CHAPITRE 8 – Le métabolisme des composés azotés
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Biochimie Chapitre 8 – Le métabolisme des composés azotés CHAPITRE 8 – Le métabolisme des composés azotés I. Introduction Un organisme vivant quel qu’il soit contient une grande variété de composés azotés. L’azote se trouvant dans les AA, donc dans les protéines, ainsi que dans les AN. L’azote sous forme de N2 n’est généralement pas assimilable par les euK. Les formes assimilables seront rares dans l’environnement. II. Origine des acides aminés dans les organismes vivants Les organismes se divisent en 2 classes : - ceux qui savent synthétisés la 20aine d’AA de façon endogène ; - ceux qui ont besoin d’un apport alimentaire pour avoir à disposition les AA essentiels qu’ils ne savent pas fabriqués. A. Réactions générales des AA 1) La désamination oxydative La désamination oxydative a lieu en 2 étapes. La déshydrogénation de l’AA, ce qui permet de fabriquer du pouvoir réducteur sous forme de FADH2 et un imino-acide. L’imino-acide va être spontanément hydrolysé en ammoniac et en α-cétoacide. Pour que la réaction puisse continuer à avoir lieu, il faut oxyder le FADH2, ce qui produit de l’eau oxygénée dégradée par la catalase. Cet ensemble de réactions est irréversible. 2) Déshydrogénation Cet ensemble de réactions est réversible. C’est dans le sens de l’amination réductrice qu’elle est très importante. En effet ces réactions font partie des processus qui vont permettre la fixation de l’ammoniac dans les AA. L’AA formé est l’acide glutamique, il pourra céder l’azote pour fabriquer d’autres AA par transamination. On voit que ces réactions font apparaitre de l’acide α-cétoglutarique qui est un composé du cycle de Krebs, on voit donc un point de contact entre le métabolisme des glucides et celui des AA. Chez les organismes supérieurs comme les mammifères, ces réactions ont lieu dans la mitochondrie dans un but catabolique, ça permet d’éliminer les excédants en AA. Chez les animaux supérieurs c’est le NADH, H+ qui va être utilisé, chez les bactéries c’est le NADPH, H+. 1 Biochimie Chapitre 8 – Le métabolisme des composés azotés 3) Transamination Le terme de transamination désigne le transfert réversible du groupement amine d’un AA à un α-cétoacide. Ces réactions, contrairement aux 2 précédentes, m’entraine pas la libération d’ammoniac et sont très importantes pour la synthèse de nouveaux AA. Les transaminases se trouvent chez tous les organismes et elles vont être spécifiques d’un AA. Ex : Pour avoir lieu ces réactions nécessitent un coenzyme : le phosphate de pyridoxal, il y a formation d’une base de Schiff. B. Synthèse des AA La forme la plus abondante d’azote est le N2 de l’air. Peu d’espèces sont capables de valoriser cet azote pour le convertir en une forme utile pour tous les organismes. (Bactérie sur une boite contenant du sucre et un milieu minéral, on constate qu’elle se développe sans apport d’azote, c’est donc qu’elle est capable de synthétiser ses AA à partir du N2 de l’air. On considère également que tous les organismes photosynthétiques sont capables de fabriqués la 20aine d’AA nécessaires à l’édification des protéines. La synthèse d’un AA peut être coupée en 4 étapes : - formation d’ammoniac (NH3) ; - intégration de NH3 dans une MO (généralement acide glutamique) ; - synthèse du squelette carboné de l’AA sous la forme d’un α-cétoacide ; - transamination avec transfert de l’azote de l’AA vers un α-cétoacide. 2 Biochimie Chapitre 8 – Le métabolisme des composés azotés 1) Formation d’ammoniac (NH3) L’ammoniac peut être synthétisé par certains organismes par réduction de l’azote atmosphérique. a) Fixation de l’azote atmosphérique sous forme d’ammoniac Ce sont des organismes du sol qui vont être capables de réduire l’azote atmosphérique en ammoniac. Aérobiose : Nitrobacter Anaérobiose : Clostridium D’autre part on trouve en symbiose avec les légumineuses des bactéries du genre Rhizobium qui vont permettre d’apporter à la plante du NH3. Bien que le NH3 soit assimilable par tous les végétaux, ils n’ont généralement pas le temps de l’utiliser. En effet des bactéries du sol vont l’oxyder, c’est leur source d’énergie pour se développer. Le processus de transformation de l’ammoniac en nitrite (NO2-) puis en nitrate (NO3-) s’appelle la nitrification. Chez les bactéries nitrifiantes du genre Nitrosomonas NH3 + 3/2 O2 NO2- + H+ + H2O Chez les bactéries nitrifiantes du genre Nitrobacter NO2- + ½ O2 NO3- b) Réduction des nitrites et des nitrates en ammoniac Ce processus va être mis en œuvre dans de nombreux organismes, notamment par les plantes qui vont transformer le NO2- et le NO3- en NH3. La 1ére étape est catalysée par une nitrite-réductase, le donneur d’électrons étant NADH, H+, NADPH, H+ ou FADH2. La 2ème étape voit les nitrites transformés en ammoniac par une nitrate-réductase. 2) Incorporation de l’ammoniac dans un composé organique a) Principaux processus permettant la fixation de NH3 sous forme organique 3 méthodes d’incorporation de l’ammoniac : - amination réductrice de l’acide α-cétoglutarique en acide glutamique ; - formation de carbalyl-phosphate (synthèse des AN) ; - formation de glutamine à partir d’acide glutamique (synthèse des AN). b) Synthèse du squelette carboné Parmi les α-cétoacides de notre métabolisme, en particulier ceux rencontrés dans le cycle de Krebs, certains vont pouvoir par transamination donner naissance à des AA. Ex : Acide pyruvique alanine, AOA acide aspartique, Acide α-cétoglutarique acide glutamique c) Transfert du groupement amine sur les α-cétoacides Etant donné que l’azote est incorporé dans l’acide glutamique il sera le principal donneur de groupement -NH2 lors des réactions de transamination. Sur la 20aine d’AA constituant les protéines 9 ne sont pas synthétisés selon ce mode général, il s’agit de : - l’asparagine (ASN) - la proline (PRO) - le tryptophane (TRP) - la glutamine (GLN) - la cystéine (CYS) - la lysine (LYS) - la thréonine (THR) - la méthionine (MET) - l’arginine (ARG) Ces 9 AA vont être synthétisés grâce à de réaction particulière que l’on appelle les réactions de conversion réalisées sur les radicaux d’AA existant. 3 Biochimie Chapitre 8 – Le métabolisme des composés azotés C. Absorption des AA préformés 1) Aminoacides indispensables Chez l’homme 8 AA sont essentiels et ne peuvent être synthétisés dans nos cellules : - leucine (LEU) - valine (VAL) - phénylalanine (PHE) - isoleucine (ILE) - thréonine (THR) - tryptophane (TRP) - lysine (LYS) - méthionine (MET) 2) Hydrolyse des protéines Les protéines alimentaires doivent être hydrolysées en AA au niveau du tube digestif, en effet les macromolécules de manière générale sont mal absorbées et dans un organisme la formule d’une protéine est spécifique elle est donc systématiquement synthétisée en cas de besoin. Lorsque des protéines arrivent dans l’estomac il y a stimulation de la muqueuse gastrique avec synthèse d’une hormone : la gastrine, c’est elle qui provoque l’apparition d’HCl et la chute de pH (~ 2) qui permet à une endopeptidase, la pepsine de travailler. Lorsque le contenu gastrique passe dans l’intestin grêle, l’acidité provoque la synthèse d’une autre hormone, la sécrétine, c’est elle qui permet le retour à la neutralité par synthèse de bicarbonate. Le pancréas va également libérer des peptidases : trypsine, chymotrypsine, carboxypeptidase. L’intestin grêle lui aussi libère des peptidases en particulier une amino-peptidase. Les AA libres vont pouvoir passer dans le sang grâce à des transporteurs, les perméases pour rejoindre les cellules. III. Elimination de l’ammoniac Il ne faut pas s’imaginer qu’un organisme en équilibre azoté (= même proportion d’azote qui entre et qui sort). ?? Si on administre à un organisme un AA marqué (avec de l’15N) on constate qu’une grande partie de cet azote est incorporée dans des protéines et une petite partie est directement excrétée. Ceci veut dire que les protéines d’un tissu ne sont pas stables durant toute la vie de l’organisme et qu’elles sont en perpétuel renouvellement. On appelle cet état, l’état dynamique des protéines. A. Produits d’élimination du métabolisme azoté Il existe trois grandes formes d’élimination pour l’azote - Sous forme d’ammoniac amoniotéliques (poissons, invertébrés aquatiques,...) L’ammoniac est un produit très toxique pour les cellules, les organismes doivent donc pouvoir s’en débarrasser très rapidement. Chez les animaux terrestres, ce sont des formes de transport d’azote moins toxique qui sont utilisés. Les poissons voient libèrent l’ammoniac diffuser librement dans le milieu. - Sous forme d’acide urique uricotéliques (oiseaux, reptiles,…) - Sous forme d’urée uréotéliques (mammifères,…) B. Elimination de l’azote sous forme d’urée La formation de l’urée a lieu au niveau du foie mais l’ammoniac nécessaire à cette synthèse est trop toxique pour les cellules pour être transporté dans cet état. Le transport va se faire sous forme de glutamine, ceci grâce à l’activité de la glutamine-synthétase qui a besoin d’ATP. 4 Biochimie Chapitre 8 – Le métabolisme des composés azotés La glutamine formée n’est pas toxique, elle est transportée par le sang jusqu’au foie où l’ammoniac est libéré grâce à la glutaminase. La formule de l’urée est : Pour entrer dans le cycle de l’urée, l’ammoniac doit être activé : Figure ornithine.. En réalité, on constate que le groupement NH2 des AA peut être éliminé sous forme d’urée par 2 voies. - Désamination et incorporation d’ammoniac par le carbamyl-phosphate. - Utilisation de transamination sur de l’acide aspartique. On constate à travers cette incorporation et la libération de fumarate, le lien étroit avec le CK. Effectivement l’acide aspartique en présence de certains α-cétoacide, peut permettre la synthèse de molécules du CK comme l’oxaloacétate. IV. Métabolisme du squelette carboné des acides aminés A. Les différentes voies de transformation Il existe une 20aine d’AA standards dans nos protéines, on va donc avoir 20 voies de dégradation une par AA. Ces voies de dégradation vont converger vers la production de 5 molécules différentes : - Acétyl-CoA - Fumarate - Acide α-cétoglutarique - Oxaloacétate - Succinyl-CoA Si ces molécules sont dégradées sous forme de CO2 et H2O, il y aura production d’énergie qui pourrait être utilisée par l’organisme B. La cétogenèse Si l’alimentation apporte trop d’acétylCoA au CK, on va observer la synthèse de corps cétoniques au niveau des mitochondries. Figure 2 L’acide acétoacétique va pouvoir subir 2 transformations différentes : - décarboxylation pour former de l’acétone. Cet acétone sera éliminé par la respiration au niveau des poumons. - 5
