CAHIER D`EXERCICES de BIOCHIMIE 5. Métabolisme

PCEM1

5. Métabolisme GlucidoLipidique CAHIER D'EXERCICES de BIOCHIMIE 2008-2009 EDITE PAR LE DEPARTEMENT DE BIOLOGIE http://www.chusa.upmc.fr/disc/bio_cell

Cahier d'Exercices en Biochimie / PCEM1

Métabolisme glucido-lipidique / 2

CAHIER D’EXERCICES POUR PCEM1 BIOCHIMIE

V. METABOLISME GLUCIDO-LIPIDIQUE

SOMMAIRE Page

1. Métabolisme du glycogène …………………………. 3 2. N éoglu cogenèse, Voie des P ento ses ...…..……. 4 3. Métabolisme des lipides ...………………..…........... 6 4. Régulations du métabolisme des glucides et des lipides en physiopatholo gie...…..……...... 9 5. QCM

......……....…...….…………………….......….......… 15

6. Annales…....…...…..……………………….....…...…......... 19

Schéma de couverture : Régulation par cascade de phosphorylation de la glycogénolyse (d’après « The cell : a molecular approach, G.M.Cooper »)

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Métabolisme glucido-lipidique / 3

1. METABOLISME DU GLYCOGENE 1.1 Le glucose présent dans la lumière intestinale après un repas va être en grande partie stocké dans les cellules hépatiques et musculaires (sous forme de glycogène). a. Indiquer les protéines membranaires que vous connaissez qui sont directement mises en jeu dans le transport du glucose en précisant pour chacune d’elle sa localisation tissulaire et éventuellement cellulaire et les caractéristiques du transport. b. L’élévation de la glycémie résultant de cette absorption digestive de glucose va favoriser indirectement son stockage sous forme de glycogène : • indiquez par quels mécanismes

1.2 a. Ecrire la réaction qui conduit à la formation de glucose phosphorylé sans intervention d’ATP. b. Un échantillon de glycogène d’un patient atteint d’une maladie hépatique est incubé avec de l’acide phosphorique, de la glycogène phosphorylase, de la transférase, et de l’α1-6 glucosidase. Le rapport moles de glucose-1-phosphate sur moles de glucose formés dans ce mélange est de 100. Quel est le déficit enzymatique chez ce patient ?

1.3 Vous vous intéressez à un patient présentant une déficience congénitale en glycogène phosphorylase musculaire; expliquez ce que vous trouverez lorsque vous effectuerez les analyses suivantes; en comparaison avec un sujet normal. a. concentration de glucose sanguin à jeun ; b. structure et quantité du glycogène hépatique ; c. structure et quantité du glycogène musculaire ; d. concentration de lactate sanguin après un exercice musculaire intense ; e. concentration de glucose sanguin après l’administration de glucagon.

1.4 Un patient présente une fatigue musculaire lors d’exercices intenses. L’activité de la glycogènephosphorylase en réponse aux ions calcium est mesurée dans un extrait cellulaire de muscle et les résultats figurent ci-contre : Expliquez brièvement au vu de ces résultats les signes cliniques observés chez ce patient.

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Métabolisme glucido-lipidique / 4

2. NEOGLUCOGENESE 2.1 a. Dans la néoglucogenèse, lorsqu’on passe du pyruvate au glucose, quatre enzymes sont requis pour contourner les étapes irréversibles de la glycolyse : vous les citerez et écrirez les réactions catalysées. b. Quels sont les substrats de la néoglucogenèse ?

2.2 Régulation de la Glycolyse et de la Néoglucogenèse. La concentration de fructose-6P est régulée principalement par l’action de la phosphofructokinase-1 (PFK-1) et de la fructose 1,6 bisphosphatase (FBPase), par les réactions suivantes : Fructose-6P + ATP Fructose-1,6 bisphosphate + ADP Fructose-1,6 bisphosphate + H2O

Fructose-6P + Pi

L’effet du Fructose 2,6 bisphosphate est testée sur l’activité de ces deux enzymes :

a. Interpréter les résultats obtenus. Que pouvez-vous en conclure ? b. Quelles sont les autres constituants moléculaires pouvant intervenir dans la régulation de l’activité de ces 2 enzymes ? c. Quel enzyme régule la synthèse du Fructose 2,6 bisphosphate? Quelle est sa régulation dans le foie ? d.Indiquer la signification métabolique de chacun des ligands allostériques de la PhosphoFructoKinase 1.

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2.3

Métabolisme glucido-lipidique / 5

La voie des pentoses phosphates

CHO

H2O

COO

-

COO

CH2O P

CH2O P

6P-gluconate déshydrogénase

CH2OH

C=O

C=O

CH2O P

CH2O P

6-phosphogluconate 1

2

3

CH2OH C=O

…

+

CHO CHO

CH2O P

6 a. b. c. d.

CH2O P CH2O P

5

4

Compléter les case vides avec les noms des métabolites. Donner le nom de l’enzyme qui catalyse la 1ère réaction. Dans quelle voie métabolique peuvent entrer les composés 5 et 6 ? Deux autres composés formés dans la voie des pentoses phosphates sont impliqués dans d’autres voies métaboliques. Quels sont ces composés et dans quelles voies interviennent-ils ?

2.4 Variation du lactate sanguin lors d’un exercice intense. Les concentrations de lactate dans le plasma sanguin avant, pendant, et après un sprint de 400 m sont représentées sur le graphe ci-contre :

a. Pourquoi existe-t-il une augmentation rapide de la concentration de lactate dans le sang ? Quelle est son origine ? b. Quelle est la cause de la chute de la concentration de lactate après la fin de la course ? Que devient-il ? c. Pourquoi la concentration de lactate sanguin n’est-elle pas nulle en dehors des périodes d’exercice musculaire intense ?

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Métabolisme glucido-lipidique / 6

3. METABOLISME DES LIPIDES 3.1

Destinée des triglycérides alimentaires. Compléter le schéma ci-dessous au niveau du texte et des réactions des voies métaboliques empruntées.

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3.2

Métabolisme glucido-lipidique / 7

Synthèse et destinée des triglycérides dans le foie et dans le tissu adipeux

a. La synthèse des triglycérides nécessite l’activation des acides gras R-COOH : écrire cette réaction d’activation, en indiquant tous les substrats et produits impliqués ainsi que le nom de l’enzyme qui catalyse la réaction. b. Les acides gras ainsi activés réagissent avec le glycérol phosphate. - Dans le foie, deux substrats peuvent conduire au glycérol phosphate : quels sont ces substrats, d’où proviennent-ils et comment donnent-ils du glycérol phosphate ? - Dans le tissu adipeux la formation de glycérol phosphate est-elle identique à celle qui a lieu dans le foie ? Commenter. c. Quelle voie métabolique est représentée par les réactions schématisées ci dessous : compléter les cases vides et écrire les formules du glycérol phosphate et de l’acide lysophosphatidique (repérées par un trait pointillé)

Acyl transférase

R-CO~CoA

Glycérol phosphate

Acyl transférase

Acyl transférase

R-CO~CoA

H2O

R-COO- CH2

R-COO- CH2

R-COO- CH2

R-COO- CH CH2O P

R-COO- CH CH2OH

R-COO- CH R-COO- CH2

Ac. lysophosphatidique

d. Préciser la destinée des triglycérides

3.3

Phosphatase

R-CO~CoA

Triglycéride

- dans le foie ; - dans le tissu adipeux.

Quelle est l’origine principale des acides gras utilisés comme source d’énergie par les muscles ? • Quel(s) enzyme(s) est impliqué ? • Ce(s) enzyme(s) sont-ils régulés ?

3.4

Quel est le rôle de la carnitine dans le métabolisme des acides gras ?

3.5

La β oxydation des acides gras : a. Indiquez sa localisation dans la cellule. b. Compléter le schéma page suivante : c. Quelle est l’autre source d’acétyl-CoA pour la cellule ?

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Métabolisme glucido-lipidique / 8

3.6

La dégradation complète du radical palmityl du palmitoyl-CoA est effectuée avec des mitochondries de cœur dans un milieu tamponné approprié. a. Combien de tours sont-ils nécessaires pour l’oxydation complète ? b. Quel sera le rendement théorique maximum en liaisons « riches en énergie » en l’absence et en présence de dinitrophénol (chiffre rapporté à 1 mole de palmitoyl-CoA) ? c. Que se passe t-il en absence d’oxygène ? Justifier brièvement votre réponse.

3.7

Synthèse des acides gras 3.7.1 Quel est le substrat de la lipogenèse? 3.7.2 D’où provient-il? 3.7.3 Remplir les cases du schéma de la page suivante :

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•

Métabolisme glucido-lipidique / 9

Donner le nom des enzymes 1 et 2 et citer leur(s) coenzyme(s)

3.7.4 Quelle la régulation de l’enzyme 2 ? 3.7.5 Citer les types de réactions permettant l’allongement de la chaîne hydrocarbonée de 2 carbones d’un acide gras par l’acide gras synthase. Quel est le coenzyme nécessaire et d’où provient-il ? 3.7.6 Ecrire l’équation nette pour la production du palmitate dans le foie à partir d’acétyl-CoA mitochondrial. 3.7.7 Quel est le devenir de ces acides gras dans le foie? 3.7.8 Si la sérine de l’acétyl-CoA carboxylase qui est la cible de la phosphorylation par la protéine kinase A (PKA), est mutée en alanine, quelles sont les conséquences attendues sur le métabolisme des acides gras ?

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4. REGULATION DU METABOLISME PHYSIOPATHOLOGIE 4.1

Métabolisme glucido-lipidique / 10

DES

GLUCIDES

ET DES

LIPIDES

EN

Néoglucogenèse à partir du pyruvate. a. Compléter le schéma ci-dessous au niveau des substrats et des enzymes manquants.

b. Cette voie est fortement régulée par l’état nutritionnel, notamment pour l’expression de l’enzyme catalysant la formation de phosphoénol-pyruvate. Quelles sont les hormones concernées et les conséquences sur le métabolisme glucidique ? 4.2

Quelles sont les voies métaboliques mises en jeu au moment de la néoglucogenèse ? • Dans quels tissus sont-elles localisées ? • Quels sont les substrats et les produits de ces voies ?

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Métabolisme glucido-lipidique / 11

4.3

Quelle est l’origine des acides gras utilisés comme substrats énergétiques par la cellule musculaire ? • Quel type de muscle est concerné ? • Dans quelles conditions physiologiques la cellule musculaire utilise-t-elle des acides gras ? • Ce muscle a-t-il d’autres sources énergétiques : lesquelles ?

4.4

Les individus ayant des problèmes de surcharge pondérale, doivent faire attention non seulement à leur alimentation lipidique (TG) mais aussi à leur alimentation glucidique. Bien que le glucose soit stocké sous forme de glycogène, seules 5 % des réserves énergétiques le sont sous cette forme. Que se passe-t-il quand l’alimentation contient un excédent glucidique ?

4.5

Que se passe-t-il en l’absence de carnityl palmitoyl transférase (CPT 1) ? Justifier votre réponse. • Existe-t-il dans la cellule un inhibiteur physiologique de la CPT 1 ? Si oui, citer le et dire dans quelle circonstance physiologique ses effets seront sensibles.

4.6 β -hydroxybutyrate a. Dans quel(s) organe(s), compartiment cellulaire et circonstance a lieu sa synthèse ? b. Compléter les case vides du schéma

c. Dans quels tissus et dans quel compartiment de la cellule a lieu cette série de réactions ?

! Hydroxybutyrate

Enz.1 : déshydrogénase

1

Enz.2 : CoA transférase

2

Enz.3 :

3

Coenzyme A

2 Acétyl-CoA

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Métabolisme glucido-lipidique / 12

4.7

Interconnection des voies métaboliques : A. Soient les voies métaboliques suivantes présentes dans la cellule hépatique : Indiquer dans chaque case blanche le nom ou la structure de la molécule correspondante. Les noms abrégés sont admis pour les coenzymes et les nucléotides, G = Glucose, Gal = Galactose, F= Fructose.

Membrane plasmique

Cellule hépatique Glycogène n

Glycogène n+1

UDP-Gal Gal

UTP

Gal G-1P ATP

G

GLUT2

G ATP F-6P

Glycérol

Glycérol ATP

F

Dihydroxy acétone phosphate

F ATP ATP

B. On s’intéresse au métabolisme énergétique du muscle cardiaque en situation postabsorptive, chez un sujet au repos 1. Chez un sujet en bonne santé - Indiquer le substrat métabolique qui représente la source majeure d’énergie - Indiquer son tissu d’origine et le nom de la voie métabolique ayant permis de le produire dans cette situation - Quel autre type de substrats peut être utilisé en situation post-absorptive tardive ? - Indiquer le tissu d’origine et le nom de la voie métabolique ayant permis cette production dans cette situation 2- En pathologie, l’hypertrophie cardiaque (gros cœur) s’accompagne d’un état d’hypoxie (carence relative en oxygène) du muscle cardiaque - Dans ces conditions, quelle autre voie métabolique va être utilisée dans la cellule cardiaque pour produire de l’énergie ? - Quels sont les produits qui vont être libérés par la cellule cardiaque ? - Quel est leur devenir métabolique dans cette situation post-absorptive ?

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4.8

Métabolisme glucido-lipidique / 13

Pour explorer le métabolisme glucidique chez l’homme, on pratique une épreuve dite « hyperglycémie provoquée par voie orale » qui consiste à donner à boire une solution de glucose (75g) chez un sujet en situation post-absorptive (12 heures après un repas) et à mesurer dans le sang la concentration de différents composants avant (temps 0) et après (temps 30 minutes, 1 heure et 2 heures) prise de glucose

La courbe 1 ci-dessous représente la concentration du La courbe 2 représente la variation du taux glucose dans le sang (glycémie) chez un sujet sain d’insuline circulante chez ce même sujet (1g/l = 5,5 mmol/l)

La courbe 3 représente la variation du taux d’acides gras libres circulants chez ce même sujet

Au temps 0 a. de quel tissu vient le glucose ? b. donner le nom des voies métaboliques impliquées dans ce tissu c. de quel tissu vient l’insuline ? d. de quel tissu viennent les acides gras libres ? e. donnez le nom de la voie métabolique impliquée

Entre 0 et 30 minutes a. quelle est l’origine de l’augmentation de la glycémie ? b. comment expliquez-vous l’augmentation de la concentration d’insuline ? c. comment expliquez-vous la diminution de la concentration d’acides gras libres ?

Entre 30 minutes et 2 heures - comment expliquez-vous la diminution de la glycémie ?

On effectue également un dosage des chylomicrons : - au temps 0, quelle valeur attendez-vous ? Taux élevé Taux moyen Absence

- au cours du test, quelle variation pensez-vous observer : Augmentation Diminution Pas de modification

On dose également les corps cétoniques circulants - au temps 0, quelle valeur attendez-vous ? Taux élevé du même ordre que la glycémie Présence à taux faible Absence

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- au cours du test, quelle variation pensez-vous observer ? Augmentation Diminution Pas de modification

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4.9

Interrelations des voies métaboliques dans le foie

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Métabolisme glucido-lipidique / 15

5. QCM 1. GLYCOGÈNE- TRANSPORT DES OSES 1. Combien de liaisons phosphate riches en énergie peuvent être synthétisées par la dégradation d’une unité glucose engagée dans des liaisons α1-4 du glycogène en acide lactique dans le muscle ?  a. 1  b. 2  c. 3  d. 4  e. 5 2. Le glycogène hépatique est synthétisé après un repas et dégradé lors du jeûne. Comment peut-on augmenter la dégradation du glycogène dans le foie ?  a. en inhibant les récepteurs adrénergiques  b. par une injection de glucagon  c. par une injection d’insuline  d. en activant la protéine phosphatase 1  e. en inhibant la dégradation de l’AMP cyclique 3. Synthèse et dégradation du glycogène  a. L’enzyme glycogène synthase a comme substrat le glucose 1-phosphate  b. L’addition d’une molécule de glucose à la molécule de glycogène nécessite l’utilisation de deux liaisons riches en énergie de nucléosides triphosphates  c. La glycogène phosphorylase est capable d’hydrolyser la totalité de la molécule de glycogène  d. La glycogène phosphorylase utilise comme coenzyme la biotine  e. Le galactose alimentaire incorporé, après isomérisation, en priorité, dans le glycogène hépatique 4. Régulation du métabolisme du glycogène dans le muscle  a. la glycogène synthase est activée par déphosphorylation  b. la glycogène synthase phosphorylée est activée allostériquement par l’AMP  c.l’adrénaline et le glucagon ont les mêmes effets sur la glycogénolyse  d. La glycogène phosphorylase peut être activée allostériquement par l’ATP  e. Le déficit génétique en glycogène phosphorylase musculaire donne des hypoglycémies à distance des repas 5. Transport des oses  a. Le galactose et le fructose peuvent utiliser le transporteur GLUT2 pour entrer dans la cellule hépatique  b. Le galactose et le glucose entrent dans la cellule épithéliale intestinale au pôle apical par un transporteur de la famille GLUT  c. GLUT2 et la glucokinase permettent de détecter une hyperglycémie au niveau de la cellule βpancréatique Faculté de Médecine Pierre & Marie Curie

 d. Le transporteur GLUT4 permet de faire entrer du glycérol dans l’adipocyte  e. Le glucose qui entre dans la cellule musculaire est rapidement phosphorylé et ne peut pas ressortir 6. Métabolisme du glycogène  a. La protéine-phosphatase 1 activée inhibe la glycogène-synthase et active la glycogènephosphorylase  b. La glycogène-phosphorylase est le substrat de la phosphorylase-kinase  c. La glycogénine est une des sous-unités de la phosphorylase-kinase  d. Le métabolisme du glycogène dans le muscle est inversement régulé par l’insuline et l’adrénaline  e. La coupure des chaînes α1-4 du glycogène par la glycogène-phosphorylase libère du glucose-1phosphate et nécessite une liaison riche en énergie d’ATP 7. Métabolisme glucidique  a. Chez l’homme, la principale forme de stockage du glucose dans les tissus est le glycogène  b. Le glucose sanguin est du glucose libre  c. Le glycogène musculaire permet de produire du glucose libéré dans la circulation  d. La synthèse et la dégradation du glycogène ont lieu dans le cytosol  e. Le foie peut stocker de l’ordre de 500 g de glycogène chez un adulte après un repas 8. Métabolisme glucidique  a. Le transporteur GLUT2 n’est présent que sur les hépatocytes  b. Le transporteur GLUT4 est présent dans la membrane plasmique de l’adipocyte en absence d’insuline  c. La conversion du Glucose 6-phosphate en Glucose 1-phosphate demande de fournir une liaison riche en énergie d’ATP  d. La glycogène synthase effectue les branchement en α1-6  e. L’enzyme débranchant libère du glucose libre 9. Métabolisme glucidique  a. La glycogène synthase ajoute du glucose en position α1-4 dans la molécule de glycogène.  b. La glycogène synthase est active sous forme déphosphorylée .  c. La glycogène phosphorylase musculaire a comme régulateur allostérique l’AMP.  d. Dans le foie, la glycogène phosphorylase phosphorylée libère du glucose.  e. Dans le muscle, la glycogène phosphorylase déphosphorylée est activée par l’ATP. 10. Métabolisme glucidique  a. Toutes les cellules de l’organisme ont des transporteurs de glucose  b. Le transporteur GLUT4 est spécifique du galactose  c. Le cotransporteur Na+/glucose permet l’entrée du galactose dans les entérocytes