Modélisation mathématiques de la plasticité des réserves énergétiques à l’échelle cellulaire.
Résumé
La composition biochimique et les métabolismes tissulaires sont des éléments clés dans l'adaptation
individuelle et participent à l’efficience des productions animales. En effet, l’énergie apportée par
l’aliment peut être utilisée par la cellule pour son fonctionnement quotidien mais peut être aussi
(transitoirement ou pas) mise en réserve, notamment sous forme de glycogène ou de lipides. Ces
réserves énergétiques sont stockées dans des cellules spécialisées (cellule musculaire et hépatocyte
pour le glycogène, adipocyte pour les lipides) ou peuvent coexister au sein d’une même cellule (lipides
intra-myocellulaires, glycogène adipocytaire). Ces réserves permettent à la cellule de gérer la
discontinuité dans la fourniture de nutriments par rapport aux besoins énergétiques, mais avec un coût
métabolique associé non négligeable. Une cellule ou un tissu (ensemble plus ou moins hétérogène de
cellules) peut être considéré(e) comme un système dont le fonctionnement concerté dépend des
entités en présence et des interactions qui les lient.
Nous proposons de développer un modèle dynamique générique visant à intégrer les connaissances
stoechiométriques et les régulations sur les voies biochimiques cellulaires, pour comprendre la
plasticité des réserves énergétiques chez l’animal en croissance, et en particulier les équilibres
complexes entre stocks de glycogène et de lipides tissulaires.
Dans ce but, un système d’équations différentielles ordinaires de production et de consommation de
nutriments a été utilisé afin de représenter le métabolisme cellulaire. Chaque équation représente une
réaction biochimique unique ou rassemble les transformations successives de plusieurs métabolites
intermédiaires lorsque chacune d’entre elles n’est pas soumise à une régulation essentielle pour le
phénomène modélisé. La vitesse de ces réactions est régulée principalement par l’activité de l’enzyme
impliquée dans la réaction. Nous identifions alors les inhibiteurs et les activateurs de chaque enzyme.
Notre modèle met en évidence l’indexation étroite du stock de glycogène au besoin énergétique
cellulaire modélisé par l’évolution du ratio ATP/AMP. Le modèle confirme que l’augmentation de ce
ratio (ex : entrée du glucose dans la cellule supérieur à son besoin en glucose pour produire de l’ATP),
active d’abord la voie de la production du glycogène; lorsque une concentration donnée en glycogène
est atteinte (fonction du type cellulaire), la synthèse des lipides est activée.
Ce modèle est un premier pas pour décrire la complexité des voies métaboliques contrôlant l’équilibre
énergétique cellulaire. Il permettra à terme de tester des scénarii nutritionnels (modulation des entrées
en glucose ou en acides gras) chez l’animal en croissance. Il pourrait être étendu pour décrire le
métabolisme d’autres nutriments (acides aminés) et/ou couplé à des modèles de flux pour décrire les
phénomènes à l’échelle de l’animal.