Le glycogène est une mise en réserve du glucose rapidement mobilisable. La présence de glycogène augmente considérablement la quantité de glucose immédiatement disponible entre les repas ou lors de l'activité musculaire. Le glucose est pratiquement la seule source d'énergie utilisée par le cerveau, sauf au cours du jeûne prolongé.

Les deux principaux sites de stockage du glycogène sont le foie et le muscle. Le glycogène est présent dans le cytosol sous forme de granules de 10 à 40 nm de diamètre. Ces granules contiennent des protéines régulatrices ainsi que des enzymes qui catalysent la synthèse ou la dégradation du glycogène.

La synthèse et la dégradation du glycogène s'effectuent par des voies réactionnelles différentes

Les voies de biosynthèse et de dégradation du glycogène sont distinctes ce qui permet une plus grande souplesse pour l'énergétique et pour le contrôle.
 

La voie de dégradation du glycogène

Le foie peut libèrer du glucose dans le sang entre les repas ou lors d'un execice musculaire important contrairement au muscle. En effet, le foie contient un enzyme, le glucose 6-phosphate qui permet au glucose de quitter la cellule hépatique. La glucose 6-phosphatase est absent du muscle et du cerveau, par conséquent, le glucose est retenu dans ces organes qui ont de grands besoins énergétiques.

La voie de biosynthèse

Les enzymes du métabolisme du glycogène sont régulées par phosphorylation réversible

L'existence de voies séparées pour la synthèse et la dégradation du glycogène nécessite qu'elles soient rigoureusement contrôlées. La glycogène phosphorylase est contrôlée par divers mécanismes allostériques qui la renseignent sur l'état énergétique de la cellule et par une phosphorylation réversible sur laquelle s'exercent les hormones comme l'insuline, l'adrénaline ou le glucagon. L'activité de la glycogène phosphorylase est sous l'influence de facteurs environnementaux.

La glycogène phosphorylase du muscle squelettique GP est un enzyme qui participe à la gestion des réserves glucidiques. Le substrat de cette enzyme est le glycogène, le produit est le glucose-1-phosphate. La GP clive le glycogène par phosphorolyse.
La GP, un dimère ou un tétramère de sous-unités de 97 kDa, existe sous deux formes interconvertibles : une phosphorylase a, active, et une phosphorylase b,  inactive. La phosphorylase b est convertie en phosphorylase a par phosphorylation d'un seul résidu sérine (sérine 14) dans chaque sous unité. Cette modification covalente est catalysée par la phosphorylase kinase.

La phosphorylase a est désactivée par hydrolyse du résidu phosphosérine par la phosphatase I.

• Dans le muscle

L'ATP intervient comme effecteur allostérique négatif en entrant en compétition avec l'AMP. 

Le glucose 6-phosphate inhibe également la phosphorylase b, essentiellement en se fixant sur le site AMP. Dans les conditions physiologiques, la phosphorylase b est inactivée par l'ATP et le glucose 6-phosphate : autrement dit, la phosphorylase b nest activée que si la charge énergétique de la cellule musculaire est faible.

La phosphorylase a est active quelles que soient les concentrations d'AMP, d'ATP et de glucose 6-phosphate.

Dans la cellule musculaire au repos, la GP est sous forme inactive b.
Danq la cellule musculaire en activitée, le taux d'AMP conduit à l'activation de la phosphorylase b. Des taux croissants d'adrénaline ainsi que des stimulations électriques du muscle consuisent à la formation de la phosphorylase active a.

• Dans le foie

• L'AMP n'active pas la phosphorylase b du foie,
• La phosphorylase a du foie est désactivée par la fixation de glucose. Le glucose déplace donc l'équilibre allostérique de la forme a de R à T.

Les études cristallographiques aux rayons X montrent que des changements structuraux à l'interface des sous-unités sont transmis aux sites catalytiques

Les structures des GP forme a et forme b sont aujourd'hui connues. Les 841 résidus du monomère sont reployées de façon compacte en un domaine amino-terminal de 480 résidus possédant un site de liaison du glycogène de 60 résidus; et un domaine carboxy-terminal de 361 résidus.

Le site catalytique est localisé dans une profonde poche formée par des résidus des deux domaines : le domaine amino-terminal et le domaine carboxy-terminal. Le pyridoxal phosphate PLP (dérivé du pyridoxine, vitamine B₆) est disposé dans le site catalytique. Le site d'arrimage du glycogène est distant de 30 A° du site catalytique ce qui permet à l'enzyme de phosphoryler de nombreux résidus terminaux sans avoir à se dissocier et à se réassocier après chaque cycle catalytique.

L'AMP, activateur allostérique de la phosphorylase b du muscle, se lie à un site proche de l'interface des sous-nités, loin du site catalytique et du site de liaison au glycogène. Chaque constituant de l'AMP, adénine, ribose et phosphate, se lie à un segment distinct de la chaine polypeptidique. L'AMP entre aussi en contact avec des résidus de l'autre sous-unité. La liaison de l'AMP modifie les contacts entre les sous-unités de leur interface et conduit à des changements structuraux qui se répercutent profondément dans tout le dimère. Les deux sites catalytiques deviennent fonctionnels.

Un autre changement essentiel induit par l'AMP est la création d'un site de liaison entre l'orthophosphate et les chaines latérales de la lysine et de l'arginine 242.

Le site de phosphorylation dans la conversion de la phosphorylase b en phosphorylase a est la sérine 14 qui est localisée, de façon stratégique, à l'interface des sous unités. La phosphorylation conduit à un changement extrêmement important de la conformation des 19 résidus amino-terminaux : dans la phosphorylase b, ils sont très mobiles, tandis que dans la phosphorylase a, ils ont une conformation précise et interagissent avec d'autres résidus des deux sous-unités. La sérine 14 interagit avec les chaines latérales des arginines 43 et 69. Ces changements structuraux sont transmis aux deux sites catalytiques. Une sous unité du dimère tourne de 10° par rapport à l'autre.

• Illustrations en ligne

• voir le tétramère phophorylé (glycogène phosphorylase a - forme R activée)
• voir le tétramère déphophorylé (glycogène phosphorylase b - forme T inactivée)
• voir le monomère phophorylé (glycogène phosphorylase a - forme R)
• voir le monomère phophorylé (glycogène phosphorylase b - forme T)
• voir une animation du glycogène phosphorylase a puis b - forme R puis T

Le métabolisme du glycogène est affecté par certaines hormones.

L'insuline induit la synthèse du glycogène.

Le glucagon et l'adrénaline, par contre, déclenchent la dégradation du glycogène. L'adrénaline stimule fortement la dégradation du glycogène dans le muscle et à un degré moindre dans le foie; le foie est plus sensible au glucagon. La voie de transduction du signal de l'hormone à la dégradation du glycogène est comprise au niveau moléculaire :

L'adrénaline et le glucagon se fixent sur un récepteur à sept hélices de la membrane plasmique des cellules cibles et déclenchent l'activation de la proteine G_s stimulatrice;

La forme GTP de la sous-unité a de G_s active l'adénylate cyclase, enzyme transmembranaire qui catalyse la formation de cAMP à partir de l'ATP;

Le taux élevé de cAMP active la protéine kinase A (PKA);

PKA phosphoryle la phosphorylase kinase et la glycogène synthétase ce qui assure que le glycogène ne peut pas être synthétisé et dégradé simultanéement. PKA contrôle ainsi de façon coordonnée, la dégradation et la synthèse du glycogène.

Le foie est sensible à la concentration de glucose dans le sang. La phosphorylase est l'élément sensible au glucose. Lorsque le taux sanguin du glucose augmente, la liaison du glucose à la phosphorylase a déplace l'équilibre allostérique de la forme active R vers la forme inactive T. Le taux de phosphorylase a décroît rapidement; après une période de latence, le taux de glycogène synthase augmente. et il en résulte la synthèse de glycogène.

De nombreux défauts enzymatiques héréditaires conduisent à un métabolisme anormal du glycogène

Des maladies du stockage du glycogène sont produites par une série de défauts génétiques.