycogène peut être représenté graphiquement sous la forme d'un arbre de glucose. Ceci est également appelé amidon animal.

Le glucose dans les plantes est stocké sous forme d'amidon et chez les animaux sous forme de glycogène, qui est principalement stocké dans le foie et les tissus musculaires.

Dans le foie, le glycogène peut représenter 10% de sa masse et 1% de sa masse musculaire. Comme chez un homme de 70 kg, le foie pèse environ 1800 g et les muscles environ 35 kg, la quantité totale de glycogène musculaire est bien supérieure à celle du foie.

Structure

Le poids moléculaire du glycogène peut atteindre 108 g / mol, ce qui équivaut à 6 × 105 molécules de glucose. Le glycogène est constitué de plusieurs chaînes ramifiées d'α-D-glucose. Le glucose (C6H12O6) est un aldohexose qui peut être représenté sous forme linéaire ou cyclique.

Le glycogène a une structure hautement ramifiée et compacte avec des chaînes de 12 à 14 résidus de glucose sous forme d'α-D-glucose qui sont liées par des liaisons α- (1 → 4) glucosidiques. Les branches de la chaîne sont formées de liaisons α- (1 → 6) glucosidiques.

Le glycogène, comme l'amidon dans l'alimentation, fournit la plupart des glucides dont le corps a besoin. Dans l'intestin, ces polysaccharides sont décomposés par hydrolyse puis absorbés dans la circulation sanguine principalement sous forme de glucose.

Trois enzymes: la ß-amylase, l'α-amylase et l'amyl-α- (1 → 6) -glucosidase sont responsables de la dégradation intestinale du glycogène et de l'amidon.

La Α-amylase hydrolyse de manière aléatoire les liaisons α- (1 → 4) des chaînes latérales à la fois du glycogène et de l'amidon, et est donc appelée endoglycosidase. La Ss-amylase est une exoglycosidase qui libère des dimères de ß-maltose en rompant les liaisons glycosidiques α- (1 → 4) des extrémités des chaînes les plus externes sans atteindre les ramifications.

Puisque ni la ß-amylase ni l'a-amylase ne dégradent les points de ramification, le produit final de leur action est une structure hautement ramifiée d'environ 35 à 40 résidus de glucose appelée dextrine de bordure.

La dextrine limite est finalement hydrolysée aux points de ramification ayant des liaisons α- (1 → 6) au moyen de l'amyl-α- (1 → 6) -glucosidase, également appelée enzyme de «débranching». Les chaînes libérées par ce débranchement sont alors dégradées par la ß-amylase et l'α-amylase.

Lorsque le glycogène ingéré entre sous forme de glucose, celui qui se trouve dans les tissus doit être synthétisé par le corps à partir du glucose.

Synthèse

La synthèse du glycogène est appelée glycogenèse et a lieu principalement dans les muscles et le foie. Le glucose qui entre dans le corps avec le régime passe dans la circulation sanguine et de là dans les cellules, où il est immédiatement phosphorylé par l'action d'une enzyme appelée glucokinase.

La glucokinase phosphoryle le glucose en carbone 6. L'ATP fournit le phosphore et l'énergie nécessaires à cette réaction. En conséquence, du glucose 6-phosphate est formé et un ADP est libéré. Ensuite, le glucose 6-phosphate est converti en glucose 1-phosphate par l'action d'une phosphoglucomutase qui déplace le phosphore de la position 6 à la position 1.

Le glucose 1-phosphate reste activé pour la synthèse du glycogène, qui implique la participation d'un ensemble de trois autres enzymes: UDP-glucose pyrophosphorylase, glycogène synthétase et amyl- (1,4 → 1,6) -glycosyltransférase.

Le glucose-1-phosphate, associé au triphosphate d'uridine (UTP, un nucléoside de l'uridine triphosphate) et par action de l'UDP-glucose-pyrophosphorylase, forme le complexe uridine diphosphate-glucose (UDP Glc). Dans le processus, un ion pyrophosphate est hydrolysé.

L'enzyme glycogène synthétase forme alors une liaison glycosidique entre C1 du complexe UDP Glc et C4 d'un résidu glucose terminal du glycogène, et l'UDP est libéré du complexe glucose activé. Pour que cette réaction se produise, il doit y avoir une molécule de glycogène préexistante appelée «glycogène primordial».

Le glycogène primordial est synthétisé sur une protéine d'amorce, la glycogénine, qui est de 37 kDa et qui est glycosylée en un résidu tyrosine par le complexe UDP Glc. De là, les résidus α-D-Glucose sont liés par des liaisons 1 → 4 et une petite chaîne se forme sur laquelle la glycogène synthétase agit.

Une fois que la chaîne initiale a lié au moins 11 résidus glucose, l'enzyme de ramification ou amyl- (1,4 → 1,6) -glycosyltransférase transfère un morceau de chaîne de 6 ou 7 résidus glucose à la chaîne adjacente en position 1 → 6, établissant ainsi un point de branchement. La molécule de glycogène ainsi construite se développe par ajout d'unités de glucose avec 1 → 4 liaisons glycosidiques et plus de branches.

Dégradation

La dégradation du glycogène est appelée glycogénolyse et n'équivaut pas à la voie inverse de sa synthèse. La vitesse de cette voie est limitée par la vitesse de la réaction catalysée par la glycogène phosphorylase.

La glycogène phosphorylase est responsable du clivage (phosphorolyse) des liaisons 1 → 4 des chaînes glycogènes, libérant du glucose 1-phosphate. L'action enzymatique commence aux extrémités des chaînes les plus externes et elles sont séquentiellement éliminées jusqu'à ce que 4 résidus de glucose restent de chaque côté des branches.

Puis une autre enzyme, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) glucane transférase, expose le point de ramification en transférant une unité trisaccharidique d'une branche à une autre. Cela permet à l'amyl- (1 → 6) -glucosidase (enzyme de débranchement) d'hydrolyser la liaison 1 → 6, éliminant la branche qui subira l'action de la phosphorylase. L'action combinée de ces enzymes finit par cliver complètement le glycogène.

Puisque la réaction initiale de phosphomutase est réversible, le glucose 6-phosphate peut être formé à partir des résidus glucose 1-phosphate clivés du glycogène. Dans le foie et les reins, mais pas dans les muscles, il existe une enzyme, la glucose-6-phosphatase, capable de déphosphoryler le glucose-6-phosphate et de le convertir en glucose libre.

Le glucose déphosphorylé peut diffuser dans le sang, et c'est ainsi que la glycogénolyse hépatique se traduit par une augmentation des valeurs de glycémie (glycémie).

Régulation de la synthèse et de la dégradation

De synthèse

Ce processus s'exerce sur deux enzymes fondamentales: la glycogène synthétase et la glycogène phosphorylase, de telle sorte que lorsque l'une d'elles est active, l'autre est dans son état inactif. Cette régulation empêche les réactions opposées de synthèse et de dégradation de se produire simultanément.

La forme active et la forme inactive des deux enzymes sont très différentes, et l'interconversion des formes active et inactive de la phosphorylase et de la glycogène synthétase est strictement contrôlée hormonalement.

L'épinéphrine est une hormone qui est libérée par la médullosurrénale, et le glucagon en est une autre produite dans la partie endocrinienne du pancréas. Le pancréas endocrinien produit de l'insuline et du glucagon. Les cellules α des îlots de Langerhans sont celles qui synthétisent le glucagon.

L'adrénaline et le glucagon sont deux hormones qui sont libérées lorsque l'énergie est nécessaire en réponse à une baisse de la glycémie. Ces hormones stimulent l'activation de la glycogène phosphorylase et inhibent la glycogène synthétase, stimulant ainsi la glycogénolyse et inhibant la glycogenèse.

Alors que l'adrénaline exerce son action sur le muscle et le foie, le glucagon n'agit que sur le foie. Ces hormones se lient à des récepteurs membranaires spécifiques de la cellule cible, ce qui active l'adénylate cyclase.

L'activation de l'adénylate cyclase initie une cascade enzymatique qui, d'une part, active une protéine kinase dépendante de l'AMPc qui inactive la glycogène synthétase et active la glycogène phosphorylase par phosphorylase (directement et indirectement, respectivement).

Le muscle squelettique a un autre mécanisme d'activation de la glycogène phosphorylase par le calcium, qui est libérée à la suite de la dépolarisation de la membrane musculaire au début de la contraction.

De dégradation

Les cascades enzymatiques décrites ci-dessus finissent par augmenter les taux de glucose et lorsque ceux-ci atteignent un certain niveau, la glycogenèse est activée et la glycogénolyse est inhibée, inhibant également la libération ultérieure d'épinéphrine et de glucagon.

La glycogenèse est activée par l'activation de la phosphorylase phosphatase, une enzyme qui régule la synthèse du glycogène par divers mécanismes, impliquant l'inactivation de la phosphorylase kinase et de la phosphorylase α, qui est un inhibiteur de la glycogène synthétase.

L'insuline favorise l'entrée du glucose dans les cellules musculaires, augmentant les niveaux de glucose 6-phosphate, qui stimule la déphosphorylation et l'activation de la glycogène synthétase. Ainsi, la synthèse commence et la dégradation du glycogène est inhibée.

Caractéristiques

Le glycogène musculaire constitue une réserve d'énergie pour le muscle qui, comme les graisses de réserve, permet au muscle de remplir ses fonctions. Étant une source de glucose, le glycogène musculaire est utilisé pendant l'exercice. Ces réserves augmentent avec l'entraînement physique.

Dans le foie, le glycogène est également une source de réserve importante à la fois pour les fonctions des organes et pour fournir du glucose au reste du corps.

Cette fonction du glycogène hépatique est due au fait que le foie contient de la glucose 6-phosphatase, une enzyme capable d'éliminer le groupe phosphate du glucose 6-phosphate et de le convertir en glucose libre. Le glucose libre, contrairement au glucose phosphorylé, peut diffuser à travers la membrane des hépatocytes (cellules hépatiques).

C'est ainsi que le foie peut fournir du glucose à la circulation et maintenir des niveaux de glucose stables, même dans des conditions de jeûne prolongé.

Cette fonction est d'une grande importance, car le cerveau dépend presque exclusivement de la glycémie, une hypoglycémie sévère (très faibles concentrations de glucose dans le sang) peut entraîner une perte de conscience.

Maladies liées

Les maladies liées au glycogène sont généralement appelées «maladies de stockage du glycogène».

Ces maladies constituent un groupe de pathologies héréditaires caractérisées par le dépôt dans les tissus de quantités ou de types anormaux de glycogène.

La plupart des maladies de stockage du glycogène sont causées par un déficit génétique de l'une des enzymes impliquées dans le métabolisme du glycogène.

Ils sont classés en huit types, dont la plupart ont leur propre nom et chacun d'eux est causé par une carence enzymatique différente. Certains sont mortels très tôt dans la vie, tandis que d'autres sont associés à une faiblesse musculaire et à des déficits pendant l'exercice.

Exemples présentés

Certaines des maladies les plus importantes liées au glycogène sont:

- La maladie de Von Gierke ou maladie de stockage du glycogène de type I, est causée par une carence en glucose 6-phosphatase dans le foie et les reins.

Elle se caractérise par une croissance anormale du foie (hépatomégalie) due à une accumulation exagérée de glycogène et une hypoglycémie, le foie étant incapable de fournir du glucose à la circulation. Les patients atteints de cette maladie ont des troubles de la croissance.

- La maladie de Pompe ou de type II est due à une carence en α- (1 → 4) -glucane 6-glycosyltransphères dans le foie, le cœur et les muscles squelettiques. Cette maladie, comme celle d'Andersen ou de type IV, est mortelle avant l'âge de deux ans.

- La maladie de McArdle ou de type V présente un déficit en phosphorylase musculaire et s'accompagne d'une faiblesse musculaire, d'une diminution de la tolérance à l'exercice, d'une accumulation anormale de glycogène musculaire et d'un manque de lactate pendant l'exercice.

Références

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