UE 3 – Biochimie clinique, Nutrition, Métabolisme Gonthier ! Date : 21/09/2015 Promo : DCEM1 ! Plage horaire : 16h00-18h00 Enseignant : Dr M-P. Gonthier Ronéistes : ESTERMANN Laurine LESQUERRE-CAUDEBEZ Alizée ! ! ! Métabolisme des acides aminés et de l’azote I.Introduction ! 1.Généralités 2.Structure des acides aminés 3.classifications des acides aminés 4.Besoins en AA indispensables chez l'Homme (en mg/kg/j) ! 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 ubiquitineprotéasome (dans le cytoplasme) 8.Transport des aa (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 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 !33 ! IV.Biosynthèse des acides aminés et dérivés 1.Biosynthèse des acides aminés non essentiels ! ! 2. Biosynthèse des dérivés d’acides aminés (fin ronéo) 3. Biosynthèse de la créatinine à partir de glycine et arginine 4. Biosynthèse du glutathion par condensation du glutamate, cystéine et glycine 5. Conversion des acides aminés en amines biologiques par décarboxylation – synthèse de NO ! V.Pathologies associées au métabolisme des acides aminés et de l’azote VI.Exploration du métabolisme azoté ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 2! sur !33 ! Dans un premier temps, nous reverrons quelques généralités sur les AA, leur structure… Puis nous verrons la notion de digestion des protéines alimentaires aux niveaux du tube digestif et intra-cellulaire (système ubiquitine-protéasome). Ensuite nous aborderons le catabolisme des AA, qui générera de l’énergie puis leur biosynthèse : il n'existe pas de stock d’AA libres ! Les AA qui arrivent en excès dans l'organisme sont en effet stockés sous forme de protéines : − catabolisme des AA en situation de besoin énergétique, − synthèse de protéines en situation de suffisance énergétique. On verra ensuite les différentes pathologies associées à un défaut du métabolisme des AA et de l’azote. Enfin, on donnera quelques pistes sur les moyens d'explorer au laboratoire ce métabolisme (à partir de marqueurs cliniques), ce qui nous permettra de diagnostiquer certaines pathologies. ! ! I. Introduction ! 1.Généralités ! Les acides aminés dans la cellule 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. Consommer 1g de protéines permet d'apporter 4kCal d’énergie. Les AA issus des protéines alimentaires permettent de satisfaire 15 à 20% de nos besoins énergétiques (glucides: 50%; lipides: 30%). ! - précurseurs d'hormones et médiateurs cellulaires : rôle dans la régulation des grandes fonctions physiologiques. Ils sont à l'origine de nombreux messagers intra ou inter-cellulaires (dont les neuromédiateurs). Ex: dopamine, glutathion… ! - ds 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 (catabolisme au niveau de l'estomac puis du duodénum et de l'intestin). ! Ronéo 2014 La plupart des protéines vont être dégradées : 95% des AA passeront la barrière intestinale (sous forme libre) et arriveront dans la veine porte et le foie. 2% des protéines alimentaires pourront traverser la paroi intestinale : il s'agit des anticorps provenant du lait maternel. Puis les tissus cibles reconstitueront les protéines. « Donc ce n'est pas la protéine du steak de bœuf qui va se stocker directement dans les muscles, bien évidemment... » ! - 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. ! Exemple : on peut obtenir de l'alanine à partir de glucose : glucose → pyruvate → alanine. ! 3! sur !33 Le métabolisme résulte d’un équilibre dynamique entre le pool d'acides aminés et le pool de protéines dans l’organisme. ! 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 pas de stock 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, 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. ! ! ! • 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-. ! ! # 4! sur !33 Concernant la structure des 20AA 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). ! ! # Ronéo 2014 Ils sont d'origine alimentaires. Les AA peuvent être polaires (chargés ou non chargés), ou apolaires : on a les 2 AA soufrés, les AA aromatiques et les AA aliphatiques. ! 5! sur !33 # Il y a 4 AA « rares » : ! − Ornithine : peut être synthétisée de manière endogène, − Homocystéine, − Taurine, − Citrulline. => Ce sont généralement des métabolites intermédiaires. ! ! Ronéo 2013 /!\ Certains auteurs dénombrent 24 AA. En fait, il y a 20 AA qui vont servir à construire les protéines, mais 4 analogues d'AA dont la synthèse dérive de ces AA comme l’homocystéine qui est en équilibre dans certaines pathologies cardio-vasculaires avec la cystéine. C'est le cas aussi de la taurine, de l'ornithine et de la citrulline : ces 2 derniers AA vont intervenir dans le cycle de l'urée (= uréogénèse) au niveau du foie pour permettre à l'organisme d'éliminer le NH₂ (de la fonction amine), au moment du catabolisme, qui est une molécule toxique. ! ! 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 (cystéine, glutamate et glycine vont se condenser pour former le glutathion, un antioxydant 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 cétogenèse. − 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. Les AA n’ont donc pas qu’un rôle de substrats énergétiques. 6! sur !33 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 plutôt 10 AA essentiels chez les nourrissons et 9 chez les adultes. ! ! 4.Besoins en AA indispensables chez l'Homme (en mg/kg de poids corporel/j) ! # Tableau qui illustre les besoins en AA de l’individu selon l'âge (8 AA essentiels. Ici, il n'y a pas les AA semi-essentiels). 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 beaucoup d'AA pour constituer ses tissus. ! 7! sur !33 Ronéo 2014 Exemple : pour la leucine; un adulte en a beaucoup moins besoin qu'un enfant. EXCEPTION : Tryptophane : c'est l'un des rares AA pour lequel on a environ les mêmes besoins chez un jeune de 10-12 ans que chez un adulte. ! (Ici, par «besoins» on entend «apport nutritionnel conseillé») ! 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 # ! Lorsque l'on va consommer un bol alimentaire riche en protéines, il va prendre le trajet classique de la digestion. Quand il arrive dans l’estomac, les mouvements des muscles gastriques vont entraîner (via la présence de mécano-récepteurs au niveau de la paroi stomacale) un stimulus au niveau du SNC qui engendrera la synthèse d'une hormone, la gastrine, qui aura 2 actions importantes : ! ! ! − 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. ! ! 8! sur !33 Ronéo 2014 - La pepsine est l'une des rares enzymes de type peptidase à fonctionner à un pH aussi acide : pH = 2 environ, - Au niveau de l'estomac, la digestion des protéines va démarrer sous l'effet du signal hormonal de la gastrine. De plus, dans un contexte acide, les liaisons peptidiques seront particulièrement fragiles, ce qui permet à l'endopeptidase de plus facilement hydrolyser ces protéines d'origine alimentaire. 9! sur !33 ! 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 : ! - le trypsinogène, et 3 autres précurseurs d'enzymes protéolytiques : - le chymotrypsinogène, - la proélastase, - des propeptidases qui sont les zymogènes inactifs constituant le suc pancréatique. ! ! ! ! 3) Au niveau du suc pancréatique, le trypsinogène va être maturé en trypsine (= active) 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. Donc le surplus de protéines qui n'auraient pas été digérées par la pepsine le seront avec les peptidases du duodénum. ! Ronéo 2014 => Ca favorise un catabolisme maximal des protéines alimentaires. - A ce niveau, la pepsine n'est plus active car le pH acide est de plus en plus neutralisé. Il y a donc un ! sur !33 10 remplacement de l'action de la pepsine par ces 4 enzymes du pancréas. - Il y a également des peptidases dans le tube digestif, notamment dans la bordure en brosse. - Finalement ce surplus d'enzymes protéolytiques va permettre le catabolisme total des protéines au niveau du duodénum. A ce niveau, il y a 95% d'AA libres pouvant être dégagés et le reste sera circulé sous forme de di ou tri peptides : ce sont les AA ramifiés. Ce sont uniquement ces AA libres et ramifiés qui pourront être absorbés. ! (Grande efficacité enzymatique puisque plus de 95% des AA seront libres.) ! 2.Absorption entérocytaire des AA ! 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-dépendant, − soit des transporteurs sodium-indépendant. ! 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 ! => A chaque fois qu'un AA passe, un ion sodium passe en même temps. ! * 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 ! ! Chronologiquement découverts après les transporteurs sodium-dépendants. * 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. ! Ronéo 2014 Au niveau entérocytaire, il existe toute une batterie / un jeu de 8 transporteurs possibles pour permettre aux entérocytes de ne jamais voir ses transporteurs saturés lors d'un excédant alimentaire : il existe différentes voies possibles d'entrée ! ! ! sur 33 11 ! ! 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). Ainsi, en situation de cirrhose hépatique, il y a un dégagement de la GGT membranaire dans la circulation : c'est ainsi un marqueur caractéristique (de la détérioration) de la fonction hépatique. ! 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. 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. ! Il s’agit donc d’un marqueur de la bonne fonction hépatique. Au-delà des valeurs normales, il faudra chercher s’il y a lyse des hépatocytes ou un dysfonctionnement de la prolifération des hépatocytes. ! ! ! 3. Maladies congénitales dues aux systèmes de transport En cas d’anomalie de transport des AA, on va essayer de voir lequel 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 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. ! sur !33 12 Ronéo 2014 Il y a eu un QCM : ce n'est pas une surabsorption, mais bien un défaut de réabsorption. ! ! • 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. Ronéo 2014 Si cette maladie est dépistée chez un sujet jeune, on lui fera des injections de tryptophane régulièrement. Si on ne dépiste pas la maladie tôt, des atteintes neurologiques apparaitront et s'aggraveront avec le temps. ! 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 (plutôt un enchaînement de chaînes courtes de 2 à 6 résidus). ! - 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 (soit totalité des 50% restants, c’est pour cela qu’il y a 95% d’AA libres et 2 à 5% d’AA ramifiés). • 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. ! 2 à 5% des AA absorbés seront finalement ramifiés sous forme de chaînes résiduelles et le reste (environ 95%) correspondra à des AA libres. 95% des protéines alimentaires sont efficacement dégradées à la fois en intra-luminal et en intra-entérocytaire, pour générer une quantité importante d’AA libres. ! Une fois que les AA sont séparés les uns des autres au niveau des entérocytes (et donc sous forme libre), ils 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 donc profitables au nourrisson, car il va pouvoir les utiliser pour se défendre. ! ! sur !33 13 Question : comment ça se fait que les Ac ne soient pas dégradés par les peptidases ? Il y a un mode de conformation des AA des Ac qui les rend méconnaissables par la pepsine, la trypsine et par la chymotrypsine. C’est une conformation initiale. Au moment du repliement en hélice ou feuillet, elle devient non reconnaissable. Les Ac ne sont plus un substrat naturel. C’est la biochimie évolutive. Question : les protéines de la vache folle, quand on les mangent, ne sont pas dégradées ? Ce sont des protéines particulières qui font partie des 5% des protéines qui ne sont pas dégradées…. Elles échappent au système. On suppose qu’il y a des système de transport spécifique. ! ! 5-Les différents types de catabolisme des protéines ! Comment le catabolisme des protéines est-il assuré au niveau cellulaire ? ! Ronéo 2013 Rappel : les entérocytes sont capables de commencer à métaboliser les AA. Notion de type de catabolisme des protéines : on confond souvent le catabolisme des AA et le catabolisme des protéines intracellulaires, c’est-à-dire qu’on catabolise les protéines au niveau de l'intestin pour récupérer des AA, et parallèlement chaque cellule à chaque instant renouvelle ses protéines (catabolisme des protéines en intra-cellulaire) : ce ne sont pas les mêmes systèmes enzymatiques qui seront impliqués, d'où ici le rappel des différents types de dégradation possibles. ! # ! Il y a 4 grands types de dégradation possible des protéines : ! → 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. ! Au niveau cellulaire, il existe des systèmes de dégradation possible des protéines. Attention (petite subtilité) : depuis tout à l’heure, quand on parle des protéines d’origine alimentaire, ce sont principalement les protéases extra-cellulaires du tube digestif qui agissent. Les trois systèmes qui arrivent ensuite sont des systèmes de dégradation des protéines en interne, c’est-à-dire à l’échelle cellulaire. C’est la cellule qui décide avec ces 3 systèmes de conditionner le devenir de ses propres protéines. ! → 2ème cas : protéolyse intra-cellulaire dans le lysosome (petits organites contenant plusieurs protéases). Déclenché en situation d’insuffisance énergétique. ! sur !33 14 → 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. ! →4 ! ème 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 ! Il ne s'agit pas des protéines alimentaires que l'on va dégrader pour obtenir les AA ! Les 4 systèmes agissent en dégradant des protéines, mais pas dans le même objectif final ! ! NB : les protéines circulantes comme l'albumine sont dirigées vers le foie. ! ⇨ En intra-cellulaire, le système s’auto-suffit avec la présence du lysosome et du système ubiquitineprotéasome. ⇨ Alors qu’au niveau plasmatique, le foie prend le relais ainsi que le rein qui peut jouer un rôle au niveau du catabolisme des protéines. Mais ces 4 cas aboutissent tous à la rupture de la liaison peptidique entre 2 AA par hydrolyse : ! # 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 ! sur !33 15 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. ! ! 7 - Dégradation des protéines cellulaires par le système ubiquitineprotéasome (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 garde-fou 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. ! ! ! sur !33 16 C'est un système qui agit en cascade. Les substrats intracellulaires cibles vont être polyubiquitinés pour être reconnus par le protéasome. (non détaillé) ! En présence d'ATP, l'ubiquitine va être couplée à différents complexes : 1) Couplage de l'ubiquitine au complexe E1 qui permet... 2) … la fixation du complexe E2 qui permet... 3) … une poly-ubiquitination (chaîne d'ubiquitines). 4) Le système enzymatique E3 va reconnaître le motif d'enchaînement d'ubiquitine et il va permettre la fixation de cette chaîne d'ubiquitines sur la protéine à dégrader : on obtient une protéine polyubiquitinée : la protéine est dite condamnée. 5) Le système protéasome (système cytosolique très performant et très riche en protéase) reconnaît la chaîne d'ubiquitines. 6) Recyclage des ubiquitines et dégradation de la protéine en oligopeptides d'environ 8 AA 7) Les oligopeptides pourront régénérer des AA glucoformateurs pour la néoglucogénèse ou pour la voie cétogénique. ! # 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 extérieurs, ou les AA hydrophiles polaires. => Ca correspond à une conformation de protéines normale. => 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. ! ! sur !33 17 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. ! => Dans la notion de digestion, il ne s’agit pas seulement de ce qui se passe au niveau de l’estomac mais aussi de ce qui se passe en interne. ! 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 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 (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. ! ! ! sur !33 18 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 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. ! Donc 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). ! 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. ! ! ! ! sur !33 19 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 αaminé). 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, ! sur !33 20 - 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 NH3+ extrêmement toxique et représente un danger permanent pour les cellules. En effet, l’ammoniac 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. ! sur !33 21 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’ammoniac, NH₄⁺ sera un puissant découplant qui va shunter la chaîne respiratoire en captant les protons, ce qui empêchera l’ATP synthase de fonctionner. ! 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. ! ! sur !33 22 # ! 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. ! 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. ! . ! ! ! sur !33 23 # 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. ! # ! On se met à l’échelle d’une cellule qui doit se débarrasser du NH3+. ! sur !33 24 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 elle-même être condensée avec de l’aspartate fournie par le cycle de Krebs et donner de l’arginosuccinate. Celui-ci 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’ornithine-carbamoyl 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. ! ! 3. Devenir de la chaîne carbonée de l’acide aminé ? (tout le petit 3 n’a pas été traité cette année) ! Le squelette carboné va avoir un devenir variable selon sa nature et sa constitution. Mais quelque soit le type d’acide aminé, il n’existe pas de stock d’acides aminés libres : ils servent à la synthèse de protéines ou sont dégradés. ! La chaîne carbonée, une fois que le NH₃ a été évacué au niveau hépatique, pourra être prise par en charge par 6 voies possibles bien qu’il y ait 20 AA (« dame nature et les cellules sont de nature paresseuse… »). Sur ces 6 voies possibles selon le métabolite généré, 5 constituent une porte d’entrée dans le cycle de Krebs : • la voie de l’oxalo-acétate, • de l’α-cétoglutarate, • du succinyl-Coenzyme A, • du pyruvate, • de l’acétyl-Coenzyme A. • La 6ème voie étant particulière pour la phénylalanine (catabolisme particulier car présence d’un cycle aromatique) et la tyrosine qui aboutiront au fumarate qui pourra rejoindre le cycle de Krebs. ! ➔Si la cellule ne régule pas son taux d’acides aminés, la synthèse protéique sera altérée or les protéines sont les principaux messagers cellulaires (enzymes, transporteurs, hormones). Ainsi, le métabolisme des protéines va lui-même contrôler le métabolisme des glucides et des lipides. ! A. Dégradation des AA par la voie de l’oxalo-acétate : ! Seuls 2 acides aminés sont concernés : asparagine et aspartate. ! sur !33 25 # La cellule va transformer tout l’asparagine en aspartate qui va subir une réaction de transamination, qui se fait surtout au niveau du foie, pour générer de l’oxalo-acétate qui va alimenter le cycle de Krebs en vue de fabriquer de l’ATP. ! B. Dégradation des acides aminés par la voie de l’α-cétoglutarate : ! Ici, 5acides aminés sont concernés : arginine, histidine, proline, glutamine et glutamate. ! # ! ! !! L’arginine, l’histidine, la proline, et la glutamine sont convertis en glutamate (AA qui circule le plus avec l’alanine) qui subit une réaction de désamination pour donner l’α-cétoglutarate qui entre dans le cycle de Krebs. Remarque : la prof ne donne pas les noms des enzymes impliquées, il y’en a plusieurs mais elles existent… C. Dégradation des acides aminés par la voie du succinyl-CoenzymeA : ! Elle concerne 3acides aminés : valine, méthionine et isoleucine. # La valine, la méthionine et l’isoleucine vont subir des réactions de désaminations et de transaminations pour fournir le succinyl-Coenzyme A qui entre au milieu du cycle de Krebs. Dans le cycle de Krebs, le Coenzyme A (alias vitamine B5!) sera détaché du succinyl ce qui fournira du GTP qui lui-même aboutira à l’ATP. Cette voie est donc très intéressante d’un point de vue énergétique puisque l’on raccourcit les étapes. Remarque : coenzyme A c’est la vitamine B5 donc sans vit B5, pas de coenzyme A donc pas de cycle de Krebs, donc les micronutriments sont essentiels même si on en a besoin en faibles quantités ! ! sur !33 26 D. Dégradation des acides aminés par la voie du pyruvate : ! 6 acides aminés seront impliqués : alanine, cystéine, sérine, thréonine, glycine et tryptophane. # Ces 6AA vont subir des réactions de transaminations pour donner du pyruvate qui est un élément clé dans le cycle de Krebs mais qui pourra aussi remonter la voie de la glycolyse (par la néoglucogénèse). On pourra obtenir de l’ATP ou du glucose. ! E. Dégradation des acides aminés par la voie de l’acétyl-Coenzyme A ! 4 acides aminés sont concernés : tryptophane, lysine, leucine et isoleucine. # ! Ces 4 AA sont être décarboxylés afin de générer une petite molécule à 2 atomes de carbone qui est l’acétate. L’acétate sera ensuite pris en charge par estérification par le Coenzyme A pour produire de l’acétyl-Coenzyme A qui est une autre porte d’entrée dans le cycle de Krebs. !! F. Dégradation de la phénylalanine et de la tyrosine : ! # La phénylalanine est un AA essentiel qui sert pour la synthèse de la tyrosine par le biais de la phénylalanine hydroxylase (enzyme très spécifique pour laquelle on peut avoir des déficits). Par la suite, la tyrosine sera décarboxylée et le noyau aromatique complètement dégradé pour pour former 2 métabolites intermédiaires : - le fumarate pour le cycle de Krebs - et l’acéto-acétate pour la lipogenèse. ! Remarque : Un déficit en phénylalanine hydroxylase engendre accumulation de Phenylalanine et élimination rénale de cet AA! associé à une pathologie : phénylcétonurie ! sur !33 27 ! 4. Bilan du devenir catabolique des acides aminés !Bilan du devenir des 20 AA dégradables au sein de l’organisme et leurs « points d’entrée » dans le cycle de Krebs. ! Après ces 6 voies possibles de dégradation, si on fait le bilan, on voit que tous les AA dégradés vont pouvoir rentrer dans le cycle de Krebs ou cycle de l’acide citrique afin de fabriquer de l’ATP, voire du pyruvate qui permettrait aussi de remonter la glycolyse. ! ! ! ! sur !33 28 ! 5.Enzymes clés du métabolisme des acides aminés aminés D’un point de vue clinique, les 4 enzymes citées ci-dessous ne sont pas les seules mais font partie des plus importantes, elles sont utilisées comme marqueurs : ! La glutamate déshydrogénase : charge le glutamate en ammoniac pour fabriquer de la glutamine. Cette enzyme de désamination oxydative est importante car si elle n’existait pas, la glutamine ne serait pas fabriquée et ne pourrait pas transférer l’ammoniac au niveau du foie. ! La glutamiase : fait la réaction inverse. Lorsque la glutamine arrive au niveau du foie et des reins, il faut qu’elle soit dégradée en glutamate et NH3. ! La glutamine synthétase : purement impliquée dans la synthèse de glutamine. ! Les transaminases : aspartate aminotransférase (ASAT) et alanine aminotransférase (ALAT) sont 2 transaminases dosées en laboratoire. Elles permettent la conversion d’aspartate et d’alanine en 2 métabolites du cycle de Krebs : oxaloacétate et pyruvate capables de rentrer dans le cycle de Krebs et de générer de l’énergie. Ce sont ces 4 enzymes qui sont étudiées pour suivre la fonction hépatique dans le catabolisme des AA. Ces dernières peuvent être dosées au niveau plasmatique pour avoir une idée de la fonction hépatique et du métabolisme des AA. Ce sont des biomarqueurs qui reflètent indirectement le bilan azoté. En effet, on va doser dans les urines la créatinine et l’urée, se demander si les troubles sont rénaux ou hépatiques, et si l’on pense qu’il s’agit d’une altération du métabolisme des acides aminés. ! 6. Echange inter-organes en situation de jeûne (couple alanine/glucose) # Le métabolisme des AA repose également sur des échanges inter-organes en situation de jeûne. Le foie va métaboliser de nombreuses molécules pour tout l’organisme, mais en situation de carence énergétique, le foie a besoin de la coopération du muscle dans le métabolisme des AA via le couple alanine/glucose. ! sur !33 29 En effet, en situation de jeûne où l’on est en hypoglycémie et où il faut préserver le glucose pour les tissus gluco-dépendants, les muscles squelettiques vont être sollicités dans le catabolisme des protéines cellulaires en vue de générer des AA avec élimination du NH₃, mais surtout du glutamate qui sera converti en α-cétoglutarate. Cette dernière réaction se fait en parallèle avec la genèse de pyruvate à partir de glucose pour former de l’alanine (métabolite intermédiaire). L’alanine va traverser la barrière plasmatique pour atterrir dans la circulation afin d’être véhiculée au niveau foie. Ainsi, dans les hépatocytes, l’alanine pourra redonner du pyruvate, de même que l’α-cétoglutarate pour le glutamate. A noter le rôle clé de l’ALAT dans cette coopération entre les organes. ! Remarque : le NH3 généré doit être pris en charge et éliminé, donc un individu en insuffisance rénale et en jeûne prolongé est ainsi exposé à intoxication à l’ammoniaque… ! IV-Biosynthèse des acides aminés et dérivés ! Problématique : comment régénérer des acides aminés à partir des éléments du cycle de Krebs ? ! 1. Biosynthèse des acides aminés non essentiels ! Elle peut se faire : • A partir d’intermédiaires métaboliques : il s’agit des fameux composés du cycle de Krebs. En effet, les AA peuvent donner ces composés du cycle, mais de manière réversible on pourra réobtenir des AA. Les métabolites du cycle de Krebs peuvent régénérer des AA. ! # ! Tableau de la reconversion des métabolites du cycle de Krebs en AA ! Tableau des différentes familles biosynthétiques issues du métabolisme énergétique et capables de donner par néosynthèse des AA : l’α-cétoglutarate, le pyruvate qui redonne de l’alanine, le 3-phosphoglycérate (ou glycéraldéhyde-3P grâce au auquel le glucose est coupé en 2 molécules à 3 atomes de carbones), et l’oxalo-acétate. Par contre, le PEP (phosphoénolpyruvate = composé de la glycolyse) est une molécule à part car capable de régénérer de la tyrosine mais en collaboration avec l’érythrose 4-phosphate. ! ! sur !33 30 On a donc une resynthèse des AA non essentiels à partir de métabolites intermédiaires issus principalement du métabolisme du glucose : notion d’inter-conversion des composés. ! • Synthèse d’AA non-essentiels à partir d’AA essentiels : Exemple de la synthèse de la tyrosine à partir de la phénylalanine via la phénylalanine hydroxylase (ce qui permet de générer du fumarate cf. plus haut). ! La tyrosine est fabriquée à partir de la phénylalanine par simple hydroxylation (la Tyr c’est la Phe hydroxylée). Cette réaction se fait par une enzyme qui s’appelle la phénylalanine hydroxylase. La tyrosine possède un cycle aromatique avec une fonction OH, et dérive directement de la synthèse de la phénylalanine. ! Il existe pour cette enzyme des déficits congénitaux (1 cas sur 15 000 naissances donc relativement important). Ceci empêche l’organisme de fabriquer de la Tyrosine. La conséquence métabolique est une accumulation de phénylalanine qui sera éliminée dans les urines (sa teneur peut atteindre 1000 mg pour 100mL d’urine) : c’est une phénylcétonurie. ! Cependant, la phénylalanine se révèle être très toxique pour le système nerveux central. Chez les nouveau-nés en France, dépistage systématique et obligatoire (à J3) par le test de Guthrie du déficit en Phénylalanine hydroxylase afin d’éviter la phenylcétonurie et ses complications (dont neurotoxicité). Si l’enzyme fait défaut, il n’existe pas de médicaments face à cette maladie et la seule approche est préventive en adoptant un régime pauvre en phénylalanine (éviter certains fruits, légumes ou bonbons gélifiés genre Haribo…). La carence en tyrosine ne sera pas significative puisque sa synthèse peut emprunter d’autres voies. ! En gros : On retient la voie de synthèse des AA à partir de dérivés du cycle de Krebs ou à partir de dérivés de la voie des pentoses phosphates. Elle ne posera pas de question du style : est-ce que la sérine dérive de ça ou ça… ? Il faut comprendre qu’il y a une voie de catabolisme, et quand les cellules en ont besoin, elles peuvent également resynthétiser les AA qui sont dits non essentiels. ! 2.Biosynthèse des dérivés d’acides aminés ! A – La synthèse des porphyrines Pour rappel, l’hémoglobine est une hétéroprotéine faite de 4 chaînes de globine, et sur chacune d’entre elles existe un groupement prosthétique (non protéique), l’hème, fait d’un noyau protoporphyrique. Ce dernier a vocation de permettre la fixation du fer ferreux Fe2+ responsable du transport de dioxygène dans la molécule d’hémoglobine. Ce qui nous intéresse dans ce cours, c’est de savoir comment est fabriquée cette molécule. ! ! sur !33 31 # Cette synthèse de protoporphyrine va nécessiter en premier lieu la présence de glycine. On voit ici une interaction entre réactions mitochondriales et cytosoliques, mais la synthèse commence au niveau mitochondrial. La première étape sera la prise en charge de la glycine par l’ALA synthétase (amino lévulinique acide synthétase) qui, en présence de succinyl-CoA (métabolite intermédiaire du cycle de Krebs), va catalyser une réaction de condensation entre les deux substrats, générant ainsi le DALA (D-amino lévulinique acid). Le DALA va subir ensuite une série de réactions pour générer le premier noyau protoporphyrine. Lui-même sera ensuite capable, après une oxydation, de donner le noyau protoporphyrine mature (facteur IX) qui fixe le fer ferreux, et c’est là que l’on obtient le groupement hème en question. Le groupement hème qui vient du succinyl-coA et de la glycine va être associé aux chaînes de globine. Chaque chaîne aura un groupement hème. On obtient une protéine tétramérique d’Hb opérationnelle qui fixe le O2. En cas de défaut de fabrication de ces noyaux protoporphyrines, on posera le diagnostic de syndrome de porphyrie. Il peut y avoir des déficits de premier grade alors asymptomatiques comme lors de déficience en porphobilinogène désaminase. Cependant, il existe une importante influence nutritionnelle (apport glycine) et environnementale (pollution perturbe le fonctionnement mitochondrial) donc on ne connaît pas encore la cause de ce type de déficience. On observe dans ce cas des douleurs abdominales et des dysfonctionnements neurologiques. A côté de cela, l’accumulation anormale d’uroporphyrinogène de type III faisant chuter la production d’Hb entraîne le syndrome du vampire (car besoin systématique de transfusion sanguine). Certaines mutations génétiques pourraient expliquer que, l’enzyme faisant défaut, il y a accumulation de ce métabolite ayant un impact en aval sur la production du noyau protoporphyrique. On comprend donc que les AA ne sont pas uniquement pourvoyeurs d’énergie. En effet, certains AA simples vont contribuer à la synthèse de molécules extrêmement importantes (la glycine pour l’Hb). C’est pour cela que la consommation de protéines est très importante pour un individu. ! ! ! sur !33 32 B – Synthèse de créatine A partir d’arginine et de glycine (again). # Au niveau du rein, il y a une condensation de la glycine et l’arginine par une ligase pour induire la fabrication de métabolites intermédiaires qui seront rapatriés au foie. Là, il y aura une synthèse de créatine en grande quantité, véhiculée au muscle. La créatine est donc issue de la condensation initiale de 2 simples AA (Arginine et Glycine). Puis, au niveau du muscle, la créatine kinase va phosphoryler la créatine pour générer de la créatine phosphate qui est LA réserve énergétique du muscle. Cette créatine kinase est uniquement présente au niveau musculaire, elle n’existe nulle part ailleurs. Quand on réalise un exercice musculaire qui nécessite beaucoup d’énergie, il est très simple de retirer le pyrophosphate extrêmement énergétique de la créatine phosphate par cyclisation spontanée. Synthèse d’ATP. C’est donc très rentable pour le muscle de puiser dans son stock de créatine phosphate. Le reste de la molécule cyclisée (une fois que l’on a utilisé le pyrophosphate) va être éliminé sous forme de créatinine dans l’urine. Donc lorsqu’on mesure les niveaux de créatinine et de créatine plasmatiques et urinaires, on peut avoir une idée du fonctionnement musculaire. En cas de fonte musculaire importante chez un individu, on va avoir une élévation importante du niveau de créatinine. Donc un taux de créatinine anormalement élevé au niveau plasmatique et urinaire, on peut suspecter des anomalies au niveau musculaire et aussi au niveau hépatique. Question : pourquoi hépatique ? Parce que si l’on a une surproduction de créatine ou au contraire une diminution de créatine, on aura une variation du niveau de créatinine. Question : pourquoi parle-t-on de fonte musculaire ? En situation de fonte musculaire, les protéines sont complètement dégradées en AA, et si la fonte musculaire continue, on va utiliser tout ce qui est possible en tant que substrat énergétique. Ainsi, les muscles vont dégrader en grande quantité la créatine phosphate pour générer du pyrophosphate. On aura donc une excrétion importante de créatinine. ! sur !33 33