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Métabolisme de composés azotés
INTRODUCTION
Les composés azotés sont des composants essentiels de la plupart des organismes vivants. Parmi ces composés les
acides aminés occupent une position centrale, notamment du fait de leur rôle amphibolique :
- incorporation dans la genèse de novo des nucléotides puriques ou pyrimidiques
- synthèse des porphyrines
- synthèse des hormones peptidiques…
I.
REACTIONS GENERALES DES AMINOACIDES
I. 1. Réactions enzymatiques impliquant le phosphate de pyridoxal (PAL)
Le PAL est impliqué dans un grand nombre de réactions intéressant le métabolisme des AA (décarboxylation,
transamination, racémisation entre autres. Il ne peut être synthétisé dans notre organisme d’où l’activité
vitaminique B6 manifestée tant par le pyridoxal que par la pyridoxine (l’alcool primaire correspondant) et par la
pyridoxamine (l’amine primaire correspondante, qui se forme d’ailleurs intermédiairement lors du processus de
transamination).
A.
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Décarboxylation
La décarboxylation des AA conduit à une amine. Certaines de ces amines ont un rôle physiologique ou
pharmacologique important, d’où le nom d’amines biogènes qu’on leur donne parfois.
Les décarboxylations sont catalysées par des décarboxylases, enzymes à phosphate de pyridoxal, présentes chez
les micro-organismes et dans les tissus animaux. Les bactéries intestinales ont des enzymes capables de
décarboxyler la lysine en cadavérine et l’ornithine en putrescine. Ces amines sont toujours présentes en petites
quantités dans l’intestin, mais qui peuvent provoquer des intoxications si leur concentration augmente à la suite
de fermentations intestinales anormales.
Principales amines biogènes.
Cystéine
Histidine
3,4- dihydroxyphénylalanine (DOPA)
Sérine
5-hydroxy-tryptophane
mercaptoéthylamine
histamine
.
dopamine
éthanolamine
sérotonine
dans le coenzyme A
action hypotensive
precurseur de l’adrenaline
dans les phosphatides
hormone tissulaire vasoconstrictrice
B. Transamination
Ce terme désigne le transfert réversible du groupement amine d’un aminoacide à un -cétoacide; il n’y a pas
libération de NH3, contrairement à ce qui se passe lors de la désamination.
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Les transaminases sont universellement répandues chez les bactéries, les végétaux et les animaux. Il existe un
grand nombre de transaminases, spécifiques des divers aminoacides, mais il y en a deux qui sont particulièrement
abondantes dans les tissus animaux, et qui ont été bien étudiées; elles catalysent les deux réactions suivantes
acide L-glutamique + acide oxalo-acétique
↔
acide a-cétoglutarique + acide L-aspartique
Transaminase Glutamate Oxaloacétate (TGO) ou Aspartate Aminotransférase (ASAT)
acide L-glutamique + acide pyruvique
↔
acide a-cétoglutarique + L-alanine
Transaminase Glutamate Pyruvate (TGP) ou Alanine aminotransférase
Dans les deux cas, le groupement aminé de l’acide glutamique est transféré à un -cétoacide pour former
l’aminoacide correspondant.
II. 2. La désamination
A. La désamination oxydative
Ce processus essentiellement irréversible a lieu en deux étapes. Dans un premier temps, l’enzyme catalyse une
déshydrogénation de l’aminoacide en iminoacide, cette enzyme est une flavoprotéine et les 2 électrons enlevés au
substrat viennent réduire le FAD en FADH 2 (ou le FMN en FMNH2). L’iminoacide est spontanément hydrolysé en
-cétoacide + ammoniac.
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L’acide glutamique est désaminé par une enzyme particulière, la L-glutamate-déshydrogénase, enzyme à NAD ou
à NADP selon les organismes. Cette réaction, contrairement aux autres désaminations oxydatives, est réversible, et
c’est dans le sens de l’amination réductrice qu’elle est particulièrement importante. C’est de ce fait l’un des
principaux processus de fixation de l’ammoniac dans les composés organiques, et le groupement aminé ainsi
formé pourra aisément passer de l’acide glutamique aux autres aminoacides par transamination. En outre, ce
passage de l’acide glutamique à l’acide a-cétoglutarique (qui est l’un des composés du cycle de Krebs) et vice versa
constitue l’un des points de contact entre les métabolismes glucidique et protéique.
Chez les animaux supérieurs (Mammifères), la glutamate déshydrogénase a un rôle surtout catabolique. L’enzyme
est mitochondriale et fonctionne dans le sens de la désamination oxydative avec le NAD, en association avec les
transamjnases pour cataboliser les excédents d’aminoacides. Dans les mitochondrjes hépatiques, l’ammoniaque
produit par l’enzyme sera à l’origine de la synthèse de l’urée (voir cycle de l’urée).
B. Désamination désaturante
La désamination ne concerne qu’un petit nombre d’aminoacides. Dans ce processus, l’enzyme catalyse
l’enlèvement d’une molécule d’ammoniac avec formation d’une double liaison entre les carbones  et . Par
exemple la désamination de l’acide L-aspartique en acide fumarique, réaction réversible qui permet la fixation de
NH3 dans un composé du cycle de Krebs. Cette réaction est catalysée par l’aspartate-ammonium lyase, présente
chez les micro-organismes et les végétaux. C’est selon ce mode sont également désaminées l’histidine chez les
animaux et la phénylalanine chez les végétaux.
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II. ORIGINE DES AMINOACIDES DANS LES ORGANISMES VIVANTS
Concernant l’origine des aminoacides, les organismes vivants se divisent en deux groupes :
- ceux qui sont capables de synthétiser tous les vingt aminoacides naturels, et chez lesquels les aminoacides sont
donc d’origine endogène
- et ceux qui sont incapables de synthétiser certains aminoacides; ces aminoacides qui leur sont indispensables,
doivent leur être fournis dans le milieu (ou dans l’alimentation) et sont donc d’origine exogène.
1. Synthèse des aminoacides
La synthèse des aminoacides peut être subdivisée en plusieurs étapes : la formation d’ammoniac, l’incorporation
d’ammoniac dans un composé organique (en général sous forme d’acide glutamique), la synthèse du squelette
carboné des aminoacides (c’est-à-dire la formation des -cétoacides correspondants) et enfin le transfert du
groupement aminé de l’acide glutamique à ces divers -cétoacides par transamination.
A. Formation d’ammoniac
La plupart des micro-organismes et des végétaux utilisent l’ammoniac qui se forme lors de la dégradation des
substances organiques azotées. On peut également observer la formation d’ammoniac à partir de substances
minérales : l’azote atmosphérique et les ions nitrite et nitrate par réduction.
B. Incorporation de l’ammoniac dans un composé organique
Les quatre processus les plus importants permettant la « fixation » de NH3 sous forme organique sont :
- l’amination réductrice de l’acide  -cétoglutarique en acide glutamique par la glutamate DH;
- l’amination de l’acide fumarique en acide aspartique ;
- la formation de carbamyl-phosphate ;
- la formation d’une amide comme la glutamine.
Les divers modes de formation de l’ammoniac et son incorporation dans les composés organiques peuvent être
considérés dans le cadre général du cycle de l’azote.
C. Synthèse du squelette carboné des aminoacides
Les -cétoacides correspondant à un certain nombre d’aminoacides sont des produits courants du métabolisme
intermédiaire, notamment de la glycolyse et du cycle de Krebs; c’est le cas particulier de l’acide pyruvique
(-cétoacide correspondant à l’alanine), de l’acide -cétoglutarique (correspondant à l’acide glutamique), de
l’acide oxalo-acétique (correspondant à l’acide aspartique). Certains autres -cétoacides dérivent plus ou moins
directement de composés du métabolisme intermédiaire, comme par exemple l’acide 3-phospho-hydroxypyruvique (correspondant à la phospho-sérine) qui provient de l’acide 3-phospho-glycérique par
déshydrogénation. Mais alors que les micro-organismes et les végétaux sont capables de former une dizaine
d’-cétoacides, les animaux supérieurs et l’Homme en particulier sont incapables de réaliser la synthèse de la
majorité d’entre eux et il faut leur fournir dans l’alimentation les aminoacides correspondants, ce sont les
aminoacides « indispensables ». En ce qui concerne les organismes capables de synthétiser cette dizaine d’cétoacides, les réactions nécessaires sont parfois nombreuses et complexes, notamment pour les aminoacides
aromatiques .
.
D. Transfert du groupement aminé sur les -cétoacides
De façon générale, les aminoacides peuvent être formés à partir des -cétoacides correspondants, par
transamination. Comme l’acide glutamique est le principal composé résultant de l’incorporation de NH 3 sous forme
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organique, il sera le principal donneur de groupement aminé dans les réactions de transamination. Quant aux
-cétoacides ils sont produits par les voies du catabolisme glucidique (acide pyruvique, acide oxaloacétique) ou
dérivent de celles-ci.
Cependant, il faut noter que sur les vingt aminoacides constituant les protéines, neuf ne sont pas synthétisés selon
ce mode général: Asn, Gln, Thr, Pro, Cys, Met, Trp, Lys et Arg. Les -cétoacides correspondants, en effet, ne sont
pas produits par l’une des voies du catabolisme glucidique (glycolyse, cycle de Krebs ou cycle des pentoses). Ces
aminoacides prennent donc naissance à partir des autres par des réactions particulières de transformation de la
chaîne latérale et qu’on appelle réactions de conversion. D’autre part, la synthèse de certains aminoacides
nécessite à la fois une conversion de la chaîne latérale et une réaction de transamination (valine, isoleucine,
leucine). Enfin, la glycine peut, selon l’organisme considéré, être synthétisée soit par conversion, soit par
transamination.
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2. Absorption des aminoacides préformés
A. Aminoacides indispensables
Chez l’Homme, un certain nombre d’aminoacides ne peuvent pas être formés par les mécanismes précités, soit
parce que les -cétoacides correspondants ne sont pas présents (et ne peuvent être synthétisés), soit parce qu’ils
ne peuvent être l’objet ni d’une amination, ni d’une transamination. Ces aminoacides sont au nombre de huit:
trois aminoacides à chaîne latérale hydrocarbonée (Leu, Ile, Val), un aminoacide basique (Lys), un aminoacide
hydroxylé (Thr), un aminoacide soufré (Met) et deux aminoacides aromatiques (Phe et Trp). Ils sont appelés
aminoacides indispensables ou essentiels, et doivent être apportés par l’alimentation.
B. Hydrolyse des protéines
Les protéines alimentaires doivent être hydrolysées en aminoacides dans le tube digestif.
III. METABOLISME SPECIFIQUE DES AMINOACIDES
1. Métabolisme de la glycine et de la sérine
Ce sont deux aminoacides non indispensables et interconvertibles.
A. Synthèse de la sérine
La sérine est formée à partir de l’acide 3-phosphoglycérique (un composé du métabolisme intermédiaire qui
apparaît lors de la glycolyse) par une suite de trois réaction.
B. Métabolisme de la sérine
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Sous l’action de la sérine-déshydratase, la sérine est désaminée en acide pyrurique. Le métabolisme de la sérine
est lié à celui des aminoacides soufrés. La décarboxylation de la sérine donne l’éthanolamine.
C. Interconversion sérine-glycine
Cette interconversion sérine-glycine est catalysée par une enzyme spécifique appelée (improprement) sérinehydroxyméthyltransférase, car ce n’est pas un hydroxyméthyl mais un formyl qui est transféré et nécessite deux
coenzymes. Dans un premier temps, l’enzyme catalyse la formation d’une base de Schiff intermédiaire entre la
sérine et le phosphate de pyridoxal (coenzyme lié à l’enzyme). Dans une deuxième phase, l’enzyme libère la glycine
et transfère le formaldéhyde sur le tétrahydrofolate (FH4 ou coenzyme mobile). Par départ d’une molécule d’eau, il
se forme du N5-N10-méthylène-FH4. Ce dernier peut être ensuite transformé par d’autres enzymes, soit en N 5méthyl-FH4, soit en N5- (ou N10-) formyl-FH4.
D. Métabolisme de la glycine
• Formation de la glycine à partir de l’éthanolamine. Il faut d’abord qu’il y ait transformation de l’éthanolamine
en choline par trois méthylations successives aux dépens de la S-adénosylméthionine, ce qui a lieu alors que
l’éthanolamine est liée à un acide phosphatidique. On a donc en fait la conversion d’une phosphatidyléthanolamine en phosphatidyl-choline. La choline libérée peut être oxydée en bétaïne, puis perdre successivement ses trois groupements méthyle pour donner la glycine. Ces groupements méthyle sont transférés par une
méthyl-transférase sur le FH4.
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• Désamination et transamination de la glycine. Par désamination oxydative (sous l’influence d’une glycine
oxydase spécifique) ou par transamination réversible, la glycine est transformée en acide glyoxylique. Ce composé
subit une décarboxylation oxydative en CO2 + formiate, lequel n’est pas libéré dans le milieu mais capté par FH 4
pour former le N5-formyl FH4 ou le N10-formyl FH4.
La glycine peut aussi être formée par transamination à partir de l’acide glyoxylique. Il est intéressant de noter que
lors des trois processus que nous venons d’étudier (interconversion sérine-glycine, transformation de la bétaïne
en glycine, catabolisme de la glycine), des unités à un atome de carbone ont été détachées et prises en charge par
le FH4 elles vont rejoindre le pool des unités monocarbonées qui pourront être utilisées dans diverses réactions
telles que la biosynthèse de novo des nucléotides puriques, la méthylation du dUMP en dTMP...
• Formation d’acide hippurique et d’acides biliaires conjugués. La glycine permet l’élimination de certains
composés toxiques pour l’organisme tels que l’acide benzoïque; ce dernier est d’abord activé, puis fixé sur le
groupement aminé de la glycine pour former l’acide hippurique (découvert dans l’urine de cheval, d’où son nom).
Par un mécanisme semblable, les acides cholique et désoxycholique sont d’abord activés, puis conjugués avec la
glycine pour former les acides glycocholique et glycodésoxycholique.
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• Synthèse du glutathion. La synthèse du glutathion s’effectue en deux étapes:
acide glutamique + cystéine + ATP → -glutamyl-cystéine + APD + Pi
-glutamyl-cystéine + glycine + ATP → glutathion + ADP + Pi
• Synthèse de la créatine. Cette synthèse débute par un transfert du groupement guanidique de l’arginine à la
glycine; puis le produit formé est méthylé en créatine par la S-adénosyl-méthionine ; les atomes de carbone de la
créatine proviennent ainsi de trois aminoacides différents. Quand la concentration en ATP est élevée, la créatine
est transformée dans le muscle en créatine-phosphate, lequel peut à nouveau se décomposer avec formation
d’ATP au moment où le muscle en a besoin. La créatine-phosphate constitue ainsi une réserve énergétique
immédiatement mobilisable, fournissant l’ATP nécessaire à la contraction musculaire, en attendant que la
stimulation de la glycolyse se traduise par une formation accrue d’ATP.
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• Synthèse de l’acide -aminolévulinique. Ce composé est un précurseur de l’hème et de la chlorophylle; en effet,
huit molécules de ce composé fournissent tous les atomes de carbone et d’azote du squelette porphyrinique. Chez
certaines Bactéries et dans les mitochondries de Levure, des oiseaux et des mammifères, ce composé est formé
lors du cycle de Shemin (voir métabolisme de l’hémoglobine).
Cycle de Shemin. Ce cycle est une dérivation du cycle de Krebs au niveau du succinyl-coA. Ses trois étapes sont
représentées sur la figure suivante :
•Synthèse des porphyrines. C’est l’acide -amino-lévulinique qui est le précurseur des porphyrines
(voir métabolisme hémoglobine).
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2. Métabolisme des aminoacides soufrés
Il y a trois aminoacides soufrés, la méthionine, la cystéine et la cystine; mais les deux derniers sont très facilement
interconvertibles par oxydation-réduction et on peut considérer qu’ils n’en forment qu’un. La méthionine est un
aminoacide indispensable, alors qu’il n’est pas indispensable de fournir la cystéine. Cependant, lorsqu’on donne de
la cystéine, les besoins en méthionine diminuent, ce qui suggère qu’une partie de la méthiofine est utilisée à
former la cystéine.
A. Formation de la cystéine à partir de la méthionine
Chez l’Homme, le mécanisme de cette transformation appelée transsulfuration, implique deux enzymes à
phosphate de pyridoxal : la première, la cystathionine synthase (E1) catalyse la formation d’un composé
intermédiaire, la cystathionine, à partir de la sérine et de l’homocystéine. La cystathionine synthase catalyse
d’abord une déshydratation de la sérine (premier substrat), puis sur la double liaison ainsi formée entre les
carbones a et 3, l’addition de la molécule d’homocystéine (deuxième substrat). Cette cystathionine est ensuite
scindée par la cystathionase (E2) en donnant, d’une part la cystéine, formée à partir des atomes de carbone et
d’azote de la sérine et à partir du soufre de la méthionine, et d’autre part un équivalent homosérine qui n’est pas
libéré de cette deuxième enzyme et subit une désamination qui la transforme en acide -cétobutyrique.
B. Méthylation de l’homocystéine en méthionine
Si on marque les groupements méthyle de la choline ou de la bétaïne, on retrouve la radioactivité au niveau du CH3
de la méthionine. La méthylation est donc possible (elle a lieu grâce à une enzyme qui utilise le N5-méthyl-FH4 pour
apporter l’unité monocarbonée), et ceci même chez les animaux. Ce n’est donc pas tant la méthionine qui est
indispensable que l’homocystéine, et si cette dernière est fournie à l’animal, il peut la méthyler en méthionine.
C. Métabolisme de la méthionine
Outre son rôle comme aminoacide constitutif des protéines et dans l’initiation de la biosynthèse protéique, la
méthionine est surtout un fournisseur de groupements méthyle. Elle doit d’abord être activée par l’ATP pour
donner la S-adénosyl-méthionine, qui est le véritable agent participant aux processus de transméthylation. Elle
peut alors céder son méthyle à des composés très divers et se retrouver sous forme de S-adénosyl-homocystéine.
D. Métabolisme de la cystéine
La cystéine est un constituant du glutathion qui intervient dans divers processus, par exemple la protection des
cellules contre des radicaux libres toxiques (grâce à la glutathion réductase, notamment) dans le stockage et le
transport du soufre réduit, dans la synthèse des désoxyribonucléotides (au niveau de la glutarédoxine réductase,
ou dans la détoxification des xénobiotiques tels que certains herbicides chez les végétaux (grâce à la glutathion-Stransférase). La décarboxylation de la cystéine conduit à la mercaptoéthylamine ou cystéamine
(H2N — CH2 — CH2 — SH) qui est un constituant du coenzyme A.
•Transformation de la cystéine en acide pyruvique. Deux voies sont possibles:
- la première consiste en une désamination catalysée par la cystéine-désulfhydrase;
- la deuxième consiste en une oxydation de la cystéine en acide cystéine-sulfinique qui perd son groupement
aminé par transamination et donne l’acide sulfinyl-pyruvique. Ce dernier donne l’acide pyruvique en libérant le
soufre que l’on trouve sous forme de sulfite, puis de sulfate. Ce sulfate est activé sous forme d’adénosine
3’-phosphate-5’-phosphosulfate qui peut réagir avec divers composés tels que des phénols ou des stéroïdes qui
sont alors éliminés sous forme de dérivés sulfo-conjugués dans l’urine (détoxication).
• Formation de la taurine. L’acide cystéine-sulfinique peut au lieu d’être l’objet d’une transamination être
décarboxylé en hypotaurine, laquelle est ensuite oxydée en taurine (il peut aussi y avoir d’abord oxydation en
acide cystéique puis décarboxylation en taurine). La taurine peut comme la glycine être conjuguée avec les acides
biliaires.
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