Module 5 : La régulation du métabolisme : Principes fondamentaux

Question 1

Classez du plus rapide au plus lent ces 3 modes de régulation des sentiers métaboliques.

• Contrôle génétique
• Régulation allostérique
• Phosphorylation/déphosphorylation

Answer 1

1. Régulation allostérique
2. Phosphorylation/déphosphorylation
3. Contrôle génétique

Question 2

Associer chaque description à l’hormone correspondante.

1. Hormone sécrétée par le pancréas lorsque la concentration de glucose sanguin est faible.
2. Hormone sécrétée par les glandes surrénales lors d’un activité musculaire ou d’un stress.
3. Hormone sécrétée par le pancréas lorsque la concentration de glucose sanguin est élevée.

Answer 2

1. Glucagon
2. Épinéphrine
3. Insuline

Question 3

Comment nomme-t-on les séquences spécifiques d’ADN où se lient les facteurs de transcription?

Answer 3

Éléments de réponse

Question 4

Lequel de ces énoncés est faux?

A. L’état stationnaire (steady-state) définit un ensemble de conditions (paramètres) physiologiques compatibles avec la vie d’un organisme.
B. Le terme « équilibre thermodynamique » a le même sens que « l’état stationnaire ».
C. Pour demeurer vivante, une cellule doit capturer, transformer, emmagasiner et utiliser l’énergie.

Answer 4

B. Le terme « équilibre thermodynamique » a le même sens que « l’état stationnaire ».

Question 5

Lequel de ces énoncés est vrai?

A. Les enzymes ne peuvent être régulées que par un mécanisme à la fois.
B. Le substrat d’une réaction ne peut être un effecteur allostérique de l’enzyme qui catalyse cette réaction.
C. L’allostérie permet de changer rapidement l’activité d’une enzyme en réponse aux changements locaux de concentration d’une petite molécule.

Answer 5

C. L’allostérie permet de changer rapidement l’activité d’une enzyme en réponse aux changements locaux de concentration d’une petite molécule.

Question 6

Lequel ou lesquels de ces énoncés sont faux?

A. Dans un sentier, l’enzyme catalysant la réaction la plus lente détermine la vitesse du flux dans le sentier entier.
B. Les valeurs de contrôle du flux (C) sont toujours entre 0 et 1.
C. La somme des coefficients de contrôle de flux pour toutes les enzymes d’une voie métabolique sera approximativement égale à 1.
D. Pour une enzyme classique, les valeurs de ε se situe entre 0 et 1.
E. Pour les enzymes allostériques, les valeurs de ε peuvent dépasser 1 mais ne peuvent excéder le coefficient de Hill de cette enzyme.

Answer 6

A. Dans un sentier, l’enzyme catalysant la réaction la plus lente détermine la vitesse du flux dans le sentier entier.
B. Les valeurs de contrôle du flux (C) sont toujours entre 0 et 1.

Question 7

Lequel de ces énoncés sur le coefficient de contrôle de flux de chaque enzyme d’un sentier est vrai?

A. C’est une valeur intrinsèque à chaque enzyme d’un sentier.
B. C’est la mesure relative de l’impact de chaque enzyme sur le flux dans un sentier.
C. La somme des coefficients de contrôle pour un sentier complet est de 0.
D. C’est la mesure absolue de l’impact de chaque enzyme sur le flux dans un sentier.

Answer 7

B. C’est la mesure relative de l’impact de chaque enzyme sur le flux dans un sentier.

Question 8

Une cellule métaboliquement active est dans l’état stationnaire seulement si :

A. La vitesse du flux métabolique de varie pas.
B. Les intermédiaires sont formés et consommés à des vitesses égales.
C. Il n’y a pas de flux.
D. La cellule est en équilibre avec son environnement.

Answer 8

B. Les intermédiaires sont formés et consommés à des vitesses égales.

Question 9

Associer les définitions au terme correspondant.

1. Représenté par la lettre C
2. Représenté par la lettre R
3. Représenté par la lettre ε
4. Sensibilité d’une enzyme aux changements dans la concentration d’un facteur régulateur externe.
5. Contribution relative de chaque enzyme au flux d’un sentier entier.
6. Réponse d’un sentier à un facteur externe influant sur l’une des enzymes du sentier.

Answer 9

1. Coefficient de contrôle de flux
2. Coefficient de réponse
3. Coefficient d’élasticité
4. Coefficient d’élasticité
5. Coefficient de contrôle de flux
6. Coefficient de réponse

Question 10

Comment se nomme la conformation active d’une enzyme allostérique?

Answer 10

Conformation R

Question 11

Définissez l’homéostasie.

Answer 11

Caractéristique d’un système dont les propriétés varient très peu dans le temps (température, pH, concentration des solutés).
Capacité à maintenir constant l’ensemble des paramètres physico-chimiques de l’organisme (exemple : glycémie, température, taux de sel dans le sang, etc.) malgré la variation des paramètres extérieurs.

Question 12

Hormone : Glucagon
Tissu : Muscle
Récepteur : ?
Voie de transduction : ?

Answer 12

R : Aucun

V : Aucun

Question 13

Hormone : Glucagon
Tissu : Foie
Récepteur : ?
Voie de transduction : ?

Answer 13

R : Récepteur du glucagon

V : Adénylate cyclase

Question 14

Hormone : Insuline
Tissu : Muscle
Récepteur : ?
Voie de transduction : ?

Answer 14

R : Récepteur de l’insuline

V : Tyrosine kinase

Question 15

Hormone : Insuline
Tissu : Foie
Récepteur : ?
Voie de transduction : ?

Answer 15

R : Récepteur de l’insuline

V : Tyrosine kinase

Question 16

Hormone : Épinéphrine
Tissu : Muscle
Récepteur : ?
Voie de transduction : ?

Answer 16

R : β-adrénergique

V : Adénylate cyclase

Question 17

Hormone : Épinéphrine
Tissu : Foie
Récepteurs (2): ?
Voie de transductions (2) : ?

Answer 17

R : β-adrénergique et α-adrénergique

V : Adénylate cyclase et Phosphoinositol phosphate

Question 18

Les hormones participent à la régulation en contrôlant la quantité d’enzyme ou l’activité enzymatique?

Answer 18

En fait, les hormones permettent généralement de faire les deux à la fois. Les messagers cellulaires produits suite à la transduction de signal activent aussi bien des facteurs de transcription (qui agiront sur la quantité d’enzyme) que des kinases qui entraîneront des modifications covalentes (modification de l’activité enzymatique).

Question 19

Énumérer quatre mécanismes utilisés par la cellule pour réguler la quantité d’une enzyme.

Answer 19

La vitesse de synthèse peut être modulée par des facteurs de transcription. Un signal active un facteur de transcription particulier qui peut alors inactiver ou activer la transcription de tous les gènes d’un même sentier. Le nombre de molécules d’enzymes synthétisées dépend également de la stabilité de l’ARN messager transcrit et de la vitesse à laquelle il est traduit en protéine. La vitesse de dégradation d’une protéine diffère d’une protéine à l’autre et dépend également des conditions cellulaires.

Question 20

Énumérer quatre mécanismes utilisés par la cellule pour réguler l’activité enzymatique.

Answer 20

La cellule peut contrôler la disponibilité des substrats (par la séquestration du substrat ou le contrôle des transporteurs). Elle peut également réguler l’activité enzymatique par allostérie (présence d’effecteurs allostériques), par modifications covalentes (souvent par phosphorylation/déphosphorylation) ou encore par la liaison de l’enzyme à une protéine régulatrice.

Question 21

Vrai ou faux. Expliquer. C’est la Km d’une enzyme qui déterminera la sensibilité de celle-ci à une variation dans la disponibilité du substrat.

Answer 21

Vrai. La relation entre la Km et la concentration de substrat [S] est importante. Lorsque la concentration cellulaire des substrats est similaire ou plus faible que la Km (comme c’est souvent le cas), la vitesse de ces enzymes n’est pas maximale et varie suite à un changement dans la concentration de ces substrats. Cependant, pour une enzyme dont la Km est largement inférieur à la concentration physiologique de substrat, la vitesse est déjà presque maximale et une variation dans la concentration de substrat (dans les limites physiologiques permises) n’aura pas un effet important sur l’activité de l’enzyme.

Question 22

Comment appelle-t-on l’équivalent de la Km pour une enzyme allostérique?

Answer 22

Pour une enzyme allostérique, on parle de K0,5.

Question 23

À quoi ressemble le graphique du comportement cinétique d’une enzyme allostérique?

Answer 23

Courbe sigmoïde

Question 24

Les enzymes allostériques existent sous la forme d’un équilibre entre deux formes. Quelles sont ces formes?

Answer 24

Ces protéines adoptent deux conformations appelées état T (inactif ou presque inactif) et état R (actif).

Question 25

L’enzyme A a un coefficient de Hill de 0,5 alors que l’enzyme B a un coefficient de Hill de 2. Laquelle de ces deux enzymes est la plus sensible à une variation de la concentration de substrat?

Answer 25

L’enzyme B. Plus le coefficient de Hill est élevé, moins le changement de concentration doit être important pour que l’activité de l’enzyme passe de 10 à 90 % de la Vmax.

Question 26

Quelle est la modification covalente la plus fréquente? Comment affecte-t-elle l’activité enzymatique (positivement ou négativement)? Est-ce que cette modification est réversible? Quel avantage cela apporte-t-il?

Answer 26

La phosphorylation/déphosphorylation. La modification la plus fréquente est la phosphorylation/déphosphorylation. L’effet de la phosphorylation varie selon les protéines : certaines sont activées par la phosphorylation alors que d’autres sont inhibées par l’ajout d’un groupement phosphate. La réversibilité de la phosphorylation permet à la cellule de restaurer le niveau d’activité original de l’enzyme lorsque cela est nécessaire. En général, la phosphorylation est catalysée par une kinase et la déphosphorylation par une phosphatase.

Question 27

Quelle est la distinction entre régulation et contrôle métabolique?

Answer 27

Le terme régulation métabolique réfère au mécanisme capable de moduler l’activité d’une enzyme spécifique via une interaction moléculaire. Il s’agit de mécanisme permettant de maintenir l’homéostasie au niveau moléculaire, c’est-à-dire de maintenir un ou des paramètres cellulaires (concentration d’un métabolite, par exemple) à un niveau constant dans le temps, même si le flot des métabolites dans un sentier est modifié.
Le terme contrôle métabolique est utilisé lorsqu’un régulateur à un effet direct sur le flux à travers tout le sentier. Bref, la régulation est une propriété locale influençant l’activité d’une seule enzyme. Tandis que le contrôle est une propriété locale affectant le flux dans tout le réseau métabolique.

Question 28

Quel est l’impact des réactions loin de l’équilibre dans les sentiers métaboliques? Comment identifie-t-on ces réactions?

Answer 28

Ces enzymes permettent de réguler le flux ainsi que la direction d’un sentier métabolique. Ils forment les points de contrôle des sentiers.
Il est possible d’identifier les réactions qui sont loin de l’équilibre en comparant le Q et K ́eq. Lorsque Q et K ́eq diffèrent de plus de deux ordres de grandeur (plus de 100 fois), la réaction est considérée comme loin de l’équilibre. On peut également regarder le ∆G, plus sa valeur est grande, plus la réaction est loin de l’équilibre.

Question 29

L’AMP est un indicateur de l’état énergétique plus sensible que ne l’est l’ATP. Pourquoi?

Answer 29

Si on considère un changement de 0,1 mM dans la concentration de ces deux molécules, le changement relatif (en pourcentage) de la concentration d’AMP est beaucoup plus grand que celui de l’ATP puisque leur concentration de départ est différente. En général, la concentration d’ATP est beaucoup plus grande que celle d’AMP (environ 50 fois plus grande). Puisque la [ATP] intracellulaire (5-10 mM) est beaucoup plus grande que celle de l’AMP (0,1 mM), une faible variation dans la [AMP] est plus facile à détecter qu’une variation identique dans la [ATP].

Question 30

Quelle kinase est activée par une augmentation de la concentration d’AMP?

Answer 30

L’AMPK ou AMP-activated protein kinase.

Question 31

À quoi sert l’analyse du contrôle métabolique?

Answer 31

L’activité des enzymes de tous les sentiers interconnectés doit aussi être ajustée afin de maintenir l’homéostasie. Lorsqu’on étudie une enzyme in vitro, on la purifie ce qui la sépare de ses partenaires physiologiques. De plus, lors de ces études, les concentrations utilisées d’enzymes, de substrats et de modulateurs sont parfois très loin des concentrations observées dans un contexte physiologique. Bien que cela soit pratique pour comprendre le mécanisme d’une enzyme et identifier les régulateurs potentiels, il n’est pas possible d’évaluer l’impact de la régulation d’une enzyme sur le flux de la voie métabolique entière si tous les autres aspects de cette voie ont été éliminés.
Ce problème complexe est étudié en utilisant une méthodologie différente appelée « l’analyse du contrôle métabolique ». L’analyse du contrôle métabolique permet (1) de concevoir la régulation en termes quantitatifs; (2) d’interpréter les propriétés régulatrices de chaque enzyme d’un sentier; (3) d’identifier les étapes qui affectent le plus le flux à travers un sentier et (4) de distinguer entre les mécanismes régulateurs qui maintiennent constantes les concentrations des métabolites et les mécanismes du contrôle métabolique qui modifient le flux au travers du sentier complet.

Question 32

Définir les 3 paramètres au centre des analyses de contrôle métabolique.

Answer 32

Le coefficient de contrôle de flux (C) exprime la contribution relative de chaque enzyme au flux d’un sentier entier. C n’est pas une constante et dépend du système en entier, de la concentration des substrats et des effecteurs. C a une valeur de 0 pour une enzyme qui n’a pas d’impact sur le flux et de 1 pour une enzyme qui détermine à elle seule le flux d’un sentier.

Le coefficient d’élasticité (ε) permet exprimer quantitativement la réponse d’une enzyme spécifique à un changement dans la concentration d’un substrat ou d’un modulateur (inhibiteur ou activateur). ε est déterminé par les propriétés cinétiques intrinsèques de l’enzyme. On le mesure à l’aide de graphiques de vitesse en fonction de la concentration du substrat, une expérience classique en enzymologie. Cependant, pour calculer les coefficients d’élasticité, tous les réactifs et tous les effecteurs doivent être présents dans des concentrations aussi proches que possible de celles rencontrées dans les cellules. Ceci inclut les produits, bien sûr, et implique que les réactions doivent être étudiées dans des conditions où elles sont réversibles.

Le coefficient de réponse (R) permet de relier entre eux les trois coefficients, C, ε et R. La réponse (R) d’un sentier à un facteur externe influant sur l’une des enzymes du sentier est fonction de (1) la sensibilité du sentier aux changements de l’activité de l’enzyme en question (coefficient de contrôle du flux (C)) et de (2) de la sensibilité de l’enzyme aux changements dans la concentration du facteur régulateur externe (le coefficient d’élasticité (ε)) : R = C · ε

La réponse de chacune des enzymes d’un sentier peut être étudiée de cette façon, et les effets de n’importe quel facteur externe sur le flux d’un sentier peuvent être déterminés séparément. Ainsi, en principe, il est possible de prédire les variations du flux d’un sentier quand il y a un changement dans la concentration d’un ou de plusieurs facteurs externes contrôlant le sentier.