Rôle de GLUT4, de l'insuline et du glucagon dans la régulation de la glycolyse
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La contraction et l'insuline sont les stimuli majeurs qui activent le transport du glucose dans les muscles squelettiques. 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.

L'aptitude à transporter le glucose au travers de la membrane plasmique est une caractéristique commune à quasiment tous les types de cellules, de la simple bactérie à la cellule neuronale hautement spécialisée.

Il existe 2 types de transport du glucose :

a. Transport actif secondaire : il s'effectue via les symports [Na+ / glucose] ("Sodium/Glucose Co-Transporter" - SGLT1 et SGLT2) - voir le tableau ci-dessous.

Ils utilisent le gradient transmembranaire de Na+généré par la pompe à sodium ou [Na+/K+]-ATPase constitué de 12 hélices α transmembranaires.

b. Transport facilité : il est assuré par des membres de la famille des transporteurs GLUT ("GLUcose Transporter") qui forment un pore au travers de la membrane (uniport) par lequel les sucres peuvent entrer par diffusion passive, c'est-à-dire sans apport d'énergie (ce type de transport s'effectue dans le sens du gradient de concentration ou gradient électrochimique).

Le transport d'un soluté par diffusion facilitée augmente considérablement la vitesse de transport de ce soluté.

KMglucose GLUT1 ≈ 1,5 mM (figure ci-contre).

Voir une animation du transport par GLUT1.

transport membrane glucose GLUT passif facilite


Les transporteurs d'oses - GLUT : 12 hélices α transmembranaires.
GLUT1 (gène SLC2A1) : exprimé dans divers tissus mais à un faible niveau dans le foie et les muscles squelettiques. C'est le principal transporteur du glucose dans les érythrocytes.

GLUT2 (gène SCL2A2) : exprimé essentiellement dans le foie, les cellules pancréatiques β, les reins et les intestins. Il transporte aussi le fructose et le galactose.

GLUT2 assure le transport bi-directionnel du glucose au travers de la membrane. En d'autres termes, c'est le transporteur qui permet au glucose de sortir de la cellule après qu'il ait été déphosphorylé par la glucose-6 phosphatase (enzyme de la néoglucogénèse).

GLUT3 (gène SCL2A3) : exprimé essentiellement dans les neurones. De tous les transporteurs du glucose, c'est celui qui a le KM le plus faible.

GLUT4 (gène SCL2A4) : exprimé essentiellement dans les tissus insulino-dépendants comme les tissus adipeux et les muscles squelettiques. Voir un développement ci-dessous.

GLUT5 (gène SCL2A5) : exprimé essentiellement dans les entérocytes et les intestins. Il transporte spécifiquement le fructose.

GLUT6 (gène SCL2A6) : exprimé essentiellement dans le cerveau et les leukocytes. Il transporte le glucose. Attention : il a aussi comme appellation GLUT9 mais il est différent du suivant.

GLUT9 (gène SCL2A9) : exprimé essentiellement dans les reins, le foie et le placenta. Il transporte le glucose à une vitesse faible. Il transporte aussi l'urée et le fructose.

Les symports [Na+/ glucose]
SGLT1 (gène SCL5A1) : symport [Na+ / glucose] ("Sodium/Glucose Co-Transporter 1"). Le rapport du transport est 1 molécule de glucose pour 2 ions Na+. Il contient 11 hélices α transmembranaires.

SGLT2 (gène SCL5A2) : symport [Na+ / glucose] ("Sodium/Glucose Co-Transporter 2"). Le rapport du transport est 1 molécule de glucose pour 1 ion Na+. Il contient 14 hélices α transmembranaires.


Dans une cellule non stimulée ou quand la concentration en insuline est faible, le transporteur insulino-dépendant du glucose GLUT4 est localisé dans des vésicules de stockage des cellules hépatiques et musculaires.

Ces vésicules doivent fusionner avec la membrane plasmique avant que le glucose ne pénètre dans la cellule.

Entree du glucose via le transporteur GLUT4

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 de GLUT4 des compartiments endosomiques vers la membrane plasmique.

L'absorption du glucose augmente.

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Source : Cell Signaling

Vision globale transporteur GLUT4

  • L'nsuline se fixe sur son récepteur ce qui active le domaine tyrosine kinase du récepteur.
  • Le récepteur recrute IRS-1 ("Insulin Receptor Substrate") en le phosphorylant. IRS-1 se fixe à son tour sur la kinase PI3 ("phosphatidylinositide 3-kinase" - PI3K) via la fixation du domaine SH2 de la kinase à la Tyr phosphorylée de IRS-1.
  • PI3K transforme le lipide membranaire PIP2 en PIP3.
  • PIP3 est spécifiquement reconnu par les protéines kinases Akt2 et PDK1 ("3-phosphoinositide dependent protein kinase-1"). PDK1 phosphoryle et active Akt2.
  • Akt2 phosphoryle à son tour TBC1D1 ("TBC1 domain family member 1" - Thr 596) et AS160 ("Akt substrate of 160 kDa" - Thr 642). Cela a pour conséquence d'inhiber le domaine activateur de l'activité GTPase ("GTPase-activating domain" - GAP) de TBC1D1 et de AS160, domaine dont le rôle est d'augmenter l'hydrolyse du GTP par les protéines Rab.
  • L'étude du phosphoprotéome (ensemble des protéines phosphorylées) a montré qu'il est probable que l'interaction de protéines 14-3-3 avec AS160 et TBC1D1 contribue à cet effet inhibiteur de leur potentiel [activateur de l'activité GTPase de Rab] et contribue ainsi à la régulation des besoins en glucose.
  • L'inhibition des domaines GAP de [TBC1D1 / AS160] contribue donc à une activité GTPase diminuée de Rab, qui est donc plus chargé en GTP qu'en GDP. Or Rab est plus actif sous la forme Rab-GTP que sous la forme Rab-GDP.
  • La forme active Rab-GTP participe à la translocation des vésicules de stockage de GLUT4 et à la fusion de ces vésicules avec la membrane plasmique .
  • Ainsi l'expression de GLUT4 sur la membrane plasmique est augmentée.

Resume de la voie de translocation de GLUT4

Source : Sakamoto & Holman (2008)

A la surface de la cellule, GLUT4 facilite la diffusion du glucose dans le sens de son gradient de concentration dans les cellules du foie et du muscle.

Une fois dans les cellules, le glucose est rapidement phosphorylé par la glucokinase dans le foie et par l'hexokinase dans les autres tissus pour former le glucose-6-phosphate qui alimente la glycolyse ou qui est polymerisé en glycogène.

Le glucose-6-phosphate ne peut pas rétro-diffuser à l'extérieur des cellules, ce qui maintient aussi le gradient de concentration du glucose libre pour qu'il puisse diffuser passivement dans les cellules.

Voir une belle animation.

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Structure de GLUT4

GLUT4 (Uniprot : P14672) est l'une des nombreuses isoformes qui constituent une famille de 14 transporteurs d'hexoses chez l'homme (GLUT1 à GLUT12, GLUT14, et HMIT) subdivisés en 3 classes.

La chaîne polypeptidique de GLUT4 contient 509 acides aminés qui forment 12 hélices transmembranaires.

Le domaine N-terminal contient les hélices I à VI et le domaine C-terminal contient les hélices VII à XII. Ces 2 régions forment un pseudo-axe de symmétrie autour d'un tunnel central polaire qui laisse entrer/sortir le glucose. Ce tunnel de nature amphipathique semble formé par les hélices 1, 2, 4, 5, 7, 8, 10 et 11.

Les séquences des domaines cytoplasmiques N-terminal et C-terminal sont particulières et expliquent en grande partie l'aptitude au traffic transmembranaire de ce transporteur.

  • la séquence N-terminale contient un résidu phénylalanine critique
  • deux leucines concomitantes et des motifs acides dans le domaine C-terminal

Structure transporteur GLUT4

Source : Huang & Czech (2007)

Ces motifs dirigent probablement les aspects cinétiques de l'endocytose et de l'exocytose dans un systéme continu de traffic de recyclage.

Les deux leucines et les motifs acides du domaine C-terminal sont trouvés également dans une aminopeptidase ("insulin-regulated aminopeptidase" - IRAP) qui, de manière semblable dans les adipocytes, est séquestrée dans des membranes intracellulaires enrichies en GLUT4 et sujette à l'action de l'insuline.

Convergence des voies de signalisation initiées par l'insuline et par l'exercice conduisant à la translocation de GLUT4

La signalisation de l'insuline via la voie PI3-kinase (PI3K) et la contraction du muscle via un rapport élevé AMP/ATP et une concentration intracellulaire élevée de Ca2+ conduit à l'activation de protèines kinases qui agissent en aval : la CaM kinase II, Akt, des protéines kinases C isoformes λ et ζ, la protéine kinase activée par l'AMP.

Ces protèines kinases phosphorylent des effecteurs qui modulent les étapes de la voie du traffic de GLUT4.

AS160 est l'un de ces effecteurs qui régule négativement l'une des étapes précoces de l'exocytose de GLUT4.

La régulation négative de ces voies par les acides gras, les cytokines et la réponse au stress du réticulum endoplasmique sont observées dans l'obésité et les diabètes, ce qui contribue à la résistance à l'insuline.

Differents stimuli amenant a l'activation de GLUT4

Source : Huang & Czech (2007)

Les lignes pointillées impliquent des voies hypothètiques non encore mises en évidence expérimentalement.

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Effets de l'insuline

Puisque le glucose pénètre dans le muscle et le tissu adipeux par l'intermédiaire du transporteur GLUT4 qui est contrôlé par l'insuline, une carence en insuline (diabète insulino dépendant) a pour conséquence une élévation de la concentration du glucose sanguin.

  • effet de l'insuline sur la glycolyse : la transcription du gène codant la glucokinase est activé par l'insuline.
  • effet de l'insuline sur la glycogénogenèse : l'insuline active la glycogène synthétase et inhibe la glycogène phosphorylase.
  • effet de l'insuline sur la néoglucogénèse : l'insuline stimule la synthèse protéique diminuant ainsi la quantité d'acides aminés disponibles pour la néoglucogénèse. L'effet net est une augmentation du stock de glycogène (foie) et une diminution de la production de glucose (muscle, tissu adipeux, foie).

Régulation de la phosphofructokinase-2/fructose 2,6-bisphosphatase-2 (PFK-2/FBPase-2) par le glucagon

Dans le foie, la PFK-2 est sous le contrôle du glucagon, une hormone produite par le pancréas quand le taux de glucose sanguin baisse.

Quand la concentration du glucagon augmente, la protéine kinase AMP cyclique dépendante (PKA) phosphoryle une sérine ou une thréonine de la [PFK-2 / FBPase-2].

Exemples : foie de rat : Ser 32 - coeur de boeuf : Ser 84 - levure : Thr 157.

La déphosphorylation est catalysée par la protéine phosphatase 2A xylulose-5-phosphate-dépendante qui est activée par le glucose.

[PFK-2 / FBPase-2]-OH

PKA
----------------->
<-----------------
protéine phosphatase 2A

[PFK-2 / FBPase-2]-PO32-

activité PFK-2
 
activité FBPase-2

La phosphorylation :

  • réduit l'activité kinase de la [PFK-2 / FBPase-2] : la synthèse du F2,6BP est diminuée
  • augmente l'activité phosphatase de la [PFK-2 / FBPase-2] : le fructose 2,6-bisphosphate reforme du fructose 6-phosphate

Il en résulte une baisse de concentration du fructose 2,6-bisphosphate et la phosphofructokinase-1 de la glycolyse est moins activée.

En conséquence, la glycolyse est ralentie quand la concentration du glucagon augmente après une baisse du taux de glucose sanguin.

La diminution d'insuline augmente les effets du glucagon

  • inhibition de la glycogénèse (synthèse du glycogène à partir du glucose 6-phosphate)
  • stimulation de la néoglucogénèse (synthèse du glucose à partir du pyruvate)
  • inhibition de la glycolyse par phosphorylation et inactivation de la pyruvate kinase

Les changements du métabolisme induits par le glucagon favorisent la néoglucogénèse en défaveur de la glycolyse et entraînent une hyperglycémie.

 

Liens Internet et références bibliographiques
Huang & Czech (2007) "The GLUT4 Glucose Transporter" Cell Metab. 5, 237 - 252 Article
Mohan et al. (2010) "Molecular Dynamics Simulation Studies of GLUT4: Substrate-Free and Substrate-Induced Dynamics and ATP-Mediated Glucose Transport Inhibition" PLoS ONE 5, e14217

Article

Sakamoto & Holman (2008) "Emerging role for AS160/TBC1D4 and TBC1D1 in the regulation of GLUT4 traffic" Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 295, E29 - 37

Stöckli et al. (2008) "Regulation of Glucose Transporter 4 Translocation by the Rab Guanosine Triphosphatase-Activating Protein AS160/TBC1D4: Role of Phosphorylation and Membrane Association" Mol. Endocrinol. 22, 2703 - 2715

Sheena et al. (2011) "Elucidation of the Glucose Transport Pathway in Glucose Transporter 4 via Steered Molecular Dynamics Simulations" PLoS ONE 6, e25747

Article

Article

Article

"Cell Signaling"

KEGG - "Insulin signaling pathway"

Une belle animation de la cascade de signalisation qui mène à la fusion vésicule - membrane.

Animation

 

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