Coenzymes et vitamines
publicité
Coenzymes et vitamines PCEM1 année 2009-2010 Coenzymes et vitamines Introduction et Généralités Coenzymes d’oxydoréduction Vitamines Coenzymes Coenzymes redox hydrosolubles vitaminiques Coenzymes redox non vitaminiques Coenzymes redox liposolubles vitaminiques Coenzymes de transfert de groupements Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B Coenzymes de transfert hydrosolubles non vitaminiques 1 Généralités : Vitamines I- Généralités sur les vitamines Historiquement « vitamine » est un terme signifiant : “ amine bénéfique à la vie ” cependant les composés appelés vitamines ne comportent pas tous une fonction « amine ». De nature organique En général non synthétisées par l’organisme : - notion variable selon les espèces considérées : il peut exister une voie de biosynthèse endogène Chez l’Homme Apport exogène Végétal Autres espèces soit apport alimentaire obligatoire soit synthèse par les bactéries intestinales Utiles en petites quantités pour assurer leurs fonctions biochimiques Concentration faible dans le sang Généralités : Vitamines II- Classification Les vitamines hydrosolubles vit C (Ac Ascorbique) + vit du groupe B groupe B : B1, B2, B3 ou PP, B5, B6, B8 ou H, B9, B12 Hydrosoluble = absence de stockage dans l’organisme nécessité d’un apport régulier pas de toxicité en cas de surdosage (élimination urinaire) Les vitamines liposolubles A, D, E, K : apolaires, solubles dans les graisses donc stockées dans l’organisme et potentiellement toxiques en excès, elles entraînent des hypervitaminoses NB : Vit A et D ne sont pas impliquées dans la structure de Coenzymes 2 Coenzymes et vitamines Introduction et Généralités Coenzymes d’oxydoréduction Vitamines Coenzymes Coenzymes redox hydrosolubles vitaminiques Coenzymes redox hydrosolubles non vitaminiques Coenzymes redox liposolubles vitaminiques Coenzymes de transfert de groupements Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B Coenzymes de transfert hydrosolubles non vitaminiques Généralités : Coenzymes I- définition cofacteur/coenzyme Terme global : Cofacteur de nature non organique Plus de 25% de toutes les enzymes nécessitent la présence d’un cofacteur métallique : cations divalents Mg++, Ca++, Mn++, Fe++, Zn++, Cu++ Soit nécessaire à l’action de l’enzyme mais sans liaison étroite Soit fortement lié à la protéine et purifié avec elle de nature organique non protéique Coenzymes : de petite taille, de structure souvent cyclique. Parmi lesquels on distingue les groupements prosthétiques, liés par covalence à l’apoenzyme les co-substrats ou coenzymes libres car faiblement liés à la protéine. 3 Généralités : Coenzymes II- Propriétés des coenzymes Lié plus ou moins fortement à l’apoenzyme, le coenzyme (CoE) fait partie intégrante du mécanisme catalytique - Groupement prosthétique fortement lié au site actif de l’enzyme par des liaisons covalentes (comme un pont peptidique) régénéré à la fin de la réaction régénéré à la fin de deux réactions couplées au sein d’un même complexe enzymatique CoE E1 E2 Co-substrat ou CoE libre - fixé réversiblement au site actif par des liaisons faibles - régénéré au cours d’une réaction catalysée par une deuxième enzyme dans la même voie métabolique ou dans une autre voie métabolique Généralités : Coenzymes III- Fonctions des coenzymes transferts de groupements autres que H+ transfert d’e- et de protons au cours des réactions d’oxydo-réduction Les enzymes nécessitant des coenzymes catalysent des réactions : d’oxydo-réduction : oxydo-reductases EC1 de transfert de groupement : transférases EC2 de formation de liaisons covalentes : ligases EC6 d’isomérisation : isomérases EC5 toujours CoE CoE facultatif 4 Généralités : Coenzymes Deux parties dans la molécule GROUPEMENTS IMPLIQUES DANS LA LIAISON A L'ENZYME PARTIE REACTIVE IMPLIQUEE DANS LA CATALYSE éléments de liaison à l'enzyme partie réactive (faible ou covalent) Généralités : Coenzymes III Relation entre Vitamines et coenzymes Les mêmes composés sont des CoE chez tous les êtres vivants mais leur nature vitaminique varie selon les espèces (selon qu’elles peuvent en produire de façon autonome ou pas) Les co-enzymes sont des composés organiques Molécules organiques Coenzymes Biosynthèse grâce à des enzymes Gènes dont la production dépend de voies de biosynthèse comprenant une série de réactions enzymatiques 5 Généralités : Coenzymes Dans certaines espèces, au cours de l’évolution, des gènes codant des enzymes impliquées dans la biosynthèse de CoE ont été altérés. Ce phénomène est d’autant plus fréquent que l’on est haut dans la chaîne alimentaire Voie endogène Source alimentaire et bactérienne Gène X Gène X muté S Enzyme Enzyme vitamine P CoE CoE Si absence d’enzyme fonctionnelle : interruption de la chaîne de production des CoE en aval de l’étape enzymatique correspondante Le produit de cette étape donnant naissance au CoE est donc devenu indispensable dans les espèces dérivées : notion de vitamine Généralités : Coenzymes C’est le cas pour l’Homme chez qui la plupart des coenzymes dérivent de vitamines Une carence vitaminique entraîne : une diminution de synthèse du coenzyme dérivé et donc une pathologie liée à une perte d’activité enzymatique. Les symptômes de telles carences varient en fonction des métabolismes touchés. 6 Les vitamines liposolubles non coenzymatiques D et A A. La vitamine D Vitamine d’appellation historique mais impropre : Prohormone stéroïde Origine : alimentaire et endogène à l’origine du calcitriol, hormone du métabolisme phosphocalcique, qui stimule les gènes du métabolisme phosphocalcique (action sur des récepteurs nucléaires) Structure Chez l’animal, la « vitamine » est formée à partir du 7déshydrocholestérol par photolyse d’où l’importance de l’exposition à la lumière pour sa production endogène. Carence = rachitisme survenant par exposition solaire et/ou apports insuffisants (appréciés en fonction de la localisation géographique et de la pigmentation cutanée) Les vitamines liposolubles non coenzymatiques D et A 24 25 OH Après hydroxylation en 25 dans le foie, on obtient la forme de réserve, le 25 hydroxy cholécalciférol ou 25 OH D3 peau CH2 HO On obtient le cholécalciférol ou vit D3 1 OH Une deuxième hydroxylation va donner naissance à deux composés - si OH en 24 : 24,25 dihydroxycholécalciférol (rein, os, placenta, intestin, cartilage) - si OH en 1: 1,25 (OH)2 D3 ou calcitriol (rein, os, placenta) 7 Les vitamines liposolubles non coenzymatiques D et A La vitamine A (Origine : Béta-Carotène) stock hépatique structure Forme naturelle de base : le rétinol (trans) 1 7 9 11 13 6 CH2OH Formes trans les plus fréquentes Formes cis : le 11 cis rétinal 9 11 Dérivés : Rétinol Rétinal Acide Rétinoïque CHO Les vitamines liposolubles non coenzymatiques D et A action du rétinol Hormone stéroïde (expression de gènes) action du rétinal dans la vision : cycle de formation du pigment rétinien : la rhodopsine si carence : cécité action de l’Ac Rétinoïque : synthèse de glycoprotéines (transport transmembranaire d’oligosaccharides) 8 Coenzymes et Vitamines Origine Vitamine Non vitamine Fonction Coenzyme (CoE) Transfert de groupement Hydrosolubles B1, B5, B6 B8, B9, B12 ATP S-Adénosyl-méthionine B2, B3(PP), C ptéridinique Quinoniques Acide lipoïque Coenzyme (CoE) Oxydo-réduction Liposolubles E, K Non CoE A, D Coenzymes et vitamines Introduction et Généralités Coenzymes d’oxydoréduction Vitamines Coenzymes Coenzymes redox hydrosolubles vitaminiques Coenzymes redox non vitaminiques Coenzymes redox liposolubles vitaminiques Coenzymes de transfert de groupements Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B Coenzymes de transfert hydrosolubles non vitaminiques 9 Coenzymes redox hydrosolubles vitaminiques La vitamine B2 ou riboflavine et les CoE flaviniques 1) Structure de la vitamine Le système de doubles liaisons conjuguées forme un chromophore de couleur jaune O CH3 5 8 C H3 N 10 4 9 1 N N NH Estérification O CH 2 CHOH C HO H C HO H C H2OH E 2) Les coE flaviniques flavine mononucléotide ou FMN flavine adénine dinucléotide ou FAD (à partir du FMN) ces CoE sont des groupements prosthétiques d’enzymes appelées flavoprotéines - oxydases - déshydrogénases Coenzymes redox hydrosolubles vitaminiques La niacine (vitamine PP ou B3) et les pyridines nucléotides 2 formes dérivant de la pyridine = 2 sources alimentaires : l’acide nicotinique et la nicotinamide carence en vit PP : pellagre (alimentation maïs + pauvre en viande) les CoE pyridiniques : NAD+ et NADPH + H+ sont les formes majeures dans la cellule Le tryptophane peut servir de source alimentaire de NAD+ en cas de carence en vitamine PP, ce CoE n’est donc pas strictement de nature vitaminique Ce sont des co-substrats qui transfèrent 2 H pour les déshydrogénases cytoplasmiques et mitochondriales, le NAD+ dans les voies oxydatives, le NADP dans les voies réductrices (voie des pentoses) 10 Coenzymes redox hydrosolubles vitaminiques la NAD+ absorbe les UV à 260 nm comme les nucléotides. La forme réduite (NADH) absorbe de plus à 340 nm la réduction du CoE entraîne donc une augmentation de l’absorption à 340nm, propriété très utilisée pour les dosages biochimiques en spectrophotométrie d’absorption. S + NAD NADH + P E1 Absorbance à 340nm fonction de l’apparition de P Coenzymes redox hydrosolubles vitaminiques La vitamine C ou acide ascorbique l’enzyme L-gulonolactone oxydase, nécessaire à sa synthèse endogène, n’existe pas chez l’Homme. L’acide ascorbique constitue avec l’acide déhydro ascorbique un système d’oxydo-réduction 1) Structure apparentée à celle des oses en C6, 3 formes : Réduite acide ascorbique Oxydée acide déhydroascorbique (Mono oxydée, instable) 11 Coenzymes redox hydrosolubles vitaminiques VitC : fonctions du CoE a) CoE des hydroxylases Hydroxylation de PRO et LYS pour former le collagène à partir du procollagène dans le tissu conjonctif Une carence en vitamine C ou scorbut se caractérise cliniquement par des anomalies des tissus de soutien : fragilité cutanée, déchaussement des dents. CoE de synthèse de la carnitine et des catécholamines : la dopamine béta hydroxylase transforme la dopamine en noradrénaline Catabolisme de PHE et TYR b) maintien des cofacteurs métalliques à l’état réduit (Fe++, Cu++) c) participe à la destruction des radicaux libres responsables de stress oxydatif : singulet O., hydroxyle OH. Coenzymes et vitamines Introduction et Généralités Coenzymes d’oxydoréduction Vitamines Coenzymes Coenzymes redox hydrosolubles vitaminiques Coenzymes redox non vitaminiques Coenzymes redox liposolubles vitaminiques Coenzymes de transfert de groupements Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B Coenzymes de transfert hydrosolubles non vitaminiques 12 Coenzymes redox non vitaminiques E1 L’acide lipoïque 1) Structure C’est un gr.prosthétique fixé à l’apoEnzyme par sa chaîne latérale 2) Mécanisme réactionnel Transporteur d’hydrogène dans des réactions de décarboxylation oxydative Coenzymes redox non vitaminiques La bioptérine 1) Structure C’est une ptéridine voisine de celle trouvée dans l’acide folique Forme quinonique : 7, 8 dihydrobioptérine 2) Le CoE est la 5, 6, 7,8 tétrahydrobioptérine = THB CoE des hydroxylases fixant l’O2 moléculaire : conversion de PHE en TYR, de TYR en L-DOPA de TRP en 5 hydroxy-tryptophane 13 Coenzymes redox non vitaminiques L’ubiquinone ou CoE Q Les ubiquinones sont des couples rédox liposolubles de la membrane mitochondriale de tous les tissus soit libres dans la matrice lipidique soit associée aux complexes protéiques. Chaîne isoprénique 6<n<10 L’ubiquinone ou CoE Q10 est la quinone portant une chaîne isoprénique à 10 chaînons, retrouvée chez les mammifères. Dans la chaîne respiratoire, elle relie les flavoprotéines au cytochrome b. Propriétés anti-oxydantes Coenzymes et vitamines Introduction et Généralités Coenzymes d’oxydoréduction Vitamines Coenzymes Coenzymes redox hydrosolubles vitaminiques Coenzymes redox non vitaminiques Coenzymes redox liposolubles vitaminiques Coenzymes de transfert de groupements Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B Coenzymes de transfert hydrosolubles non vitaminiques 14 Coenzymes redox liposolubles vitaminiques O 1 4 CH3 2 3 CH3 CH2 CH C Chaîne phytyle CH3 CH2 O CH2 CH2 CH CH2 3 H Vitamine K : Ensemble de substances dérivant du noyau 2 méthyl-1,4 naphtoquinone. 2 formes naturelles chez les végétaux : K1 ou phylloquinone chez les bactéries : K2 ou ménaquinone c’est la forme active chez les mammifères provenant - soit des bactéries intestinales - soit d’une synthèse à partir de la vitamine K1 dans le foie K3 ou ménadione Coenzymes redox liposolubles vitaminiques Coenzyme indispensable - pour la formation du tissu osseux - pour la coagulation sanguine : facteurs de coagulation vit K dépendants II, VII, IX et X : zymogènes non activables en l’absence de vit K par une carboxylase vitamino K-dépendante 15 Coenzymes redox liposolubles vitaminiques La vitamine E ou tocophérol le plus fréquent et actif: l’α tocophérol Une absorption défectueuse des graisses peut entraîner une carence en vitamine E. Dans le sang elle est liée à des lipoprotéines, les VLDL. C’est un anti oxydant prévenant la péroxydation ou auto-oxydation des acides gras poly-insaturés membranaires structure de l’α α tocophérol CH3 R HO CH3 6 1 CH3 O 2 CH2 CH3 CH2 CH2 CH CH2 3 H CH3 cycle chromane phytyle Coenzymes et vitamines Introduction et Généralités Coenzymes d’oxydoréduction Vitamines Coenzymes Coenzymes redox hydrosolubles vitaminiques Coenzymes redox non vitaminiques Coenzymes redox liposolubles vitaminiques Coenzymes de transfert de groupements Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B Coenzymes de transfert hydrosolubles non vitaminiques 16 Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B Vitamine B1 ou thiamine et TPP (thiamine pyrophosphate) 1) Structure de la vitamine -un noyau pyrimidine et un noyau thiazole sources alimentaires : céréales non raffinées et viandes carence chez l’homme : Béri-Béri (atteinte neurologique) 2) Le TPP ou thiamine pyrophosphate L’estérification du noyau thiazole par un pyrophosphate donne naissance au CoE thiamine di-phosphotransférase (foie et cerveau) thiamine TPP ATP AMP Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B La forme active du CoE est le CARBANION + N+ H+ C C 2 S (CH2 )2 O- P ~ P le carbone 2 du noyau thiazole peut facilement perdre un proton et fixe alors le groupement à transférer. 3) Mécanismes réactionnels C’est le coE des transferts d’aldéhyde Ex : décarboxylation oxydative des acides αcétoniques complexe de la pyruvate déshydrogénase (enzymes E1, E2, E3) CH3-CO-COOH + E1-TPP acide pyruvique CO2 + E1-TPP-CH3CHO acétaldéhyde E1 = pyruvate décarboxylase 17 Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B vitamine B6 et phosphate de pyridoxal 1) Il existe 3 formes vitaminiques dérivées de la pyridine R = CH2OH : pyridoxine = CHO : pyridoxal = CH2NH2 : pyridoxamine 2) Les CoE Le plus important est le phosphate de pyridoxal Sa forme active est un dérivé ester phosphate pyridoxal kinase Pyridoxal Phosphate de pyridoxal ATP ADP Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B Le ph. de pyridoxal est un système électronégatif, essentiel au mécanisme réactionnel. C’est un groupement prosthétique C’est un CoE primordial dans le métabolisme des acides aminés. 3) Mécanisme réactionnel a) R + H fixation du substrat (l’acide aminé) CH α COOH NH2 O C - O CH2 O P Interaction entre l’aldéhyde du ph de pyr et l’amine (en Cα) de l’AA. CH3 NH+ formation d’une base de Schiff ou imine initiale 18 Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B On obtient donc 3 imines transitionnelles distinctes : a : rupture C-H H b = rupture C-COOH + R αC HO racémisation COO H - R C N N CH CH transamination CH2 O P HO élimination d’un radical en Cα des AA R (ex Ser en Gly) H CO 2 Décarboxylation (ex His en histamine) CH2 O P CH3 CH3 c : rupture C-R C C OO N H2 CH O C H2 O P HO C H3 - NH d) hydrolyse de la liaison impliquée dans la base de Schiff libération du produit et régénération du CoE. Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B L'acide pantothénique (B5) et le Co A l'acide pantothénique précurseur d'un CoE fondamental : le Co A, transporteur de groupement « acyle » (RCOOH) et plaque tournante du métabolisme intermédiaire, 1) le Co A L’acide pantothénique réagit avec un dérivé de la cystéine, la cystéamine et avec l’ATP pour former le CoE actif, l’ATP est incorporé sous forme d’adénosine 3’, 5’ diphosphate + phosphopantéthéine c’est un co-substrat. le SH de la cystéamine est substitué par divers radicaux « acyle » le principal est l’acétyl dans l’acétyl Co A (CoA-S~COCH3) Cette substitution entraîne la formation d’une liaison riche en énergie 19 Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B Le CoA intervient dans le complexe de la pyruvate déshydrogénase (avec E2) comme source d’acétyl CoA à partir d’acide pyruvique et donc des glucides dans la synthèse du cholestérol comme source d’hydroxy méthyl glutaryl (HMG) CoA 2) Ac pantothénique précurseur du « bras » de l’acyl carrier protein (ACP) L’ACP comprend un groupement prosthétique formé par la phosphopantéthéine, relié à une sérine de la chaîne polypeptidique L’ACP forme un bras articulé au sein du complexe de l’acide gras synthase, qui sert d’ancrage à la chaîne d’acide gras en cours de biosynthèse Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B La vitamine B8 (ou H) ou biotine 1) La vitamine - est directement fournie par l’alimentation - peut être synthétisée par les bactéries à partir d’acide oléique très fortement complexée par l’avidine (complexe avidine-biotine très utilisé comme réactif en biologie) 2) Le CoE activée par l’ATP est reliée à une lysine de l’apoenzyme par une liaison amide Entraîne une activation du CO2 C’est le CoE des carboxylases assurant le transport du CO2 Ex : Le complexe CO2-biotine-enzyme dans la carboxylation du pyruvate, l’enzyme est la pyruvate-caboxylase. 20 Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B L’acide folique ou vitamine B9 Synthèse endogène mais insuffisante par la flore intestinale Complément alimentaire indispensable. noyau ptéridine + acide para amino benzoïque + acide glutamique N5 6 NH 10 H2N COOH CO NH CH N8 7 H (CH2)2 COOH le noyau ptéridine est réduit en position 5, 6, 7 et 8 Ptéroylglutamate = folate Le CoE est le tétrahydrofolate ou 5, 6, 7, 8, THF transporteur d’unités monocarbonées en N5 et /ou N10 FONCTION : Transfert de CH3 Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B La vitamine B12 ou cobalamine 1) Structure complexe : anneau corrine 4 pyrroles portant 1 atome de cobalt central lié au résidu aminé des 4 pyrroles. * la fixation d’un nucléotide donne la cobalamine * la liaison d’un 6ème groupement donne 4 formes de cobalamine : cyano-, hydroxy-, méthyl-, désoxy adénosyl2) les CoE sont la méthyl et la désoxy adénosyl cobalamine Chez l’Homme : Désoxy adénosyl cobalamine : une réaction d’isomérisation dans la mitochondrie : méthyl-malonyl CoA en succinyl CoA par la méthyl malonyl CoA mutase Méthyl cobalamine : une réaction de transfert de méthyle, cytoplasmique : Conversion combinée de l’homocystéine en méthionine et du méthyl THF en THF. Si carence en cobalamine déplétion cellulaire en THF (reste sous forme méthyl THF) 21 Coenzymes et vitamines Introduction et Généralités Coenzymes d’oxydoréduction Vitamines Coenzymes Coenzymes redox hydrosolubles vitaminiques Coenzymes redox non vitaminiques Coenzymes redox liposolubles vitaminiques Coenzymes de transfert de groupements Coenzymes de transfert hydrosolubles du groupe B Coenzymes de transfert hydrosolubles non vitaminiques Coenzymes de transfert hydrosolubles non vitaminiques ATP ADP AMP + Méthionine NH 2 N N 7 1 N N O O O 5' HO P γ OH O P β OH liaisons anhydrides O P α OH O S-Adénosyl méthionine O H2 C 4' 1' 3' liaison ester = 9 3 2' (donneur de CH3) OH OH Adénosine 22
