Régulation du métabolisme énergétique : la protéine kinase activée par l'AMP (AMPK)

1. Introduction

2. Structure de l'AMPK

3. Double rôle de l'AMP dans l'activation de l'AMPK

4. Activation de l'AMPK

5. Rôle de l'AMPK dans l'activation de la glycolyse

6. Rôle de l'AMPK dans le transport du glucose

7. Liens Internet et références bibliographiques

 

1. Introduction

Chez les mammifères, les cellules doivent maintenir une balance énergétique stable, caractérisée par un rapport des concentrations [ATP/ADP] égal à 10/1.

Tous les organismes ont donc développé des mécanismes pour adapter leur métabolisme aux contraintes externes variables et en particulier les modifications énergétiques qui résultent :

  • d'un déficit en apport énergétique (déficit en glucose, en acides aminés, en oxygène ...)
  • et/ou de l'augmentation des besoins énergétiques (croissance, exercice sportif ...)

Afin de garder constante l'homéostasie énergétique, l'hypothalamus contrôle la prise alimentaire et la dépense énergétique selon les informations reçues des tissus périphériques (par exemple, via la leptine, protéine hormonale de 160 acides aminés).

[homéostasie : capacité d'un organisme à maintenir son équilibre physiologique interne malgré les contraintes extérieures].

Parmi les divers moyens dont dispose l'organisme pour palier à ces modifications énergétiques, la protéine kinase activée par l'AMP ("5'-AMP-activated protein kinase" ou AMPK) joue un rôle tout à fait majeur.

Remarque : ne pas confondre l'AMPK avec la protéine kinase dépendante de l'AMP cyclique ("Cyclic-AMP dependent protein kinase").

En effet, bien qu'elle agisse au niveau cellulaire, l'AMPK joue aussi un rôle dans la régulation de la prise alimentaire et de la dépense énergétique de l'organisme entier.

Elle est considérée comme un senseur métabolique car, dans sa forme activée, l'AMPK :

Voir le schéma ci-dessous.

Effets physiologiques de l'AMPK

Source : Carling D. (2004)

L'AMPK est une enzyme ubiquitaire :

  • on la trouve dans tous les organismes
  • elle est exprimée dans de trés nombreux tissus : le foie, le cerveau, les muscles, ...

Ci-dessous, principales cibles et cascades de signalisation induites par l'activation de l'AMPK.

  • PFK2 : phosphofructokinase 2
  • FAS : fatty acid synthase
  • HSL : hormone-sensitive lipase
  • GPAT : glycerol-3-phosphate acyltransferase
  • MCD : malonyl-CoA decarboxylase
  • GS : glycogen synthase and creatine kinase
  • eEF2 : translation elongation factor 2
  • mTOR : mammalian target

Voies métaboliques sous le controle de l'AMPK

En conséquence, l'AMPK est une enzyme clé de la régulation du métabolisme énergétique en réponse :

  • à des signaux hormonaux (exemple : la ghréline, une hormone qui stimule l'appétit)
  • des signaux métaboliques
  • les effets d'adipokines (leptine, adiponectine)

Figure ci-contre : séquences en acides aminés de la ghréline de l'homme et du rat (les 2 acides aminés en rouge).

La ghréline est un peptide de 28 acides aminés, dont la Ser 3 est modifiée par un acide gras (acide n-octanoique).

Cette modification est essentielle pour l' activité de la ghréline.

Ghreline

Source : Kojima & Kangawa (2004)

L'AMPK joue également un rôle dans la prise alimentaire :

  • régulation de la synthèse d'insuline
  • modulation de certaines fonctions de l'hypothalamus
  • régulation de la sensation de satiété

Elle a donc des impacts sur l'obésité et diverses formes de diabètes.

Enfin, l'activation de l'AMPK exerce des effets à long terme sur l'expression des gènes et la synthèse des protéines.

En regard de l'importance de ses fonctions biologiques, c'est une cible pharmacologique à visée métabolique (insulinorésistance, obésité, diabète) et cardiologique (ischémie cardiaque).

Voir les cascades de signalisation impliquant l'AMPK.

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2. Structure de l'AMPK

L'AMPK est constituée de 3 sous-unités (hétérotrimère) :

  • une sous-unité catalytique α (co-facteur : magnésium)
  • deux sous-unités régulatrices β et γ.
  • il existe 2 isoformes des sous-unités α et β et 3 (voire 4) isoformes de la sous-unité γ

La réaction catalysée par la sous-unité α (EC 2.7.11.1) peut s'écrire : ATP + une protéine ---> ADP + une phosphoprotéine.

Exemples :

  • phosphorylation de l'acétyl-CoA carboxylase (ACC - voie de biosynthèse des acides gras)
  • phosphorylation et inactivation de la lipase et de l'hydroxyméthylglutaryl-CoA réductase (HMGCR - biosynthèse du cholésterol)

sous-unité acides aminés - (Homo sapiens) PDB N° d'accession UniProt
α1 550 --------- Q13131
α2 552 2YZA P54646
β1 270 1Z0N Q9Y478
β2 272 2F15 O43741
γ1 331 2UV4 P54619
γ2 569 2V8Q Q9UGJ0
γ3 489 --------- Q9UGI9

Sous unite alpha de l'AMPK

Sous unite beta de l'AMPK

Sous unite gamma de l'AMPK

domaine kinase de la sous-unité α2 - mutant T172D

domaine de la sous-unité β1 supposé impliqué dans la fixation du glycogène

paire de domaines CBS de la sous-unité γ1 complexé à l'AMP


La sous-unité α

  • le domaine central de la sous-unité α semble contenir un domaine inhibiteur (residus 312 à 392 pour l'isoforme α1)
  • le domaine C-terminal de la sous-unité α se fixe aux sous-unités β et γ
  • 3 sites de phosphorylation ont été identifiés : T172, T258 et S485 (pour l'isoforme α1) ou S491 (pour l'isoforme α2)
  • une AMPK kinase dénommée LKB1 ("liver tumor suppressor kinase") phosphoryle la Thr 172 mais la ou les kinase(s) qui phosphorylent les autres résidus ne sont pas connues

La sous-unité β

  • la Gly 2 de l'extrémité N-terminale de la sous-unité β est myristoylée (Myr)
  • la sous-unité β contient de nombreuses serines phosphorylées
  • les résidus 72 à 151 de l'isoforme β1 semble correspondre à un site potentiel de fixation du glycogène
  • le domaine C-terminal de la sous-unité β se fixe aux sous-unités α et γ

Sous unite alpha et beta AMPK

Source : Carling D. (2004)

La sous-unité γ γ

  • la sous-unité γ contient 4 motifs appelés "Cystathione β Synthase" (CBS - environ 60 acides aminés) qui confèrent à l'AMPK son aptitude à détecter de fins changements du rapport des concentrations [AMP/ATP].
  • les flèches indiquent les mutations non - sens identifiées : 5 mutations pour l'isoforme γ2 qui induisent des anomalies cardiaques et 1 mutation pour l'isoforme γ3 qui induit l'accumulation du glycogène dans le muscle
  • la mutation qui résulte en une insertion d'une leucine dans l'isoforme γ2 est indiquée par un V
  • 2 sous-isoformes de l'isoforme γ2 sont prédites (γ2L et γ2S)

Sous-unite gamma AMPK

Source : Carling D. (2004)

Figure ci-contre : représentation globale des différents domaines (et de leurs fonctions) des 3 sous-unité de l'AMPK.

  • AID ("Auto-Inhibitory Domain") : domaine auto-inhibiteur
  • CBM ("Carbohydrate-Binding Module") : domaine de fixation des sucres
  • N-lobe : lobe N-terminal du domaine kinase

 

Source : Hardie et al. (2012)

structure sous unite AMPK homeostasie energie AMP

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3. Double rôle de l'AMP dans l'activation de l'AMPK

a. Fixation coopérative de l'AMP

Quand le muscle se contracte, l'ATP est hydrolysé en ADP : ATP + H2O ---> ADP + Pi.

L'ADP peut reformer de l'ATP en donnant un phosphate inorganique à une autre molécule d'ADP, ce qui aboutit à la formation d'ATP et d'AMP : 2 ADP ---> ATP + AMP

Plus l'AMP est formé au cours de la contraction musculaire, plus le rapport des concentrations [AMP/ATP] augmente.

  • Les 4 motifs CBS de la sous-unité régulatrice γ forment 2 domaines appelés "Bateman" (chaque domaine Bateman contient donc 2 motifs CBS).
  • Chacun des domaines Bateman constitue un site de fixation de l'AMP : il y a donc 2 sites de fixation de l'AMP.
  • L'AMP se fixe sur ces domaines de manière coopérative.

L'élévation du rapport des concentrations [AMP/ATP] augmente l'activité de l'AMPK : plus précisément, l'AMP active l'AMPK d'un facteur 5.


activateur inhibiteur
AMP ATP

récepteurs couplés à la phospholipase Cγ

phosphocréatine
hormones sécrétées par les tissus adipeux (les adipokines) telles que la leptine et l'adiponectine  

b. Induction de la phosphorylation de la sous-unité catalytique

La fixation de l'AMP induit des changements de conformation de la sous-unité catalytique α (effet allostérique).

Dés lors, la Thr172 du site catalytique de la sous-unité α est phosphorylée par l'AMPK kinase LKB1 . Cette phosphorylation est indispensable à l'activité de l'AMPK.

L'AMP augmente la phosphorylation de l'AMPK d'un facteur 100 et inhibe sa déphosphorylation.

4. Activation de l'AMPK

Il a fallu beaucoup de temps avant d'identifier la kinase responsable de la phosphorylation de la Thr 172 de l'AMPK.

Cette kinase est souvent appelée AMPK kinase ou AMPKK dans la littérature.

C'est un complexe de plusieurs protéines :

  • "pseudokinase STE-related adaptor protein" (STRAD)
  • "mouse protein 25" (MO25)
  • CaMKKβ : [Ca2+/calmodulin-activated protein kinase]-kinase-β

Chez l'homme, LKB1 est composée de 433 acides aminés et le domaine protéine - kinase (domaine catalytique) se situe entre les acides aminés 44 et 309.

La fixation de l'AMP à l'AMPK, outre son rôle d'activation, protège également l'AMPK d'une déphosphorylation par les protéines phosphatases.

Activation de l'AMPK

Source : Foretz, M. (2006)

Des travaux récents ont montré que, en réponse à une augmentation du taux de calcium intracellulaire, une seconde kinase phosphoryle et active l'AMPK : la [(Ca(2+)/calmoduline-dépendante protéine kinase) kinase β] (CaMKKβ).

Elle est cependant exprimée dans moins de tissus que ne l'est LKB1 qui est ubiquitaire.

Le relarguage de Ca2+ intracellulaire engendre une demande en ATP (régulation du métabolisme du glycogène).

Ainsi, l'activation de l'AMPK en réponse aux flux calciques confère à la cellule un moyen pour anticiper une augmentation des besoins en ATP.

Figure a ci-contre : modèle résumant les différents états des 3 sous-unités de l'AMPK.

L'AMPK est activée par des augmentations d'AMP et d'ADP.

À l'état basal (en haut à gauche), les sites 1 et 3 de la sous-unité γ sont occupés par l'ATP (le site 4 est toujours occupé par l'AMP).

Le remplacement de l'ATP par l'ADP (ou l'AMP) sur le site 3 au cours d'un stress modéré (figure du centre en haut) favorise la phosphorylation de Thr172 (figure du centre en bas), ce qui augmente l'activité d'un facteur 100 (indiquée par 2 étoiles).

Le remplacement de l'ATP par l'AMP sur le site 1 au cours d'un stress plus prononcé provoque une sur-activation (d'origine allostérique) d'un facteur 10 (indiquée par une 3éme étoile, en bas à droite).

Quand le niveau énergétique de la cellule revient à la normale, l'AMP du site 1 et l'ADP ou l'AMP du site 3 sont progressivement remplacés par l'ATP (sens de droite à gauche - équilibres du bas). Cela favorise la déphosphorylation de Thr172 et un retour à l'état basal.

Activation de l'AMPK

Source : Hardie et al. (2012)

Le graphique de la figure b ci-dessus montre les changements de concentrations de l'ATP, de l'ADP et de l'AMP qui accompagnent le passage d'une cellule complètement chargée au repos (à gauche) dans un état où cette cellule subit un sévère stress énergétique (à droite), qui correspond à une augmentation d'un facteur dix du rapport [ADP/ATP].

Ce graphique a été généré en supposant que la réaction catalysée par l'adénylate kinase (voir ci-dessous) est à l'équilibre et que la concentration totale des nucléotides adényliques demeure constante.

Dans la cellule complètement chargée, la concentration d'AMP est très faible. Mais la variation de concentration d'AMP (quand le rapport [ADP/ATP] augmente) est toujours beaucoup plus élevée que celles de l'ATP ou de l'ADP.

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5. Rôle de l'AMPK dans l'activation de la glycolyse

L'inhibition de la respiration par le phénomène d'hypoxie / anoxie (diminution du taux d'oxygène dans le sang) ou par l'oligomycine (inhibiteur de la phosphorylation par l'ATP synthase) abolit la synthèse d'ATP à partir de l'ADP et du Pi (figure ci-dessous).

Plus la contraction du muscle a lieu, plus le rapport des concentrations [ADP:ATP] augmente puisque l'ATP est hydrolysé : ATP + H2O ---> ADP + Pi

Or une augmentation du rapport des concentrations [ADP/ATP] entraîne une augmentation beaucoup plus grande du rapport des concentrations [AMP/ATP] du fait de la réaction catalysée par l'adénylate kinase (EC 2.7.4.3) : 2 ADP ---> ATP + AMP.

  • le nom des enzymes est en bleu
  • les flèches noires indiquent les interconversions métaboliques
  • les flèches vertes indiquent les processus d'activation des réactions et la flèche rouge les processus d'inhibition

Role de l'AMPK dans l'activation de la glycolyse

Source : Hardie D. G. (2000)

C'est l'une des explications de l'effet Pasteur (1861) observé en absence d'oxygène :

  • la synththèse d'ATP chute
  • le rapport des concentrations [AMP/ATP] augmente
  • l'AMP active l'AMPK
  • l'AMPK active la phosphofructokinase-2 (6PF2K) en la phosphorylant sur la Ser 466
  • la phosphofructokinase-2 synthètise le fructose-2,6-bisphosphate (F26BP)
  • le F26BP active la phosphofructokinase 1
  • la glycolyse anaérobie (fermentation) est activée

6. Rôle de l'AMPK dans le transport du glucose

La mobilisation du glucose par les muscles squelettiques représente environ 70% du glucose prélevé au sérum. Ce processus est donc extrêmement important dans l'homéostasie du glucose.

La contraction et l'insuline sont les stimuli majeurs qui activent le transport du glucose dans les muscles squelettiques.

  • l'insuline : quand le niveau de glucose circulant est élevé, l'insuline est libérée par les ilots de Langerhans et elle facilite la mobilisation du glucose via une augmentation de la synthèse et de la translocation (des compartiments endosomiques vers la membrane plasmique) du transporteur insulino-dépendant du glucose GLUT4 ("glucose transporter 4").
  • l'AMPK : dans les muscles squelettiques ou le coeur, l'activité de l'AMPK augmente en cas de stress (exercices, hypoxie, ischémie, agents découplants de la chaîne respiratoire, ...) et celà induit une augmentation de la vitesse de transport du glucose.
Bien que les effets soient semblables, les mécanismes du transport du glucose médiés par l'AMPK indiquent que les signaux sont distincts de ceux de l'insuline.
  • le transport du glucose induit par l'hypoxie est probablement régulé par l'AMPK seule.
  • le transport du glucose induit par l'exercice et le stress osmotique semblent régulé à la fois par des mécanismes dépendants de l'AMPK et par des mécanismes indépendants de l'AMPK.

Role de l'AMPK dans le transport du glucose

Source : Fujii et al. (2006)

La metformine (composé contre le diabète de la famille des biguanides) et les thiazolidinediones (utilisés dans le traitement de la forme 2 du diabète) activent l'AMPK.

Cependant, les mécanismes exacts du transport du glucose médiés par l'AMPK sont encore assez mal connus.

Voir un diagramme général [format PDF] qui récapitule les voies dans lesquelles l'AMPK est impliquée.

 

7. Liens Internet et références bibliographiques
"AMP-activated protein kinase" - Wikipedia

Aller au site

Pasteur L. (1861) "Expériences et vues nouvelles sur la nature des fermentations" Comp. Rend. Acad. Sci. 5 , 1260 - 1264

Hardie et al. (1989) "The AMP-activated protein kinase-a multisubstrate regulator of lipid metabolism" Trends Biochem. Sci. 14, 20 - 23

Foretz M. (2006) "Régulation du métabolisme énergétique par l'AMPK : une nouvelle voie thérapeutique pour le traitement des maladies métaboliques et cardiaques" Médecine/Science 22, 381 - 388

Bateman A. (1997) "The structure of a domain common to archaebacteria and the homocystinuria disease protein" Trends Biochem. Sci. 22, 12 - 13

Hardie D. G. (2000) "Metabolic control: A new solution to an old problem" Curr. Biology 10, R757 - R759

Carling D. (2004) "The AMP-activated protein kinase cascade - a unifying system for energy control" Trends Biochem. Sci. 29, 18 - 24

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Kojima & Kangawa (2004) "Ghrelin: Structure and Function" Physiol. Rev. 85, 495 - 522

Fujii et al. (2006) "AMP-activated protein kinase and the regulation of glucose transport" Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 291, E867 - E877

Hardie et al. (2012) "AMPK: a nutrient and energy sensor that maintains energy homeostasis" Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 13, 251 - 262

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