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Régulation du métabolisme : introduction | Sommaire du cours |
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1. Vue globale du métabolisme et de sa régulation Toute cellule est le siège de milliers de réactions biochimiques. Cet ensemble de réactions s'appelle le métabolisme. Les réactions forment un réseau de voies très ramifiées le long desquelles les molécules, que l'on appelle des métabolites, sont transformées. L'ensemble de ces réactions se déroulent à une très grande vitesse, bien supérieure à celles qu'elles auraient isolément dans la nature, grâce à des catalyseurs biologiques que sont les enzymes. |
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Certaines voies métaboliques libèrent de l'énergie en décomposant des molécules de structure élaborée en composants élémentaires de structure plus simples pour finir par l'oxydation complète des biomolécules en CO2 et H2O. Cet ensemble de processus de dégradation s'appelle le catabolisme. A l'inverse, l'énergie libérée au cours des processus cataboliques est utilisée pour fabriquer un très large ensemble de molécules complexes à partir de quelques précurseurs simples. Cet ensemble de réactions de biosynthèse s'appelle l'anabolisme. |
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L'environnement des organismes et des cellules change en permanence. En conséquences, les réactions du métabolisme doivent donc être finement régulées pour :
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Cet ensemble si bien coordonné fait appel à des protéines (enzymes ou non enzymes). Si le métabolisme est une merveille de fonctionnement concerté de millions de molécules c'est, entre autre, parce que les protéines ont une structure idéalement adaptée à chacun de leur(s) partenaire(s), structure dont découle leur(s) fonction(s). Les protéines sont :
On peut schématiquement décrire la régulation du métabolisme comme le fruit de de trans-conformations des protéines : pour la plupart, elles passent en permanence d'une conformation fonctionnelle à une conformation fonctionnelle ou inversement. Les exemples typiques sont les cascades de phosphorylation ou la fixation de ligands (calmoduline, protéines 14.3.3, messagers secondaires ...). La relation structure - fonction des protéines, c'est-à-dire le lien entre la structure (ou l'absence de structure) d'une protéine et sa/ses fonction(s) dans la cellule est un aspect capital de la régulation du métabolisme. Il sera le fil conducteur de cet ensemble de cours sur la régulation du métabolisme. Avec l'avènement des domaines en "omique", la régulation du métabolisme est intégrée dans un ensemble global qu'est la cellule avec des modèles généraux qui sont à la base de la métabolomique. Ces domaines intègrent la bioinformatique et bases de données. |
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Le premier niveau de régulation du métabolisme est la concentration de métabolites disponibles à un moment donnée et pour une réaction donnée. Cette concentration est régie par la variation d'énergie libre de Gibbs associée à chaque réaction du métabolisme. Pour une réaction quelconque : A + B <===> C + D la variation d'énergie libre de Gibbs de cette réaction s'écrit : [C]éq
. [D]éq
[C]φ
. [D]φ
[C]éq
. [D]éq De ces relations, il ressort un concept primordial : c'est la concentration physiologique des métabolites qui régit la variation d'énergie libre d'une réaction, donc sa spontanéité, donc le sens dans lequel elle se déroule au sein d'une voie métabolique. |
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ΔG'réaction = 0 réaction réversible |
Les réactions biochimiques pour lesquelles le rapport des concentrations physiologiques des métabolites est proche du rapport des concentrations à l'équilibre, sont dites se dérouler au voisinage de l'équilibre. Ces réactions sont donc facilement réversibles (elles se déroulent dans le sens du flux métabolique ou dans le sens inverse : exemple de la glycolyse et de la néoglucogénèse). Pour ces réactions, la moindre tendance à s'éloigner d'un état proche de l'équilibre est immédiatement rétablie par le très haut pouvoir de catalyse des enzymes qui les contrôlent. |
ΔG'réaction < 0 réaction irréversible |
Les réactions pour lesquelles ce n'est pas le cas sont des réactions métaboliquement irréversibles qui se caractérisent par des valeurs de ΔG' très négatives. Les réactions irréversibles régulent souvent le flux global des voies métaboliques. Elles sont catalysées par des enzymes qui sont en quantités limitées dans la cellule. La biosynthèse de ces enzymes est soumise à des mécanismes de régulation extrêmement fins (notamment au niveau de l'expression des gènes qui codent ces enzymes). Ces enzymes ont des propriétés catalytiques particulières et sont le plus souvent des enzymes à régulation dite allostérique (par opposition aux enzymes dites Michaéliennes). Les métabolites de ces
réactions régulent souvent l'activité d'enzymes
qui catalysent d'autres réactions en aval ou en amont. Ces métabolites
sont appelés effecteurs
de l'activité enzymatique.
Cette dernière caractéristique explique aussi pourquoi les réactions réversibles ne peuvent pas constituer des points de contrôle du métabolisme : l'activité des enzymes qui catalysent les réactions réversibles n'est, dans la grande majorité des cas, pas modulable par des effecteurs. |
ΔG'réaction > 0 réaction impossible isolément |
Réaction impossible isolément dans le sens du flux métabolique. Elle nécessite un apport d'énergie fournie par une réaction qui lui est couplée. Dans les réactions des voies métaboliques, le couplage dépend de la présence d'un intermédiaire commun aux divers composants de la réaction globale. Cet intermédiaire commun est une molécule dont la structure chimique lui confère une forte énergie libre de Gibbs qui peut être transférée à une autre molécule. La molécule universelle qui possède cette forte énergie libre est l'adénosine triphosphate ou ATP. |
Les enzymes catalysent les réactions biochimiques :
Il existe bien sûr une balance trés fine entre ces deux processus. Le contrôle de la quantité d'enzymes synthétisées s'exerce de diverses manières : α. Le niveau de transcription des gènes : exemple de la répression catabolique de l'opéron lactose chez les bactéries : quand la concentration en glucose diminue, le métabolisme du lactose devient nécessaire. Le signal de carence alimentaire est une augmentation de la concentration de l'AMP cyclique (AMPc). L'AMPc se fixe à la protéine "CAP" ("Catabolite gene Activator Protein"). Ce complexe se lie à l'ADN et augmente l'affinité de l'ARN polymérase pour le promoteur de l'opéron, ce qui se traduit par une augmentation d'un facteur 50 de la transcription de l'opéron lactose. β. L'existence de plusieurs gènes (famille multigènique) codant des enzymes dites clé dans la régulation du métabolisme. Par exemple, il existe au moins 7 gènes codant la phosphofructokinase chez Arabidopsis thaliana (voir : Mustropha et al. (2007) "Characterisation of the ATP-dependent phosphofructokinase gene family from Arabidopsis thaliana" Febs Letter 581; 2401 - 2410). En cas de mutation rendant non fonctionnel un gène, cette redondance de gènes permet à la cellule d'avoir d'autres gènes fonctionnels et 'ainsi le taux d'enzyme clé synthétisée est constant. Voir un exemple d'application bioinformatique à l'analyse de la famille multigènique de la globine. |
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γ. La modulation de l'activité et de la localisation des facteurs de transcription : la phosphorylation et la déphosphorylation modulent l'activité de certains facteurs de transcription, soit en les activant directement, soit en modifiant leur localisation sub-cellulaire. Exemple : les MAP kinases ("Mitogen-activated protein kinases") sont impliquées dans des voies de signalisation en réponse à des signaux extracellulaires (facteurs de croissance, cytokines, ultraviolets, agents de stress, ... - figure ci-contre). Elles régulent un grand nombre d'activités cellulaires, en particulier l'expression des gènes. En effet, ce sont des sérine/threonine protéines kinases qui phosphorylent certains facteurs de transcription, modifiant ainsi l'activité de ces molécules et parfois leur localisation sub-cellulaire (passage du cytoplasme vers le noyau). DSP : "dual-specificity phosphatase". Les phosphatases hydrolysent les groupements phosphoryle (réaction inverse des kinases). |
Source : Biocarta
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c. La régulation post-transcriptionnelle :
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Une étude des transcrits de 10 chromosomes humains a montré que prés de la moitié sont non polyadénylés [poly(A)-] :
Cheng et al. (2005) "Transcriptional maps of 10 human chromosomes at 5-nucleotide resolution" Science 308, 1149 - 1154 La polyadénylation alternative génère différents transcrits à partir d'un même gène (schéma ci-contre). |
Source : D. Gautheret - INSERM ERM206
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La polyadénylation chez les procaryotes : voir Sarkar (1997) "Polyadenylation of mRNA in prokaryotes" Annual Rev. Biochem. 66, 173-197 |
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d. La régulation traductionnelle qui régule la quantité d'ARN messagers traduits en enzymes. |
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La vitesse de catalyse de chacune des réactions du métabolisme et donc le flux global des voies métaboliques dépendent de l'activité des enzymes. Il existe diférents mode de régulation de l'activité des enzymes.
L'activité des enzymes dépend aussi de l'accessibilité et de la disponibilité de leurs substrats. Il faut donc dans le cas de substrats venant de l'extérieur de la cellule, que ceux-ci puissent y pénétrer. Ou bien qu'ils puissent pénétrer dans un compartiment sub-cellulaire comme la mitochondrie ou le chloroplaste par exemple, sièges des réactions qui synthètisent l'ATP. Un exemple important est celui du glucose : son entrée/sortie (transporteur GLUT4) dans la cellule est contrôlé en partie par l'insuline. Donc, selon le taux de cette hormone, des quantités variables de glucose entrent dans la cellule, modulant ainsi le niveau d'activité des enzymes impliqués dans le métabolisme énergétique (entre autre). Enfin, la fonction des protéines en général dépend aussi de leur repliement correct. |
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Les signaux extrinsèques jouent un rôle capital dans la régulation du métabolisme. Les signaux extracellulaires émanent :
Ces signaux sont captés par des récepteurs de différents types :
Il existe divers types de récepteurs membranaires :
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Ensuite, des messagers dits "secondaires" vont relayer le signal jusqu'à la cible intracellulaire via un ensemble d'évènements que l'on appelle la transduction du signal. Parmi les messagers secondaires, on peut citer : l'AMP cyclique, le calcium, la calmoduline, l'inositol triphosphate, le diacylglycérol, ... Dans la grande majorité des cas, cette cascade d'évènements de signalisation met en jeu des protéines kinases qui phosphorylent des enzymes. Cette modification post-traductionnelle induit une modification de la structure de ces enzymes qui se traduit par une diminution ou une augmentation de leur activité. En conséquence, le flux des voies métaboliques est modifié. |
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6. Les moyens d'étude de la régulation du métabolisme Les moyens sont les méthodes biochimiques, génétiques et biologie cellulaires classiques. D'autres approches plus récentes y contribuent aussi : |
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a. La génomique fonctionnelle et la génomique structurale qui ont pour but :
Enfin, le but est d'obtenir ces données pour le plus grand nombre d'organismes possibles. Aller à "GOLD : Genomes OnLine Database". |
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b. La transcriptomique qui analyse l'ensemble des transcrits (produits d'expression des gènes). Elle utilise des techniques telles que :
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c. La protéomique qui a pour but d'identifier (et de quantifier) l'ensemble des protéines synthétisées ou protéome, à un moment donné et dans des conditions données au sein d'un tissu, d'une cellule ou d'un compartiment cellulaire. La protéomique et la transcriptomique sont donc des approches complémentaires trés puissantes qui peuvent être utilisées pour des études fondamentales ou appliquées en biologie, en médecine, en agriculture. En effet, dans les deux cas, les infomations recueillies permettent d'aborder l'ensemble des réponses cellulaires dans leur globalité et non plus de manière partielle. La protéomique apporte des réponses auxquelles la transcriptomique ne peut répondre :
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d. La métabolomique De plus en plus de génomes d'organismes sont séquencés ou en cours de séquençage. Voir les bases de données suivantes :
Les modèles du métabolisme à l'échelle d'un génome établissent le pont entre les informations issues du séquençage de ce génome (et des analyses subséquentes de ce génome), les données biochimiques et les phénotypes lié à ce métabolisme. Cette démarche de métabolomique est récentecar elle est la conséquence logique de tous les domaines antérieurs en "omic". Enfin, de nombreux outils bioinformatiques et des bases de données ont été développées spécifiquement pour l'étude de la régulation du métabolisme. |
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| 7. Liens Internet et références bibliographiques |
| "The UCSD-Nature Signaling Gateway" - A comprehensive resource for information about cell signaling. | |
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KEGG PATHWAY Database |
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| "MetaCyc" : database of nonredundant, experimentally elucidated metabolic pathways (more than 1,200 pathways from more than 1,600 different organisms). |
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