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COENZYMES ET VITAMINES
Chapitre 3
Pr C. ZINSOU
OBJECTIFS
De l’enseignant :
•
•
•
Donner les structures et caractéristiques fonctionnelles des coenzymes usuels rencontrés dans
le métabolisme et qui déterminent souvent le type de réactions
Indiquer pour chaque sous-classe d’enzymes les coenzymes impliqués, leur structure et leur
mécanisme d’action
Introduire la notion de séquence de réactions catalysées par des enzymes dont l’ordre
d’intervention est déterminé par les coenzymes impliqués. Illustration fournée par l’oxydation du
pyruvate par la pyruvate déshydrogénase.
De l’étudiant :
•
•
•
•
Apprendre les rôles et les mécanismes d’action des coenzymes usuels.
Apprendre à déterminer pour chaque coenzyme les sous –classes d’enzymes pour lesquelles il
peut servir de cofacteur.
Connaître les principaux coenzymes notamment les couples NADH,H+/NAD+
NADPH,H+/NADP+ FADH2/FAD impliques dans les réactions de transport d’hydrogène et
d’électrons, les sites réactionnels et leurs modes d’action.
Connaître la séquence de réactions d’oxydation du pyruvate en acétyl-CoA, la composition du
complexe multi-enzymatique, l’ordre d’intervention des coenzymes impliqués. Connaître la
formule semi-dévelopée du pyruvate et de l’acétyl-CoA.
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PLAN
OBJECTIFS
1 - INTRODUCTION - PROPRIETES
2 - LES COENZYMES D'OXYDOREDUCTION
2.1 - COENZYMES NICOTINIQUES OU PYRIDINIQUES
2.1.1 – PROPRIETES ET STRUCTURE
2.1.4 – MECANISME DE FORMATION DU COMPLEXE ENZYMATIQUE ET DE LA CATALYSE
2.2 - LES COENZYMES FLAVINIQUES
2.2.1 – PROPRIETES ET STRUCTURE
2.2.2 – MECANISME D’ACTION
2.2.3 – PRINCIPALES FLAVOPROTEINES MEMBRANAIRES
2.3 - LES COENZYMES QUINONIQUES : UBIQUINONE ET PLASTOQUINON²E
2.4 - LES METALLOPORPHYRINES : CYTOCHROMES ET PEROXYDASES
2.4.1
- CYTOCHROMES
2.4.2 – CATALASES ET PEROXYDASES
2.4.3 - OXYGENASES
2.5 - PROTEINES FER-SOUFRE
3 - LES COENZYMES DE TRANSPORT DES RADICAUX MONOCARBONES
3.1 - COENZYME DE TRANSPORT DE CO2
3.1.1 – BIOTINE OU VITAMINE H
3.1.2 – VITAMINE K (pour mémoire)
3.2 - COENZYMES DE TRANSPORT DE RADICAUX AUTRES QUE CO2
3.2.1 - S-ADENOSYL METHIONINE
3.2.2 - ACIDES FOLIQUES (LES FOLATES)
4 - COENZYMES DE TRANSPORT DE RADICAUX A DEUX OU PLUSIEURS CARBONES
4.1 - THIAMINE PYROPHOSPHATE (TPP)
4.3 - LE COENZYME A ou HSCoA
4.3.1 – ACTIVATION DE L’ACETATE ET DES ACIDES GRAS
4.3.2 – REACTIONS DE CARBOXYLATION
4.4 – ILLUSTRATION DE NOTION DE SEQUENCE DE REACTIONS ET DE COMPLEXE MULTIENZYMATIQUE
5 - COENZYME DES AMINOTRANSFERASES : LE PYRIDOXAL PHOSPHATE
_
3
1 - INTRODUCTION - PROPRIETES
Certaines enzymes fonctionnent avec des coenzymes ou cofacteurs. Les
coenzymes ou cofacteurs sont des métabolites non protéique, de faible masse moléculaire
comparée à la masse moléculaire des enzymes.
- Ils ont une structure simple.
- Ils agissent à faible concentration et doivent, comme les enzymes, être régénérés
à la fin d’une réaction ou d’une séquence de réactions
- Ils sont libres ou associés à l’enzyme.
- ils sont thermostables.
Lorsqu’il est libre, le coenzyme (Co) s’associe au moment de la catalyse à la partie
protéique appelée ‘’apoenzyme’’ (E) pour former le complexe fonctionnel apoenzymecoenzyme (E-Co) appelé Holoenzyme. Dans ce cas ces coenzymes prennent le nom de
“ coenzymes vrais ” ou coenzymes cosubstrat.
D’autres enzymes comportent dans leur structure le coenzyme. Ce dernier est lié à
l’apoenzyme par une liaison covalente. Le coenzyme est alors appelé groupement
prosthétique de l’enzyme et a un rôle activateur.
C’est sous la forme d’holoenzyme que l’enzyme acquiert une spécificité pour son
substrat. Cette spécificité peut être :
- étroite : l’enzyme n’agit que sur un substrat : la glucokinase ne phosphoryle que le
glucose
- lâche : l’enzyme intervient sur un groupe de substrats ayant une communauté de
structure : l’hexokinase phosphoryle tous les hexoses.
Les coenzymes sont introduits dans l'organisme des mammifères par l'alimentation
sous forme de vitamines ou de facteurs de croissance qui sont des composés
indispensables au métabolisme, agissant à dose faible, et non synthétisés par l'organisme.
Presque toutes les vitamines hydrosolubles et liposolubles connues sont impliquées
dans la structure des coenzymes sauf la vitamine C (hydrosoluble) et la vitamine A
(liposoluble).
Les coenzymes ont des fonctions d'accepteurs et de transporteurs de radicaux
libérés au cours de la catalyse. Ils fixent et transportent :
- des hydrogènes et des électrons dans les réactions d'oxydoréduction.
- des radicaux autres que l'hydrogène et les électrons dans les autres réactions.
Ils transportent le radical d'un composé A à un composé B. La réaction globale catalysée
est la suivante :
A-R + B → A + B-R (échange du radical R entre A et B)
La catalyse va comporter les étapes suivantes :
Ø A-R + E-Co → A + E-Co-R (étape 1 : prise en charge du radical)
Ø E-Co-R + B → B-R + E-Co (étape 2 : transport sur B)
Ø E-Co → E + Co
(étape 3: dissociation de l’holoenzyme uniquement s’il s’agit
d’un coenzyme cosubstrat)
4
2 - LES COENZYMES D'OXYDOREDUCTION
Ils participent aux réactions d’oxydoréductions en transportant des atomes
d’hydrogène sous forme d’électrons et de protons (NAD+, FAD, etc.) ou uniquement des
électrons (cytochromes, etc.). On les rencontre dans toutes les réactions d’oxydoréduction
cellulaire et dans les séquences de transports d’électrons organisés comme la respiration
ou la photosynthèse. Les enzymes qui catalysent les réactions dans lesquelles sont
impliqués ces coenzymes sont des déshydrogénases ou des réductases (Voir le
chapitre : nomenclature des enzymes et types de réactions). On distingue : les coenzymes
nicotiniques ou pyridiniques, les coenzymes flaviniques, les coenzymes quinoniques, les
metalloporphyrines et les protéines fer-soufre.
2.1 - COENZYMES NICOTINIQUES OU PYRIDINIQUES
Ces coenzymes ont une répartition universelle puisque toutes les cellules en
contiennent. Ils dérivent du nicotinamide ou vitamine PP. Les structures de NAD+ et
NADP+ son fournies sur la figure 1.
Les deux types les plus représentés sont :
- NAD+ : Nicotinamide Adénine Dinucléotide
- NADP+ : Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate
2.1.1 – PROPRIETES ET STRUCTURE
Ce sont des petites molécules solubles. On en trouve en partie à l'état libre dans les
mitochondries, chloroplastes et dans le cytosol. Ils ont le même potentiel rédox (E°’ = - 032
V) et interviennent tous les deux dans les réactions d'oxydoréduction de l'alcool vers l'acide
carboxylique ou vice-versa. La réaction catalysée est la suivante à partir des alcools
primaires:
R-CH2OH + NAD(P)+←→ R-CHO + NAD(P)H,H+
R-CHO + NAD(P)+ + H2O ←→ R-COO- + H+ + NAD(P)H,H+
Tout en ayant le même potentiel d'oxydoréduction ils sont associés à des
apoenzymes qui leur sont spécifiques et déterminent les types de réactions catalysées. Le
NAD+ intervient généralement sous forme oxydée et prend en charge les électrons et les
protons dans les déshydrogénations cataboliques, autrement dit, NAD+ intervient dans les
systèmes de dégradation ou de catabolisme conduisant à la récupération d'énergie. NADP+
intervient souvent sous forme réduite (NADPH,H+) et est associé aux déshydrogénases
(réductases) dans les réactions de synthèse. Dans la cellule il y a des déshydrogénases à
NADH,H+/NAD+ et des déshydrogénases à NADPH,H+/NADP+ bien que certaines acceptent
les deux. Ces deux couples sont rarement interchangeables car les produits peuvent êtres
très différents.
Exemple :
Malate + NAD+ ←→ oxaloacétate + NAD+
Malate + NADP+ → Pyruvate + CO2 + NADPH,H+
Ces deux réactions sont catalysées par 2 malate déshydrogénases.
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CONH2
N
Nicotinamide
H
H
H
CONH2
CONH2
N+
O
O P
-
O
CH2
N+
O
+ H-H
H
O
O P
O
CH2
H
- H-H
H
H
OH
OH
O
N
O P
O
O
O P
O
OH
H
OH
N
O
H
OH
H
OH
H
NADH,H+
H
H
CONH2
CONH2
N+
O
CH2
N+
O
+ H-H
H
O
O P
O
CH2
H
- H-H
H
H
OH
OH
O
O P
O
NH2
N
O
O
H
OH
O
H
H
O
P
OH
H
OH
O
O P
O
O
O-
NADP+
N
N
CH2
O
H
H
OH
O
H
O-
NH2
N
N
-
H
H
N
CH2
+ H+
O
H
H
N
N
-
N
O
H
H
O
O P
N
CH2
NAD+
-
NH2
N
O
H
H
OH
N
-
H
OH
O
CH2
H
H
H
N
N
-
NH2
+ H+
O
H
H
O
P
O-
O-
NADPH,H+
Figure 1 – Structure des deux coenzymes nicotiniques dérivés du nicotinamide (Vit PP). Le
couple NAD+/NADH,H+ est un accepteur ou donneur dans les réaction d’oxydoréduction du
catabolisme. Le couple NADP+/NADPH,H+ intervient par sa forme réduite comme donneur
d’électrons dans les réactions de biogenèse.
2.1.2 – MECANISME DE LA PRISE EN CHARGE DES ELECTRONS ET DES PROTONS
Le site réactif du coenzyme se situe au niveau du noyau pyridine et les étapes de
réaction sont les suivantes
- Le premier électron neutralise la charge positive sur l'azote quaternaire, le second
neutralise un proton qu'il transforme en H qui se fixe sur le carbone 4. Il reste un proton qui
accompagne la molécule réduite d'où l'écriture NADH,H+ et NADPH,H+.
6
- Sous forme oxydée ces coenzymes n’ont qu’une seule bande d'absorption à 260
nm, due au noyau adénine
- La réduction de NAD+ ou NADP+ s'accompagne d'une modification caractéristique
de leur spectre d'absorption. Lorsqu'ils sont réduits sous la forme NADH,H+ ou NADPH,H+
il apparaît une bande supplémentaire à 340 nm (due à la réduction du noyau pyridine).
L’absorbance lue à cette longueur d'onde permet d'évaluer la proportion de NAD(P)H,H+
présent dans la solution. Cette propriété est utilisée pour leur dosage ou pour le dosage
des composés dont les réductions ou oxydations leur sont couplées.
2.1.3 – EQUILIBRE DES DESHYDROGENASES A PYRIDINE NUCLEOTIDE
Les couples NAD+/NADH,H+ et NADP+/NADPH,H+ ont un E°' de - 0,32 V. Les
systèmes qui ont un potentiel E°' plus élevé ou très proche auront tendance à accepter les
électrons de leurs formes réduites NADH,H+ ou NADPH,H+. Voici quelques exemples :
3-P-glycéraldéhyde + Pi ←→ 3-Phosphoglycéroyl 1-P + 2e + 2H+
E°'= -0,29
+
+
+
NAD +2e + 2H ←→NADH,H
E°'=-0,32
+
+
3-P-glycéraldéhyde+ Pi + NAD ←→ NADH,H + 3-P-glycéroylphosphate
NADH,H+ ←→ NAD+ + 2e + 2H+
Pyruvate + 2e + 2H+ ←→ lactate
Pyruvate + NADH,H+ ←→ lactate + NAD+
E°'= - 0,32 V
E°'= - 0,185
2.1.4 – MECANISME DE FORMATION DU COMPLEXE ENZYMATIQUE ET DE LA
CATALYSE
Le NAD+ se fixe d'abord sur l'apoenzyme pour former l'holoenzyme. Ce dernier fixe
ensuite le substrat pour former un complexe ternaire au niveau duquel se font les échanges
des électrons et des protons. Les étapes sont les suivantes :
Ø E + NAD+ ←→ E-NAD+
(holoenzyme)
+
+
Ø E-NAD + SH2 ←→ H2S-E-NAD (Complexe ternaire)
Ø H2S-E-NAD+←→ S-E-NADH,H+
(Echange des électrons et des protons)
Ø S-E-NADH,H+ → E-NADH,H+ + S (Libération du produit)
Ø E-NADH,H+ → E + NADH,H+ (Dissociation de l’holoenzyme)
2.2 - LES COENZYMES FLAVINIQUES
Ces coenzymes sont des composés hydrosolubles, de couleur jaune. Ils dérivent de
la vitamine B2 ou riboflavine. On distingue :
- la flavine mononucléotide (FMN) qui est l'ester phosphorique en 5' de la riboflavine.
Elle est membranaire et intervient dans le transport d’électrons dans la chaîne respiratoire;
- et la flavine Adénine nucléotide (FAD), cytosolique, qui comporte un 2 e nucléoside
uni au premier par une liaison pyrophosphate.
FMN et FAD sont des coenzymes d'une cinquantaine d'enzymes répandues dans toutes les
cellules vivantes.
2.2.1 – PROPRIETES ET STRUCTURE
Les coenzymes flaviniques sont liés à leur apoenzyme par une liaison covalente.
L’ensemble a la structure d’holoenzyme. On les appelle encore flavoprotéines. Les
coenzymes constituent les groupements prosthétiques de ces enzymes. La partie réactive
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du FAD et du FMN qui participe à l'oxydoréduction est le noyau diméthylisoalloxazine de la
riboflavine (figure 2). Le potentiel redox de la flavine en variable en fonction de l’apoenzyme
à laquelle elle est fixée. Les déshydrogénases flaviniques catalysent les réactions
responsables de la formation ou de la réduction des doubles liaisons. Les réactions dans
lesquelles elles sont impliquées sont du type :
R-CH2-CH2-R1 + E-FAD ←→ R-CH=CH-R1 + E-FADH2
SH2 + E-FMN ←→ S + E-FMNH2
O
O
N
HN
O
N
N
CH3
HN
CH3
O
O
N
N
N
CH3
HN
CH3
O
N
(CHOH)3
(CHOH)3
- H2
CH2
CH2OH
-
Riboflavine (Vit B2)
CH2
O
O P O
O-
-
FMN
N
HN
O
N
N
HN
CH3
O
+ H2
CH2
NH2
CH2
O
OP O
- O
O
OP
O
N
-
N
CH2
O
H
H
H
H
OH OH
FAD
N
N
N
H
H
N
CH3
N
CH3
CH4
- H2
(CHOH)3
O
O P O
O-
FMNH2
O
CH3
CH3
CH2
+ H2
(CHOH)3
CH3
N
H
CH2
CH2
O
H
N
(CHOH)3
NH2
CH2
O
OP O
- O
O
OP
O
N
N
N
N
CH2 O
H
H
H
H
OH OH
FADH2
Figure 2 – Structure des deux coenzymes flaviniques dérivés de la riboflavine (Vit B2). Le
couple FMN/FMNH2 ne se rencontre que dans le transport des électrons de la chaîne
respiratoire. Le couple FAD/FADH2 est donneur ou accepteur d’électrons dans les réactions
de catabolisme.
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2.2.2 – MECANISME D’ACTION
Le noyau isoalloxazine comporte 2 doubles liaisons conjuguées capables de fixer
réversiblement deux atomes d'hydrogène. La forme oxydée présente une bande
d'absorption à 450 nm alors que la forme réduite n’en présente pas. Ces
déshydrogénases peuvent recevoir des hydrogènes des coenzymes nicotiniques. On
distingue les flavoprotéines membranaires, non auto-oxydables, à structure complexe, et
les flavoprotéines auto-oxydables cytoplasmiques qui peuvent transférer l'hydrogène
directement à l'oxygène avec formation de peroxydes d’hydrogène. Pour le transport des
électrons et des protons elles ont besoin parfois des ions comme le fer et le molybdène.
Les principales flavoprotéines impliquées dans le métabolisme énergétique de la cellule
figurent dans le tableau ci-dessous.
2.2.3 – PRINCIPALES FLAVOPROTEINES MEMBRANAIRES
Flavoprotéines
+
NADH,H -déshydrogénase
Succinate déshydrogénase
Dihydolipoyl déshydrogénase
Acyl-CoA déshydrogénase
Glycérol 3-èdéshydrogénase
Dénomination
(FP1)
(FP2)
(FP3)
(FP4)
Coenzymes
FMN
FAD
FAD
FAD
FAD
2.3 - LES COENZYMES QUINONIQUES : UBIQUINONE ET PLASTOQUINON²E
L'ubiquinone, encore appelée coenzyme Q10 est un coenzyme liposoluble
transporteur d'hydrogènes à partir des substrats organiques vers l'oxygène dans la chaîne
respiratoire mitochondriale. Elle n'a pas une origine vitaminique et peut être synthétisée par
toutes les cellules. Elle n’est pas attachée à une protéine et peut circuler librement dans la
couche phospholipidique de la membrane mitochondriale interne. Son potentiel rédox E°’ =
+ 0,1 V.
Actuellement plusieurs coenzymes quinoniques sont connus. Ils diffèrent par la
longueur de leur chaîne latérale constituée de n radicaux isoprène polymérisés. Le nombre
n est égal à 10 chez l’Ubiquinone d’où le nom de coenzyme Q10. Dans les végétaux il y a
des quinones appelées plastoquinones qui jouent un rôle équivalent dans les transports
d'électrons photosynthétiques. E°' = + 0,1V. L'ubiquinone (forme oxydée) a une bande
d'absorption caractéristique entre 270 et 290 nm qui disparaît quand la quinone est réduite.
Les quinones possèdent deux fonctions quinones qui, par réduction, sont transformées en
dihydroquinone par acceptation de 2 électrons et de 2 protons libérés par le substrat. (Voir
figure 3).
O
H3CO
OH
+ H2
CH3
H3CO
(CH2 C
H
O
Coenzyme Q10 oxydé
CH3
C
CH2) 10
H3CO
CH3
H3CO
(CH2 C
H
- H2
H
CH3
C
CH2)10
H
OH
Coenzyme Q10 réduit
Figure 3 – Ubiquinone ou Coenzyme Q10 : Interconversion des formes oxydée et réduite. Ce
coenzyme intervient comme accepteur d’électrons dans la chaîne respiratoire.
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2.4 - LES METALLOPORPHYRINES : CYTOCHROMES ET PEROXYDASES
Les métalloporphyrines sont de véritables groupements prosthétiques liés à leur
apoenzyme respective par des liaisons covalentes. Les métalloporphyrines résultent de
l'union, sous forme de complexe, d'un atome de fer et d'une porphyrine (dérivé par
substitution du noyau tétrapyrrolique). On les rencontre dans les cytochromes et dans les
peroxydases. On distingue :
2.4.1
- CYTOCHROMES
Ce sont des chromoprotéines présentes dans toutes les cellules, dans la membrane
interne des mitochondries, dans la membrane thylakoide des chloroplastes, et dans le
cytoplasme. Le groupement prosthétique ferroprotoporphyrinique est le même (Voir figure
4). Seules les apoenzymes qui leur sont solidement accrochées par liaisons covalentes
sont différentes (avec des masses moléculaires allant de 13 000 à 250 000) et leur
confèrent des potentiels redox différents. Ils ont un rôle de transport séquentiel des
électrons grâce au changement de valence du fer. Dans les mitochondries des cellules
animales et végétales et dans les chloroplastes on a isolé et identifié un grand nombre de
cytochromes fonctionnant tous sur le même principe. C’est le fer du groupement
prosthétique qui transporte les électrons par passage réversible du fer ferrique en fer
ferreux (figure 9) :
Cyt b-Fe+++ e ←→ Cyt b-Fe++
Lors du transport des électrons l’ordre d’intervention des cytochromes est déterminé par
leur potentiel redox.
CH3 CH=CH2
Hème des cytochromes
N
H3 C
CH3
N
HOOCCH2 CH2
Fe
N
CH=CH2
N
HOOC-CH2 CH2 CH3
Figure 4 – Structure de l’hème des cytochromes. Les cytochromes sont présents dans
toutes les cellules. Ils sont impliqués dans le transport des électrons de la chaîne
respiratoire et de la photosynthèse par changement de valence du fer.
2.4.2 – CATALASES ET PEROXYDASES
Ce sont aussi des chromoprotéines dans lesquelles le fer reste toujours sous forme
ferrique et ne change pas de valence. Elles contiennent 4 groupements hématiniques et
souvent du cuivre. Les catalases catalysent la décomposition de l'eau oxygénée ou
peroxyde d’hydrogène :
H2O2 -----> H2O + ½ O2
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* Les peroxydases oxydent certains substrats à partir d'un peroxyde comme l'eau
oxygénée.
2.4.3 - OXYGENASES
Ces métalloprotéines catalysent l'incorporation d'un atome (monooxygénases) ou d'une
molécule d'oxygène (dioxygénases) sur un substrat. Certaines sont des cuproprotéines et
ferroprotéines (fer non hématinique). Un exemple est donné par la tyrosine oxygénase et
la dopamine ß-hydroxylase qui participe à la formation de la noradrénaline dans la
médullo-surrénale.
2.5 - PROTEINES FER-SOUFRE
Ces protéines fer-Soufre interviennent dans les séquences de transport des
électrons aussi bien dans la chaîne respiratoire que dans la photosynthèse. Le fer est non
héminique et le soufre sous forme sulfure. Le fer et le soufre sont en quantité
équimoléculaire. L’apoprotéine est liée au fer par l’intermédiaire des cystéines. La figure
donne un exemple de la partie non protéique de ces protéines Fer-Soufre. Ces protéines
fer-soufre se comportent comme des sous-unités de complexe protéique. Le transport des
électrons se fait encore par changement de valence de fer passant réversiblement du fer
ferrique au fer ferreux.
S
S
cys
Cys
Fe
S
Fe
S
Fe
S
S
Fe
S
S
Cys
cys
Figure 5 – Structure du centre réactionnel des protéines Fer-Soufre semblable à celui
rencontré dans la NADH,H+ Déshydrogénase du Complexe I de la chaîne respiratoire.
3 - LES COENZYMES DE TRANSPORT DES RADICAUX MONOCARBONES
Les radicaux monocarbonés susceptibles d’être transportés par leurs coenzymes
spécifiques sont : CO2, -CH3, -CHO, -CH2OH, etc. Nous ne verrons que quelques
coenzymes fréquemment rencontrés dans ce cours du métabolisme.
3.1 - COENZYME DE TRANSPORT DE CO2
Le CO2 est la forme la plus oxydée du carbone. Il se forme abondamment dans la
cellule suite à l'oxydation des carbones terminaux d'une molécule organique en particulier
sous l'action des déshydrogénases. La dernière réaction est une réaction de
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décarboxylation spontanée chez les acides organiques ayant une fonction cétone en
position ß (carbone 3). La décarboxylation est une réaction courante dans les cellules
animales et végétales. La réaction inverse, la carboxylation, est moins fréquente et
nécessite de l'énergie et un transporteur. On peut citer la carboxylation du pyruvate et de
l’acétyl-CoA, nécessaire à la néoglucogenèse et à la synthèse de acides gras. Une réaction
de carboxylation qui occupe une place prépondérante dans le métabolisme des végétaux
chlorophylliens est celle du ribulose-1,5-bisphosphate qui est à l'origine de la synthèse des
glucides à partir du CO2. Deux coenzymes servent de transporteurs, la biotine pour les
petites molécules et la vit K pour les protéines.
3.1.1 – BIOTINE OU VITAMINE H
La biotine est un coenzyme qui est réuni à l'apoenzyme par une liaison covalente
amide (entre -COOH de la chaîne latérale de la biotine et -NH2 d’une lysine de
l'apoenzyme) à un résidu lysine. Elle est formée de 2 hétérocycles accolés dont l’un
contient 2 atomes d’azote et l’autre un atome de soufre. Elle sert de coenzyme à la
pyruvate carboxylase, une enzyme importante du métabolisme des glucides. La réaction
se déroule en deux étapes :
1) E-biotine + ATP + CO2 → E-biotine-CO2 + ADP + Pi
2) CH3-CO-COO- + E-biotine-CO2 → -OOC-CH2-CO-COO- + H+ + E-Biotine
Elle sert aussi de transporteur à l’Acétyl-CoA carboxylase, une autre enzyme capitale
dans la synthèse des acides gras.
1) E-biotine + ATP + CO2 →E-biotine-CO2+ ADP + Pi
2) CH3-CO∼SCoA + E-biotine-CO2 → E-Biotine + HOOC-CH2-CO∼SCoA
O
Biotine
C
H
H
N
N
H
H
H 2C
CH CH 2-CH 2-CH2-CH2-COOH
S
Figure 6 – Structure de la biotine. Ce coenzyme groupement prosthétique intervient dans
les carboxylations notamment du pyruvate et de l’acétyl-CoA.
3.1.2 – VITAMINE K (pour mémoire)
Les vitamines K sont synthétisées par les végétaux et par des bactéries hébergées
dans le tube digestif. Elles sont liposolubles et dérivent toutes du noyau naphtoquinone.
Ces vitamines entrent dans la synthèse des coenzymes des protéines carboxylases. Ces
enzymes réalisent, au cours de la post-traduction, des carboxylations en formant des
résidus carboxyglutamiques, utiles à l’activation des protéines et facteurs impliqués dans
la coagulation du sang.
12
3.2 - COENZYMES DE TRANSPORT DE RADICAUX AUTRES QUE CO2
3.2.1 - S-ADENOSYL METHIONINE
Ce coenzyme dérive de la méthionine, acide aminé indispensable, apporté dans
l'alimentation. C'est la forme active de transport et de fixation du radical méthyle (-CH3). Il
est formé à partir de la réaction de l’ATP sur la méthionine. C’est la seule réaction dans
laquelle l’ATP perd ses 3 groupements phosphates (figure 7). Il est donneur de méthyle
dans les réactions catalysées par le groupe de méthyltransférases qui fixent des
groupements méthyles aux accepteurs convenables comme
- les acides nucléiques
- les protéines
- les colamines pour former les cholines
- le nicotinamide pour former le méthylnicotinamide, forme d'élimination de cette
vitamine.
La perte du méthyle transforme le cofacteur en S-ADENOSYL-HOMOCYSTEINE.
Exemple
Ethanolamine + 3 S-adénosylméthionine → Choline + 3 S-adénosylhomocystéine
NH2
NH2
N
N
CH3
N
N
N
N
O
O
O
CH2-O-P-O-P-O-P-OH
OH OH OH
N
O
S
O
+
CH3
CH2
O
CH2
CH
S
+
+ PPi + Pi
CH2
NH2
CH2
COOH
OH OH
CH2
OH OH
CH
NH2
COOH
ATP
Méthionine
S-Adénosy lméthionine
Figure 7 – Réaction de formation et structure de la S-Adénosylméthionine
3.2.2 - ACIDES FOLIQUES (LES FOLATES)
En fait les acides foliques sont nombreux et sont rencontrés principalement dans les
feuilles. Ils contiennent deux noyaux que ne peuvent synthétiser les animaux et certains
microorganismes. Il s'agit des noyaux ptérine et le radical p-aminobenzoique. Associés à
leur apoenzyme l'ensemble constitue les ptéroprotéines (figure 8).
Acide folique
OH
N
N
CH2
NH
C
O
NH2
N
NH
CH
CH2
CH2
COOH
COOH
N
Figure 8 – L’acide folique sous sa forme tétrahydrofolique est un transporteur de radicaux
monocarbonés autres que le CO2.
13
L'acide tétrahydrofolique (THFou FH4) est la forme activée et fonctionne comme
cofacteur de nombreux systèmes enzymatiques de transfert de radicaux à un carbone autre
que le CO2. Le radical méthyle est transporté sur l'azote 5 qui peut être transféré ensuite
sur la désoxyribo-uridine pour former la désoxythimidine. Le coenzyme peut transporter
aussi le groupement formyle sur l'azote N10 suivant la formule ci-dessus : La synthèse du
noyau purique et des acides nucléiques dépend des réactions de transformylation
(transport de –CHO).
4 - COENZYMES DE TRANSPORT DE RADICAUX A DEUX OU PLUSIEURS CARBONES
Il s'agit des coenzymes chargés de transporter les radicaux ACYLE, ALDEHYDYLE,
CARBOXYLE, etc. Nous étudierons essentiellement 3 coenzymes importants compte tenu
de leur implication dans le métabolisme énergétique des glucides. Leur ordre d’intervention
dans la transformation du pyruvate en acétyl∼CoA va permettre d’illustrer la notion de
séquence de réactions et celle du complexe multi-enzymatique..
4.1 - THIAMINE PYROPHOSPHATE (TPP)
Ce coenzyme (groupement prosthétique) dérive de la thiamine (vit B1). La thiamine
est formée dans de très nombreuses bactéries et végétaux. Il contient un noyau pyrimidique
et un noyau imidazole (figure 9).
Il sert de coenzyme à des enzymes libérant des radicaux R-CO- à partir de
molécules carbonées plus complexes et les transfèrent sur d'autres coenzymes ou
substrats. Il intervient particulièrement dans la décarboxylation oxydative des acides αcétoniques en particulier le pyruvate et l'α-cétoglutarate. Le type des enzymes est le
complexe multi-enzymatique de la pyruvate déshydrogénase et de l’α-cétoglutarate
déshydrogénase. La composante (E1) de chacun des complexes cités :
1- fixe la fonction cétonique de l’acide sur le carbone 2 du noyau imidazole, site
réactif du coenzyme. C’est la prise en charge du substrat (figure 9) ;
.
2 - effectue le départ du CO2. Le radical obtenu sera transféré sur le
lipoate toujours par la composante (E1).
CH3
O
C
CH 2
CH2
O
N
C
H
S
OH
O
HO
N
H3C
PH
+
N
CH2
NH2
P
OH
O
Thiamine pyrophosphate
R1
R1
R1
+
N+
+
R2
HC
S
CH3
N
R
CH3
CO
COOH
N+
R
C
HOC
COOH
Prise en charge
du substrat
S
CH3
R
R2
CO2
HOC
H
R2
C
S
Décarboxylation
Figure 9 – Structure de la thiamine pyrophosphate, coenzyme dérivé de la vitamine B1.
Mécanisme d’action de la déshydrogénase au niveau de son coenzyme, groupement
prosthétique.
14
La thiamine pyrophosphate intervient comme coenzyme accepteur de radicaux dans
les réactions de transcétolation (Voie des pentoses phosphates et cycle de Calvin). Dans
ce cas c'est le radical -CO-CH2OH qui est transporté sur le ribose 5-P.
4.2 - ACIDE LIPOIQUE ET LIPOAMIDE
L'acide lipoïque est un acide gras à 8 atomes de carbone qui a un pont disulfure
entre les carbones 6 et 8 (figure 10). Il est solidement lié à son apoenzyme. L’holoenzyme
formée prend alors le nom de lipoamide..
Comme annoncé précédemment Il sert d'accepteur de radicaux acyles cédés par la
thiamine pyrophosphate (figure 9). Dans le cas des réactions partant du pyruvate ou de l’αcétoglutarate, le radical transporté est un acétyle ou un succinyle. La composante du
complexe enzymatique, responsable du transport de ces radicaux sur le lipoate est
l’enzyme (E1) qui débute la séquence. Le lipoate n’est pas l’accepteur final des radicaux
acyles. Une deuxième composante (E2) du complexe, la dihydrolipoyl-acyltransférase,
transfère le radical acyle sur le coenzyme A. Le lipoate est réoxydé par la composante (E3),
la dihydrolipoyl déshydrogénase à FAD qui transfère à la fin les électrons et les protons
arrachés au pyruvate ou à l’α-cétoglutarate sur NAD+.
Acide lipoïque
S
S
H2C
CH CH2 CH2 CH2 CH2 COOH
C
H2
R1
N+
S
CH3
R
HOC
H
S
R2
C
S
+
H2C
CH R3
C
H2
(E1)
R
CO
R1
N+
SH
S
CH3
R2
HC
+ H2C
S
CH R3
C
H2
Réaction de transfert des radicaux de la TPP sur le lipoate
Figure 10 – Structure du lipoate et réaction de transfert des radicaux issus de la thiamine
pyrophosphate sur le lipoate.
4.3 - LE COENZYME A ou HSCoA
Ce coenzyme existe dans toutes les cellules. Il sert d’activateur des acides gras
dans les réactions de dégradations. Il joue en même temps le rôle de transporteur de
radical acyle R-CO-. Il est capable de les rendre solubles dans le cytoplasme. Sa structure
présente une analogie avec un dinucléotide (figure 11). Elle résulte de l'union de
- l'adénosine 5'-diphosphate
- de l’acide pantothénique, qui est le facteur vitaminique (non synthétisé par les
animaux)
- et de la mercaptoéthylamine.
15
La fixation du radical sur la fonction thiol produit la formation d'un thioester à haut
potentiel énergétique R-CO∼SCoA. Les réactions d’activation dans lesquelles intervient le
Coenzyme A sont décrites ci-dessous.
CHOH
H 3C
C
CO
NH
CH3
CH2
(HSCoA)
HO P
O
O
HO P
O
(1)
NH
CH2
SH
CH2
N
N
O
CO
NH
CH2
Coenzyme A
CH2
N
N
O
CH2
O
CH
OH OH
R
CO
SH
S
(2)
H2C
+ HSCoA
CH R3
(E 2)
O
R CH
+
SCoA
SH
H 2C
CH R3
C
H2
C
H2
Acyllipoate
SH
Acyl-CoA
Dihydrolipoate
Figure 11 – Structure du coenzyme A (1) – Réaction de transfert des radicaux acyles de
l’acyllipoate sur le Coenzyme A (2).
4.3.1 – ACTIVATION DE L’ACETATE ET DES ACIDES GRAS
La formation directe de l’acétyl∼CoA à partir de l’acétate n'est pas courante chez les
animaux. Par contre elle se produit chez les bactéries et les végétaux avec consommation
d'une molécule d'ATP (avec consommation de deux liaisons phosphates riches en
énergie). Sous l'action de l'acétylthiokinase ou de l’acétyl∼CoA synthétase (qui n'existe
pas chez les animaux) on a :
CH3-COO- + H+ + ATP → CH3-CO∼AMP + PPi
CH3-CO∼AMP + HSCoA → CH3-CO∼SCoA + AMP
La réaction globale est donc, en additionnant les deux réactions précédentes :
CH3-COO- + H+ + ATP + HSCoA → CH3-CO∼SCoA + AMP+ PPi
Chez les animaux les acétyl-CoA sont formés au cours de la β-oxydation des acides
gras, ou à l’issue de la déshydrogénation du pyruvate.
Les cellules animales forment des acyl∼CoA (réaction d’activation) suivant le même
mécanisme et la réaction est catalysée par l'acyl∼CoA synthétase.
R-COO- + H+ + ATP → R-COO∼AMP + PPi
R-COO∼AMP + HSCoA → R-CO∼SCoA + AMP
La réaction globale est :
+
R-COO + H + ATP + HSCoA → R-CO∼SCoA + AMP+ PPi
16
4.3.2 – REACTIONS DE CARBOXYLATION
Certaines réactions de carboxylation ne sont possibles que si le composé est lié au
coenzyme A. sous forme d’acyl∼CoA. Les deux carboxylations importantes impliquant le
coenzyme A sont celles de l'Acétyl∼CoA pour former du malonyl∼CoA et du propionyl∼CoA
en vue de former du succinyl∼CoA. Le CO2 est apporté par la carboxybiotine.
CH3-CO∼SCoA + ATP + CO2 → HOOC-CH2-CO-SCoA + ADP + Pi.
CH3-CH2-CO∼SCoA + ATP + CO2 → HOOC-CH2-CH2-CO-SCoA + ADP + Pi.
4.4 – ILLUSTRATION DE NOTION DE SEQUENCE DE REACTIONS ET DE COMPLEXE
MULTI-ENZYMATIQUE
Les 3 derniers coenzymes que nous venons de voir permettent d’introduire la notion de
séquence de réactions, rencontrée lors de l’oxydation des acides α-cétoniques (R-COCOOH), dont les plus importants biologiquement sont le pyruvate et α-cétoglutarate. Dans
le cas de la séquence de réactions, relative à l’oxydation des acides α-cétoniques
Ø
interviennent, dans un ordre bien fixé, 5 coenzymes : TPP, lipoate, HSCoA, FAD et
NAD+. Ces coenzymes sont indispensables au fonctionnement de la séquence de
réaction. L’ordre d’intervention des coenzymes détermine celui des enzymes de la
séquence (schéma de la figure 12).
Ø Sont impliquées 3 enzymes : une α-cétoacide déshydrogénase
(E1), une
dihydrolipoylacyltransférase (E2), une dihydrolipoyl déshydrogénase (E3). Ces 3
enzymes forment un complexe multi-enzymatique, désigné par le nom de la première
enzyme. Par exemple, on parle du complexe multi-enzymatique de la pyruvate
déshydrogénase, complexe multi-enzymatique de l’α-cétoglutarate déshydrogénase.
Figure 12 – Schéma illustrant la notion de séquence de réactions d’oxydation du pyruvate
en acétyl-CoA. On y voit l’ordre d’intervention des enzymes du complexe multi-enzymatique
de la pyruvate déshydrogénase et celui des coenzymes impliqués.
17
5 - COENZYME DES AMINOTRANSFERASES : LE PYRIDOXAL PHOSPHATE
Le pyridoxal phosphate (PLP) est un coenzyme d'une importance capitale. Il est
commun à toutes les aminotransférases. Il intervient dans les réactions de transamination
aussi bien de dégradation que de synthèse des acides aminés. C'est un groupement
prosthétique qui est relié à son apoenzyme par liaison covalente avec laquelle elle forme
une base de Schiff, imine aromatique. Lors de la catalyse il forme aussi une base de Schiff
avec l'acide aminé. Sa structure dérive de la vitamine B6 comprenant la pyridoxine, la
pyridoxamine, le pyridoxal et le pyridoxal phosphate. Le coenzyme actif est le pyridoxal
phosphate.
La spécificité de l'activité enzymatique est déterminée par l'apoenzyme et peut conduire
aux résultats différents. Nous ne citons que 2 exemples : :
Ø Transamination : échange du racical amine entre un acide aminé et un α-cétoacide par
l’intermédiaire de la pyridoxamine phosphate.
:
aspartate + α-cétoglutarate ←→ oxaloacétate + glutamate.
Ø Elimination des fonction thiol et amine sur la cystéine
HS-CH2-CH(NH2)-COO + H2O → H2S + NH3 + CH3-CO-COO
H
O
Pyridoxal phosphate
(PLP)
HO
P
O
C
O
H 2C
OH
OH
N
CH3
Figure 13 – Structure du pyridoxal phosphate (PLP), coenzyme groupement prosthétique
des aminotransférases
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