Catabolisme des acides aminés
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UE 3 – Biochimie clinique, Nutrition, Métabolisme Gonthier Date : 05/09/2015 Promo : DCEM1 Plage horaire : 10h – 12h Enseignant : Dr M-P. Gonthier Ronéistes : LEGRAND Jean Baptiste SAINT-ALME Sébastien Métabolisme des acides aminés et de l’azote (partie1) I. Introduction 1. Généralités 2. Structure des acides aminés (AA) 3. Classifications des acides aminés 4. Besoins en AA indispensables chez l'Homme II. Digestion des protéines alimentaires 1. Digestion intraluminale 2. Absorption entérocytaire des AA. 3. Maladies congénitales dues aux systèmes de transport 4. Métabolisme entérocytaire 5. Les différents types de catabolisme des protéines 6. La dégradation lysosomiale des protéines 7. Dégradation des protéines cellulaires par le système ubiquitine- protéasome (dans le cytoplasme) 8. Transport des acides aminés (via le sang) 9. Métabolisme hépatique III. Catabolisme des acides aminés 1. Catabolisme du squelette carboné : plusieurs devenirs en fonction des situations physiologiques 2. Catabolisme de la fonction amine NH₂ - FIN de la ronéo 3. Devenir de la chaîne carbonée de l’acide aminé 4. Bilan du devenir catabolique des acides aminés 5. Enzymes clés du métabolisme des acides aminés 6. Echange inter-organes en situation de jeûne (couple alanine/glucose) 1 sur 19 I. Introduction 1. Généralités Les acides aminés dans la cellule ont un rôle central. Ils peuvent être : - source d’énergie, car ils possèdent un pouvoir énergétique intrinsèque et peuvent donc servir de substrat énergétique/source d'énergie pour les cellules. Les AA issus des protéines alimentaires permettent de satisfaire 15 à 20% de nos besoins énergétiques (Pour rappel glucides: 50%; lipides: 30%). - précurseurs d'hormones et médiateurs cellulaires : rôle dans la régulation des grandes fonctions physiologiques. - des éléments constitutifs de protéines que notre organisme va devoir synthétiser dans le but d’assumer toutes nos fonctions physiologiques. L’origine des acides aminés est double : - Les AA peuvent provenir du catabolisme des protéines alimentaires. - Il peut aussi y avoir une synthèse de novo : les acides aminés libres pourront être produits lors du catabolisme de protéines endogènes et lors de l'interconversion des substrats énergétiques dans le schéma complexe du métabolisme énergétique. Le métabolisme résulte d’un équilibre dynamique entre le pool d'acides aminés et le pool de protéines dans l’organisme. En ce qui concerne les AA qui arrivent dans l'organisme en excès : une partie sera stockée sous forme de protéines, l'autre partie directement catabolisée pour donner de l’énergie car il n’a y a pas de stockage d’AA sous forme libre. 2. Structure des acides aminés Les acides aminés sont des acides carboxyliques α-aminés. Ce sont des molécules organiques, avec un squelette carboné, qui se caractérise par un carbone (central) α tétravalent dit asymétrique ayant des liaisons avec : − une chaîne latérale R : spécifique de chaque AA − une fonction COOH (= partie carboxylique) d’où le nom « d’acide », − une fonction NH2 (= fonction amine, qui contient l'atome d’azote) d’où le nom d’ « aminé », − un atome d'hydrogène (pour compléter la tétravalence de l'atome de carbone). 20 AA sont dits protéinogènes. Ils servent donc à la fabrication des protéines. 2 de plus (l’ornithine et la citrulline, dérivants tous les deux de l’arginine) ne sont pas impliqués dans la fabrication des protéines sous forme de liaisons peptidiques, mais dans le cycle de l’urée (dans l’uréogenèse au niveau du foie). Il existe 20 AA naturels ayant tous la structure citée ci-dessus, SAUF la glycine. La glycine est un AA à part car sa chaîne latérale R est un H. Elle n’est donc ni polaire, ni apolaire et n'a pas de carbone asymétrique. 2 sur 19 • La fonction carboxylique correspondant au carbone α et au reste de la chaîne carbonée va donner de l'énergie au moment du catabolisme des AA. • La fonction NH₂ correspond au groupement amine et l'atome d'azote va nécessiter un traitement particulier, car ce NH₂ sera susceptible de donner du NH₃ (ammoniac) qu’il faudra immédiatement éliminer par le cycle de l'uréogenèse (cycle de l'urée). • Le radical R permet à chaque AA d’avoir des propriétés physico-chimiques propres en termes de polarité, de charge électrique et de groupe réactif acide ou basique (groupement fonctionnel). L’AA peut s’ioniser : NH3+ - CH - COO-. Concernant la structure des 20 AA protéinogènes • AA apolaires : insolubles dans l’eau, hydrophobes. Retrouvés en général au coeur des protéines. • AA polaires ou hydrophiles : retrouvés à la surface pour interagir avec le solvant aqueux. Parmi ces AA polaires, certains sont neutres, d’autres chargés positivement dits basiques, d’autres chargés négativement dits acides. 3. Classifications des acides aminés Il existe plusieurs sortes de classifications. A. Selon leur structure D’après cette classification, 20 acides aminés naturels participent à la structuration / fabrication des protéines. Ils sont classés selon leur degré de polarité (donc selon la nature de la chaîne latérale R). 3 sur 19 Il y a 4 AA « rares » : − − − − Ornithine : peut être synthétisée de manière endogène, Homocystéine, Taurine, Citrulline. => Ce sont généralement des métabolites intermédiaires. B.Selon leur fonction et devenir métabolique − Les AA peuvent avoir une fonction de structure pour : → Les protéines, → Les bases puriques (glutamine) et pyrimidiques (glutamine, aspartate), → La créatine au niveau musculaire (arginine, glycine), → Le glutathion : un anti-oxydant très puissant ; permet à la glutathion peroxydase d'éliminer des radicaux libres comme H₂O₂). − Les AA peuvent avoir une fonction de substrats énergétiques : la ration protéique et donc les AA contribuent à hauteur de 20% de l'homéostasie énergétique journalière directe ou indirecte via la néoglucogénèse ou la cétogénèse. − Les AA peuvent servir de précurseurs d'hormones et médiateurs. - hormones : le tryptophane est l'unique précurseur de la sérotonine; la tyrosine est le précurseur des catécholamines et de la thyroxine. - neuromédiateurs : GABA ou ɣ-aminobutyrate est issu du glutamate. - NO (messager cellulaire) : monoxyde d'azote (ou oxyde nitrique : vasodilatateur des capillaires sanguins) dont la fabrication provient de la modulation de l'arginine. 4 sur 19 Les AA n’ont donc pas qu’un rôle de substrat énergétique C. Selon qu'ils puissent ou non être synthétisés par l'organisme Il s’agit d’une classification plutôt faite sous un angle nutritionnel, car seules les plantes et bactéries sont capables de fabriquer de façon autonome leurs propres AA. L'Homme adulte (et autres mammifères) est incapable de synthétiser 8 AA, qu'on appelle les AA essentiels : on ne peut les obtenir que via l'alimentation. Les AA non essentiels sont ceux qui peuvent être synthétisés. Cependant, pour les nourrissons, il y a 10 AA essentiels : les 2 AA en plus par rapport à l'adulte sont les AA semi-essentiels. Dans le tableau ci-dessous : les 20 AA de base, avec d’un côté ceux qui sont essentiels et de l’autre ceux qui ne le sont pas. L'histidine et l'arginine sont dits semi-essentiels car leur synthèse dépend de l’âge de l'individu : les nourrissons n'ont pas la capacité de les synthétiser, ainsi ils ont besoin d'un apport exogène → on les trouve dans le lait maternel ! Donc l'enfant allaité ne sera pas carencé. Même chez certains enfants et avant la puberté, l'histidine n'est pas synthétisée (elle n’est synthétisée que tardivement) : il y a donc parfois 10 AA essentiels chez les nourrissons et 9 chez les adultes. 4. Besoins en AA indispensables (en mg/kg de poids corporel/j) (Ces valeurs ne sont pas à apprendre) Tableau qui illustre les besoins en AA de l’individu selon l'âge (8 AA essentiels. Ici, il n'y a pas les AA semiessentiels). Selon la nature des AA et l'âge, il y a une très grande variabilité des besoins. Les quantités journalières sont plus importantes pour les individus jeunes. Cela est dû au fait qu'un enfant a besoin de 5 sur 19 beaucoup d'AA pour former ses tissus, ce qui ne concerne pas l’adulte. Les besoins en AA diminuent globalement avec l’avancée dans la vie car ce sont les AG qui prennent le relais. II. Digestion des protéines alimentaires Il ne faut pas oublier que les AA ont 2 origines : soit ils sont obtenus par digestion des protéines alimentaires (arrivée exogène d'AA), soit on les fabrique de novo par interconversion des substrats énergétiques. => La principale source d'AA reste l'apport alimentaire (sous forme de protéines). L'organisme va donc mettre en place un système de dégradation de ces protéines au niveau du tube digestif, afin que le foie puisse récupérer de la matière première sous forme libre (= sous forme d'AA). 1. Digestion intra-luminale A. Dans l'estomac Le bol alimentaire arrive ans l’estomac, ce qui entraîne la sécrétion d’une hormone appelée gastrine qui a deux actions : − Synthèse et sécrétion d’acide chlorydrique (HCl) par les cellules pariétales de l’estomac, ce qui va favoriser la dégradation des protéines. Le suc gastrique est donc acide. − Sécrétion d’un précurseur, le pepsinogène, par les cellules principales de l’estomac (c’est un précurseur = pro-enzyme = zymogène d'une enzyme protéolytique : la pepsine). Sous l’action du pH acide, le pepsinogène est dénaturé et activé en pepsine, une endopeptidase (coupe les chaines peptiques « en interne » et non pas aux extremités) : la digestion des protéines alimentaires et la libération des AA commencent. 6 sur 19 B. Dans le duodénum La digestion va se poursuivre au niveau de l’intestin grêle, plus précisément du duodénum. Il s'agit de la portion haute de l'intestin grêle. Il y a accélération du métabolisme des protéines alimentaires. Il y a donc des endopeptidases et des exopeptidases. Leur action combinée va libérer les acides aminés dans la lumière du tube digestif. Il y a aussi des peptidases dans le tube digestif, notamment dans la bordure en brosse. 1) Le bol alimentaire, au niveau du duodénum, va induire (par les mouvements de la paroi intestinale) la sécrétion d'une hormone : la CCK= la cholécystokinine. 2) En parallèle, l'acidité du bol alimentaire et du chyme entraine la sécrétion de sécrétine. => Ce cocktail hormonal (action conjuguée des 2 hormones) va permettre la synthèse et la sécrétion de sucs pancréatiques hyalins via le canal cholédoque (pH = 7) contenant d’autres zymogènes inactifs constituant le suc pancréatique: - le trypsinogène, et 3 autres précurseurs d'enzymes protéolytiques : - le chymotrypsinogène, - la proélastase, - des propeptidases. 3) Au niveau du suc pancréatique, le trypsinogène va être maturé en trypsine (= activé) par une endopeptidase. 4) Puis la trypsine auto-active sa synthèse et s’auto-catalyse (on dit qu'elle s'auto-entretient) ce qui permet, à partir de zymogènes inactifs, la synthèse de 3 enzymes protéolytiques : -la chymotrypsine, -l'élastase -des peptidases (endo et exopeptidases). L'action combinée de toutes ces peptidases (endopeptidases + exopeptidases) va cataboliser les protéines et libérer les AA dans la lumière du tube digestif. 2. Absorption entérocytaire des AA 7 sur 19 Ici, le but est de traverser les entérocytes et se retrouver au côté basal, du côté de la veine porte. A. Système spécifiques Ce sont : − soit des transporteurs sodium-dépendants, − soit des transporteurs sodium-indépendants. Quelque soit le transporteur, la quasi-totalité des AA va être prise en charge. Selon les sous-familles, il y a une déclinaison des transporteurs, selon leurs capacités de reconnaissance de la longueur de la chaîne carbonée, la polarité, la nature ionique des AA… • Transporteurs sodium-dépendant * Système A : reconnaît des AA à courte chaine carbonée et polaire (spécifique de l'Ala, mais peut aussi tranporter : Ser, Gly, Phe, Tyr, Trp). * Système ASC : pour les AA de faibles poids moléculaires (sans distinction de polarité) (Ala, Ser, Cys). * Système N : présent au niveau de l'entérocyte, mais identifié surtout au niveau hépatocyte et myocoyte (Gln, Asn, His). *Système X : AA anioniques (Asp et Glu). • Transporteurs sodium-indépendant * Système B ou ɣ+ : essentiellement pour AA cationiques (Arg, Lys, Orn). * Système T : présent au niveau des entérocytes, mais spécifique des érythrocytes et hépatocytes (Trp, Tyr, Phe). * Système L : spécifique des AA à chaine ramifiée et aromatiques (Leu, Ile,Val). * Système X : AA anionique, spécifique à Cys. Il ne faut pas connaître dans le détail ces transporteurs juste savoir qu’il en existe et les grandes familles. B.Système général : la ɣ-glutamyl-transpeptidase (GGT) C'est une enzyme qui va permettre : − d' « achever » la dégradation des petits peptides, − de transporter les AA du pôle apical vers l'entérocyte. C'est une enzyme/transporteur transmembranaire (important) retrouvé dans de nombreux tissus et en particulier au niveau du foie, à tel point qu’elle est considérée comme un marqueur de la fonction hépatique (en dosage au labo). C'est aussi le cas lors de la prise de médicaments comme les barbituriques en excès (surconsommation) : les hépatocytes vont être en déficit fonctionnel, ce qui va provoquer leur lyse et ainsi la libération de la GGT : le dosage de la GGT plasmatique circulante sera le reflet/ le marqueur immédiat d’une altération de la fonction hépatique. ⇨ Maladies du foie, du système biliaire et du pancréas + en cas de consommation abusive d'alcool (avec cirrhose hépatique) ou hépatite C : augmentation GGT sérique. 8 sur 19 Selon l’OMS, la valeur normale de GGT dans le sang est de : − 15-85 UI/L chez l’homme (c'est une large fourchette de valeur car son taux peut beaucoup varier avec l’âge). − 5-55 UI/L chez la femme. 3. Maladies congénitales dues aux systèmes de transport En cas d’anomalie de transport des AA, on va essayer de voir quel transporteur est impliqué. Les gènes de ces transporteurs sont parfois déficients, ce qui aboutit à des maladies congénitales ayant un impact sur le bon fonctionnement des systèmes de transport, c'est le cas de : • la lysinurie/cystinurie : défaut de fonctionnement du système de transporteurs entérocytaires, ce qui aboutit à une absorption importante/un passage anormal de ces AA (insensibilité aux concentrations et à la saturation). Comme il n'y a pas de stockage des AA libres, le foie et les muscles ne vont plus utiliser les AA, on va avoir une filtration glomérulaire abondante. On va ainsi observer la formation de cristaux qui vont provoquer la lithiase rénale : on retrouve de la cystéine et de la lysine en excédent dans les urines (et on aura altération de la filtration glomérulaire). • l'iminoglycinurie : maladie génétique à transmission autosomique récessive → désordre au niveau du transport tubulaire rénal → problème de réabsorption de la glycine mais aussi de la proline (qui en grande quantité se stocke sous forme d’hydroxyproline : défaut de maturation de la structure des protéines) : il y aura une élimination urinaire, ainsi on dose ces AA au niveau urinaire. • Maladie de Hartnup : absence totale de transporteurs d'AA neutres, en particulier du tryptophane → très forte photosensibilité cutanée (associée à la maladie de pellagre et en d’autres carences en macronutriments), atteinte neurologique selon l'âge de l'individu, hyper aminoacidurie. Ce sont des maladies très graves dans lesquelles il y aura un contrôle de l’hygiène alimentaire et de la prise médicamenteuses qui ont un impact sur le système rénal. 4- Métabolisme entérocytaire Une fois que l'AA a été véhiculé dans l'entérocyte, il commence à y avoir un métabolisme interne au niveau de l'entérocyte. Les AA commencent à être dégradés ou directement orientés vers le pôle basal, la veine porte et enfin le foie. Après la digestion pancréatique, 50% des AA sont libres, le reste est sous forme d'oligopeptides. Voici les principales enzymes de dégradation présentent à ce niveau. Peptidases membranaires : au niveau de la bordure en brosse et plus particulièrement au niveau des microvillosités (pôle apical des entérocytes), elles pourront finir de dégrader les oligopeptides • Aminopeptidases s'arrêtant aux di et tri peptides (ces di ou tri-peptide pourront quand même passer au niveau du foie); Les aminopeptidases sont induites par un taux élevé de protéines et réprimées par la carence protéique. Dipeptidase cytoplasmique : prennent le relais et achèvent de dégrader les di-peptides restants. Génération importante d’AA sous forme libre. 95% des protéines alimentaires sont efficacement dégradées à la fois en intra-luminal et en intraentérocytaire, pour générer une quantité importante d’AA libres qui seront absorbés ensuite. Une fois que les AA sont séparés les uns des autres au niveau des entérocytes (et donc sous forme libre), ils 9 sur 19 sont transportés au niveau du foie pour pouvoir être utilisés : • par oxydation (catabolisme oxydatif), • ou alors être stockés sous forme de protéines au niveau musculaire. /!\ Exception chez le nourrisson Les Ac de la mère (qui arrivent dans l’intestin du nourrisson) sont les seules protéines capables de traverser le tube digestif sans être dégradées : ils traversent la barrière entérocytaire du nourrisson. Ces Ac seront profitables au nourrisson, car il va pouvoir les utiliser pour se défendre. 5-Les différents types de catabolisme des protéines Comment le catabolisme des protéines est-il assuré au niveau cellulaire ? Il y a 4 grands types de dégradations possible des protéines dans le corps humain : → 1er cas : les protéases impliquées dans le démarrage de la digestion des protéines assimilées d’origine alimentaire : ce sont les protéases extracellulaires (protéases que l'on vient de voir plus haut, agissant au niveau de la lumière du tube digestif : pepsine, trypsine et chymotrypsine qui sont des endo et des exopeptidases). Elles sont sécrétées dans le fluide digestif intra-luminal. → 2ème cas : protéolyse intra-cellulaire dans le lysosome (petits organites contenant plusieurs protéases). Déclenché en situation d’insuffisance énergétique (jeûne). → 3ème cas : le système ubiquitine-protéasome (ATP-dépendant) qui présente un site ATP-dépendant : il prend en charge les protéines qui ont des anomalies de conformation structurale. On le retrouve au niveau du cytosol. Système de défense ou d’épuration intracellulaire, qui permet à la cellule d’éliminer des protéines qu’elle considère anormales. C’est un système ubiquitaire mais absent chez les procaryotes. → 4ème cas : autres protéases cellulaires capables de faire maturer ou de dégrader les protéines. Pour les cas 2, 3 et 4, il s'agit bien de protéines intracellulaires que la cellule va dégrader pour pouvoir les renouveler ! 10 sur 19 Il y a consommation d'une molécule d'eau pour pouvoir assurer la rupture de la liaison peptidique et donc la re-formation de la fonction carboxylique d'un AA et la fonction amine de l’autre. A l'inverse, quand on synthétise une protéine, on a une réaction de condensation. 6 - La dégradation lysosomiale des protéines en intracellulaire Le lysosome (qui contient de nombreuses protéases) sert à dégrader les protéines intracellulaires. Cette voie sera activée en condition de jeûne : la cellule se retrouve en déficience énergétique (insuffisance de glucose) et ne peut plus utiliser la voie du cycle de Krebs à partir du glucose pour générer de l'ATP : on va utiliser l'énergie des protéines cellulaires pour compenser le manque d'énergie exogène. Les protéines musculaires seront lysées par protéolyse pour que les AA puissent de nouveau permettre au foie de fabriquer du glucose par néoglucogénèse. L’activité du lysosome est augmentée afin de permettre à la cellule de dégrader ses protéines pour libérer des AA qui alimentent le cycle de Krebs, mais surtout pour permettre au foie de faire de néoglucogénèse. Le système lysosomial intracellulaire est puissant au niveau musculaire. Au niveau du lysosome, les protéines peuvent être dégradées grâce à des enzymes actives à pH acide = 5 : c'est un système pH-dépendant. L'activité des lysosomes est peu spécifique (le lysosome permet de dégrader les protéines de manière générale) son but est de renouveler les protéines intra cellulaires. 11 sur 19 7 - Dégradation des protéines cellulaires par le système ubiquitine-protéasome (dans le cytoplasme) Cette voie ne permet pas de produire de l’énergie ! Elle permet d’épurer la cellule ! Ce troisième type de dégradation des protéines fait partie du système de « poubelle interne » des cellules qui n’a pas grand chose à voir avec l’aspect énergétique et nutritionnel. C’est un système d’épuration des protéines lorsqu’elles sont vieilles. Il s'agit d'un contrôle interne au quotidien. Il va veiller à ce que les protéines cellulaires fabriquées soient toujours considérées comme de conformation normale. Ce système permet à la cellule de dégrader les protéines et de générer des AA, mais pas dans le but de répondre à un besoin énergétique, encore moins pour dégrader les protéines alimentaires. C'est pour contrôler la synthèse protéique et vérifier que la cellule ne se mette pas à fabriquer des protéines qui soient de conformation anormale : il s'agit d'un système de gardefou interne. Le protéasome est un système multi-enzymatique fait de protéases extrêmement complexes. 5 grands complexes sont identifiés aujourd’hui. Ceux-ci vont nécessiter que la protéine soit reconnue par un signal qui s’appelle l’ubiquitine. Le système va différencier les protéines normales des protéines anormales par certains motifs. Les protéines qui doivent être dégradées par le protéasome doivent avoir une « casquette » d’ubiquitine : ubiquitinées. Celles qui sont anormales seront immédiatement dégradées pour éviter une altération de la fonction cellulaire. 12 sur 19 C'est une reconnaissance purement structurale. Le système va reconnaître les protéines à dégrader lorsqu'il y a un élément structural qui n'est pas considéré comme du soi. Les protéines synthétisées en intracellulaire sont souvent (à 95%) de forme globulaire : − le cœur contient des AA hydrophobes apolaires, − les chaînes latérales des AA sont extérieures, on y trouve des AA hydrophiles polaires. => Ça correspond à une conformation de protéines normale. Donc ces protéines ne sont pas reconnues par le système ubiquitine E1. Cette organisation permet à la cellule de reconnaître les cellules présentant une anomalie structurale. Les protéines ayant un défaut de fabrication ont une structure anormale : − présentation d'au moins 1 ou 2 AA hydrophobes apolaire exposés en extérieur. La fonction NH3+ des AA apolaires sera reconnue par le système ubiquitine. => Ces protéines seront reconnues comme étant des éléments du non-soi. => La chaîne d'ubiquitine va venir se fixer aux AA hydrophobes et la protéine sera dégradée par le système ubiquitine-protéasome. De plus, ce système permet, outre le fait de dégrader d'avance les protéines de conformation anormale, de réguler la durée de vie des protéines au cours du temps. (Chaque protéine a une durée de vie déterminée. D'ailleurs, au cours de sa vie, sa conformation va changer et il y aura modification du coeur hydrophobe avec exposition d'AA hydrophobes vers l'extérieur, qui vont servir de système de reconnaissance par le système E1) Le résidu N-terminal est important pour le contrôle de la vitesse d’ubiquitination. Quand on a affaire à des protéines qui contiennent des AA beaucoup moins stables, on aura une vitesse d'ubiquitination augmentée. 8-Transport des acides aminés (via le sang) Les protéines sont dégradées au niveau de l'intestin. Une fois que les 95% des AA libres sont absorbés par la voie entérocytaire, ils sortent de l'intestin et sont véhiculés vers le foie par la veine porte. Ceci dans le but de produire de l’énergie. Le foie va laisser passer certains AA au niveau musculaire. Les AA arrivant au niveau du foie sont métabolisés par désamination ou transamination. Ils sont détachés de leur fonction amine, la chaîne carbonée restante est oxydée. Cette oxydation va aboutir à différents substrats 13 sur 19 qui peuvent eux-mêmes pénétrer le cycle de Krebs. Ensuite, la dégradation de la chaîne carbonée génère des métabolites (pyruvate, oxaloacétate…), substrats du cycle de Krebs. Il y a donc un lien direct avec la production d’énergie. Le foie utilise ce dont il a besoin pour sa propre énergie. Il libère les AA dans le sang, dont une grande partie est transportée étant liée à l’albumine. Ils sont véhiculés vers les organes qui en ont besoin pour leur propre synthèse et stockés au niveau du muscle sous forme de protéines (la capacité de stockage est dépendante des individus). S’il y a un excès d’AA, ils retournent au foie et sont dégradés par oxydation. Il n’y a pas d’excédent. Ronéo 2014 Le foie va : − prendre en charge l'alanine (+++) et les AA non ramifiés au niveau de la chaîne latérale, − réorienter les AA ramifiés vers les muscles (flèche à changer sur la diapo : les AA ramifiés passent par l'intermédiaire du foie avant d'aller dans les muscles, il n'y a pas de transfert direct). Il y a une interconversion de substrats entre le muscle et le foie : l'alanine est un AA glucoformateur qui va être pris en charge principalement par le foie. → En cas de suffisance énérgétique : les AA libres qui arrivent au foie servent à la re-synthèse de protéines ou seront relargués dans la circulation sanguine pour aller dans les autres organes. → En cas d'insuffisance énérgétique : l'alanine va être le principal AA glucoformateur, elle va permettre la synthèse de glucose après avoir été désaminée. Pour les AA arrivant au niveau du muscle, il y a plusieurs possibilités : → En cas de suffisance énergétique : les AA seront stockés sous forme de protéines. → En cas d'insuffisance énergétique : les AA seront oxydés (AA → céto-acide → dégradation). Là aussi, lors de la dégradation de l'AA, la cellule devra se débrouiller pour se débarrasser de la fonction ammoniac. NB : les AA peuvent circuler libres ou ramifiés au niveau sanguin (question QCM !!!). 9 - Métabolisme hépatique Les principales régulations hormonales se font par l’insuline, l’hormone de croissance (GH), et les catéholamines. Ils ont des rôles anabolisants. Les hormones considérées comme catabolisantes sont : - le glucagon, - le cortisol. Les hormones anabolisantes, qui vont favoriser le stockage des AA sous forme de protéines : - l’insuline principalement, - l’hormone de croissance, - les catécholamines. Les hormones thyroïdiennes sont catabolisantes à fortes concentrations et anabolisantes à basses concentrations. Au niveau du foie, plusieurs voies cataboliques existent. Ils peuvent être : − transaminés (on enlève une fonction NH3 et ils vont être interconvertis pour être transformés en l’un des métabolites possibles de voie d'entrée du cycle de Krebs), − oxydés (catabolisme), − incorporés dans les synthèses protéiques (anabolisme). 14 sur 19 Il n’y a pas de stockage des AA libres au niveau du foie (important !) : ils sont systématiquement utilisés pour de l'énergie ou convertis en protéines. Si excès → catabolisme. Ronéo 2014 Le foie est incapable de métaboliser les AA ramifiés, c'est pour cela qu’il les véhicule immédiatement vers les muscles. Au niveau digestif, les paramètres qui vont déterminer les entrées et sorties sont les quantités puis la nature de la molécule qui va passer. Au niveau du système général et en particulier au niveau musculaire, il y aura une régulation plus fine par des messagers de type endocrinien. III- Catabolisme des acides aminés Les AA arrivent dans les cellules, qui ont des besoins énergétiques. Les acides aminés vont être catabolisés afin de refournir de l’énergie. Il existe différentes possibilités pour le catabolisme des acides aminés, qui implique 2 parties importantes (puisqu’un acide aminé est un acide carboxylique α-aminé). De plus, au moment du catabolisme des acides aminés, il existe un grand danger pour l’organisme à cause de la fonction amine. Il va donc y avoir un traitement spécial de la fonction amine et un traitement spécial pour le reste de la chaine carbonée. Pour qu’un AA génère de l’énergie, il doit dans un premier temps se débarrasser de son groupe NH3+. 1. Catabolisme du squelette carboné : plusieurs devenirs en fonction des situations physiologiques Selon la nature du squelette carboné, plusieurs devenirs en fonction des situations physiologiques : • Lorsque l’on est loin de la situation postprandiale et que l’on a besoin de glucose, la néoglucogenèse est sollicitée pour cataboliser les acides aminés en vue de former du glucose. • Si la néoglucogenèse ne suffit plus, il y a formation de corps cétoniques via la cétogenèse. • Il peut également y avoir la formation d’acides gras grâce à la lipogenèse. • De plus, en situation où l’on a un besoin immédiat d’énergie il peut y avoir une oxydation directe, une production d’énergie par le biais du cycle de Krebs et de la chaine respiratoire. La cellule se débrouille pour cataboliser chacun des 20 AA en un métabolite capable de pénétrer le cycle de Krebs, et ainsi former de l’ATP. Selon les voies cataboliques dans lesquels les AA s’engagent, on distingue : • Les acides aminés glucoformateurs (grande majorité des AA) : en situation de jeûne relativement court (déficit glucidique), l’oxydation de leur chaîne va aboutir à la formation de différents métabolites intermédiaires du cycle de Krebs : - Ser, Ala, Cys, Thr, Trp ➔ Pyruvate qui peut donner du glucose en remontant la glycolyse en sens inverse, - Asn ➔ Asp ➔ OAA, - Phe ➔ Tyr ➔ Fumarate, - Ile, Val, Met, Thr ➔ Succinyl-CoA, - Glu, Gln, Pro, Arg, His ➔ alphacétoglutarate. • Les acides aminés cétogènes : en situation de jeûne plus prononcé, production de corps cétoniques, uniquement dans le foie. - Leu ➔ HMG CoA, - Phe ➔ Tyr ➔ Acétoacétate, - Trp, Lys ➔ Acétoacétyl CoA, 15 sur 19 Ile ➔ AcétylCoA. La leucine et la lysine sont exclusivement cétogènes. Les autres sont également glucoformateurs. Ces molécules (HMG CoA, acétoacétate, acétoacétylCoA) sont des intermédiaires de formation des corps cétoniques et des acides gras. - • Les acides aminés lipogènes : tous selon la chaine, en situation de jeûne très prolongé. - Malate ➔ Pyruvate ➔ AcétylCoA ➔ Citrate ➔ MalonylCoA ➔ ➔ Acide Gras Les AA sont finalement des molécules à plasticité énergétique, qui grâce à ces processus d’interconversion, peuvent répondre aux besoins de l’organisme (régénérer du glucose ou des corps gras) : l’individu ne meurt pas tout de suite de carence énergétique, et il faut un épuisement important de ces stocks d’AA avant que cela n’arrive… Par contre, une carence en micronutriments (dont vitamines ex : Acetyl coA qui est en fait la vitamine B5) en plus de la carence énergétique va accélérer l’altération de l’individu. /!\ Il est juste important de savoir qu’il existe 3 types d’AA qui peuvent être catabolisés en vue de générer d’autres substrats = notion d’interconversion des substrats énergétiques. Il n’y aura pas de question sur le fait qu’un AA particulier appartienne à tel ou tel type d’AA. 2. Catabolisme de la fonction amine NH₂ Zoom sur une liaison peptidique entre 2 acides aminés : l’AA1 est couplé au 2ème AA par une liaison peptidique qui peut être rompue par une peptidase. On peut donc récupérer de l’AA1 ou 2, et chacun aura un devenir particulier concernant la chaîne carbonée en fonction de la nature du radical, mais les 2 fonctions amines, elles, auront le même devenir. Après séparation des 2 acides aminés par la peptidase, les 2 fonctions amines, éliminées car la cellule n’a besoin que du squelette carboné pour générer de l’énergie, sont immédiatement prises en charge. En effet, ces dernières n’étant pas stables elles donneront du NH4+ extrêmement toxique et représente un danger permanent pour les cellules. En effet, l’ammonium est un fort perturbateur du gradient de protons et des électrons de la chaîne respiratoire ce qui est délétère car nuit au bon fonctionnement de l’ATP synthase. Rappel : lors de la respiration cellulaire, le transport d’électrons génère un flux de protons qui seront utilisés par l’ATP synthase. Si l’on ne neutralise pas l’ammonium, NH₄⁺ sera un puissant découplant qui va shunter la chaîne respiratoire en captant les protons, ce qui empêchera l’ATP synthase de fonctionner. La cellule finit par mourir par carence énergétique du à des déficiences mitochondriales. 16 sur 19 Il va y avoir une neutralisation de la fonction ammonium. Ceci va générer de la glutamine en grande quantité au niveau du foie et des tissus périphériques. En fait, l’ammoniaque issu de la dégradation des AA arrive en grande quantité au niveau de tissus périphériques, et il fusionne avec du glutamate pour générer de la glutamine. La glutamine va prendre en charge ce glutamate pour l’envoyer au niveau de deux organes clés : - le foie : la glutamine est à nouveau désaminée pour libérer du NH3 et du glutamate. - les reins : la glutamine va également redonner du glutamate et du NH3, converti en ammonium NH4+. L’ammonium sera sécrété sous forme de chlorure ammoniaco au niveau des urines (ClNH4+). Tout tissu périphérique se donne ainsi le moyen d’éliminer l’ammoniaque. Tout tissu capable de dégrader des AA pour générer de l’ATP a un problème majeur : il doit absolument neutraliser l’ammoniac. Cette neutralisation passe par une amination du glutamate en glutamine. Cette glutamine sort de tous les tissus périphériques et arrive au niveau du foie. A ce niveau, elle va être désaminée pour former du NH3, pris en charge par le cycle de l’urée. Il y a ainsi formation d’urée qui est ensuite envoyée vers les reins pour être excrétée dans les urines. 17 sur 19 Quelque soit le tissu, il faut se débarrasser du NH3+. C’est la première étape INDISPENSABLE avant de s’occuper de la chaîne carbonée pour former de l’énergie. Le foie a la capacité de neutraliser très rapidement l’ammoniac en l’utilisant pour la synthèse d’urée. La fonction amine sera alors véhiculée au niveau du foie pour subir le cycle de l’urée ou uréogenèse alors que le squelette carboné intègrera le cycle de Krebs. Le cycle de l’urée associe 2 molécules d’ammoniac à 1 molécule de CO2 pour produire de l’urée, ce qui permet d’éliminer le NH3+ par filtration rénale dans les urines. ATTENTION QCM : le cycle de l’urée ou uréogénèse est un mécanisme strictement hépatique. Il ne se fait pas au niveau des reins. Le rein intervient uniquement dans l’élimination de l’urée. (le cycle de l’urée n’est pas à connaître par cœur) Remarque : par ailleurs il ne faut pas oublier de se poser la question du bilan de l’urée chez un individu à pathologie hépatique, même si cela n’a rien à voir avec la fonction rénale. 18 sur 19 On se met à l’échelle d’une cellule hépatique qui doit se débarrasser du NH3+. Le NH3 libéré est associé à une molécule de CO2 et à de l’ATP pour générer du carbomoyl-phosphate qui va être condensé avec de l’ornithine (dérivée de l’arginine) pour former de la citrulline. La citrulline va ellemême être condensée avec de l’aspartate fournie par le cycle de Krebs et donner de l’arginosuccinate. Celuici est clivé par une lyase en fumarate qui réalimente le cycle de Krebs. Finalement l’arginine est désaminée par une arginase et donne la molécule d’urée éliminée dans les urines. On a affaire à deux enzymes mithochondriales, le reste est cytosolique. Il y a un vrai couplage entre le cycle de l’urée et le cycle de Krebs. Ce cycle de l’urée n’est pas à connaître par cœur, il est néanmoins à noter que des enzymes sont impliquées et peuvent être utilisées comme marqueurs pour évaluer la capacité d’un individu à assurer ce cycle de l’urée. Des enzymes en particulier et qui peuvent servir de marqueurs (on peut les doser) : - 2 enzymes exclusivement mitochondriales : la carbamoyl-phosphate synthétase et l’ornithinecarbamoyl transferrase, qui vont alimenter le cycle de Krebs (par le fumarate); - ainsi que l’arginase qui génère l’ornithine et l’urée. Cette enzyme est utilisée actuellement en biochimie clinique pour évaluer le cycle de l’urée. Remarque : l’urée reste quand même le premier marqueur du cycle de l’urée !! Ainsi, chez une personne en insuffisance hépatique (cancer, cirrhose) il y aura un déficit de production d’urée et donc une libre circulation du NH₃+ qui est connu pour une altération de la respiration mitochondriale (notamment en cas de cirrhose). (ronéo année dernière) Il y a donc une boucle qui s’auto-entretient jusqu’à la mort des hépatocytes. Il existe aussi des personnes présentant des déficits au niveau des enzymes mitochondriales ce qui aura pour conséquence une accumulation d’ammoniac. 19 sur 19
