Le glycogène est une forme de stockage du glucose facilement mobilisable. C’est un très grand polymère ramifié de résidus de glucose (figure 21.1) qui peut être décomposé pour donner des molécules de glucose lorsque l’énergie est nécessaire. La plupart des résidus de glucose du glycogène sont liés par des liaisons α-1,4-glycosidiques. Des ramifications à environ un résidu sur dix sont créées par des liaisons α-1,6-glycosidiques. Rappelons que les liaisons α-glycosidiques forment des polymères hélicoïdaux ouverts, tandis que les liaisons β produisent des brins presque droits qui forment des fibrilles structurelles, comme dans la cellulose (section 11.2.3).
Figure 21.1
Structure du glycogène. Dans cette structure de deux branches extérieures d’une molécule de glycogène, les résidus aux extrémités non réductrices sont représentés en rouge et le résidu qui démarre une branche est représenté en vert. Le reste de la molécule de glycogène est représenté par R.
Le glycogène n’est pas aussi réduit que les acides gras et par conséquent pas aussi riche en énergie. Pourquoi les animaux stockent-ils une quelconque énergie sous forme de glycogène ? Pourquoi ne pas convertir tout le carburant excédentaire en acides gras ? Le glycogène est une réserve de carburant importante pour plusieurs raisons. La dégradation contrôlée du glycogène et la libération de glucose augmentent la quantité de glucose disponible entre les repas. Le glycogène sert donc de tampon pour maintenir le taux de glucose dans le sang. Le rôle du glycogène dans le maintien du taux de glucose sanguin est particulièrement important car le glucose est pratiquement le seul carburant utilisé par le cerveau, sauf en cas de famine prolongée. De plus, le glucose du glycogène est facilement mobilisable et constitue donc une bonne source d’énergie pour une activité soudaine et intense. Contrairement aux acides gras, le glucose libéré peut fournir de l’énergie en l’absence d’oxygène et peut donc fournir de l’énergie pour une activité anaérobie.
Les deux principaux sites de stockage du glycogène sont le foie et les muscles squelettiques. La concentration de glycogène est plus élevée dans le foie que dans le muscle (10 % contre 2 % en poids), mais on stocke globalement plus de glycogène dans le muscle squelettique en raison de sa masse beaucoup plus importante. Le glycogène est présent dans le cytosol sous forme de granules dont le diamètre varie de 10 à 40 nm (figure 21.2). Dans le foie, la synthèse et la dégradation du glycogène sont régulées afin de maintenir le taux de glucose sanguin nécessaire pour répondre aux besoins de l’organisme dans son ensemble. En revanche, dans le muscle, ces processus sont régulés pour répondre aux besoins énergétiques du muscle lui-même.
Figure 21.2
Micrographie électronique d’une cellule hépatique. Les particules denses dans le cytoplasme sont des granules de glycogène.
21.0.1. Un aperçu du métabolisme du glycogène :
La dégradation et la synthèse du glycogène sont des processus biochimiques relativement simples. La dégradation du glycogène comprend trois étapes : (1) la libération du glucose 1-phosphate du glycogène, (2) le remodelage du substrat du glycogène pour permettre une dégradation supplémentaire, et (3) la conversion du glucose 1-phosphate en glucose 6-phosphate pour un métabolisme ultérieur. Le glucose 6-phosphate dérivé de la dégradation du glycogène a trois destins (Figure 21.3) : (1) Il constitue le substrat initial de la glycolyse, (2) il peut être traité par la voie du pentose phosphate pour donner du NADPH et des dérivés du ribose ; et (3) il peut être converti en glucose libre pour être libéré dans la circulation sanguine. Cette conversion a lieu principalement dans le foie et, dans une moindre mesure, dans les intestins et les reins.
Figure 21.3
Sort du Glucose 6-Phosphate. Le glucose 6-phosphate dérivé du glycogène peut (1) être utilisé comme carburant pour le métabolisme anaérobie ou aérobie comme dans, par exemple, le muscle ; (2) être converti en glucose libre dans le foie et ensuite libéré dans le sang ; (plus…)
La synthèse du glycogène nécessite une forme activée du glucose, le glucose uridine diphosphate (UDP-glucose), qui est formé par la réaction de l’UTP et du glucose 1-phosphate. L’UDP-glucose est ajouté à l’extrémité non réductrice des molécules de glycogène. Comme c’est le cas pour la dégradation du glycogène, la molécule de glycogène doit être remodelée pour poursuivre la synthèse.
La régulation de ces processus est assez complexe. Plusieurs enzymes participant au métabolisme du glycogène répondent de manière allostérique aux métabolites qui signalent les besoins énergétiques de la cellule. Ces réponses allostériques permettent d’ajuster l’activité enzymatique pour répondre aux besoins de la cellule dans laquelle les enzymes sont exprimées. Le métabolisme du glycogène est également régulé par des cascades stimulées par les hormones qui conduisent à la phosphorylation réversible des enzymes, ce qui modifie leurs propriétés cinétiques. La régulation par les hormones permet au métabolisme du glycogène de s’adapter aux besoins de l’ensemble de l’organisme. Par ces deux mécanismes, la dégradation du glycogène est intégrée à la synthèse du glycogène. Nous allons d’abord examiner le métabolisme, puis la régulation enzymatique et enfin l’intégration élaborée des mécanismes de contrôle.
Figure
Des cascades de signaux conduisent à la mobilisation du glycogène pour produire du glucose, une source d’énergie pour les coureurs.