Cours de Biochimie Métabolique II 3 Année LF Raoui Mounir MAAROUFI

Université de Monastir
INSTITUT SUPERIEUR DE BIOTECHNOLOGIE DE
MONASTIR
Année Universitaire 2015-2016
Cours de Biochimie Métabolique II
3ème Année LF
Raoui Mounir MAAROUFI
PLAN DU COURS
I – Rappels métabolismes glucides & lipides :
Voies métaboliques : Glycolyse, cycle de Krebs, β-oxydation, cétogenèse, voie des pentoses
phosphate.
II- Catabolisme des acides aminés :
Enlèvement de l’azote aminé, les réactions impliquées dans les voies de transamination,
désamination, et décarboxylation, le cycle de l’ornithine ou cycle de l’urée.
III- Acides aminés précurseurs de molécules d’intérêt biologique :
IV – La synthèse des acides aminés :
Les précurseurs des acides aminés, les deux types d’acides aminés, rôle central du
glutamate, les six familles d’acides aminés
IV - Métabolisme des acides nucléiques :
Introduction, Synthèse de novo et catabolisme des nucléotides puriques et pyrimidiques, le
recyclage des purines, la régulation de la synthèse des nucléotides.
Chapitre V
Le métabolisme des nucléotides
Introduction,
Synthèse de Novo des nucléotides puriques et pyrimidiques,
Catabolisme des nucléotides puriques et pyrimidiques,
Le recyclage des purines,
La régulation de la synthèse des nucléotides
INTRODUCTION
Le métabolisme des nucléotides comprend :
- Le catabolisme digestif des nucléotides (issus de l’hydrolyse des acides
nucléiques alimentaires par les ribonucléases, désoxyribonucléases et
polynucléotidases du tractus intestinal) par les nucléosidases produit
phosphate, ribose et bases libres (la plupart des bases sont dégradées et
excrétées)
- La synthèse de novo des nucléotides à partir d’intermédiaires
métaboliques
- Le catabolisme tissulaire des nucléotides issus du renouvellement des
acides nucléiques
- Le recyclage des purines, la synthèse de novo des nucléotides puriques
étant très coûteuse en énergie, ceci permet d’en faire l’économie
INTRODUCTION
Les nucléotides jouent un rôle dans presque tous les processus biochimiques :
- Monomères des acides nucléiques (ADN et ARN)
- Constitutifs de : NAD, NADP, FAD et FMN, coenzymes d’oxydoréduction et du
coenzyme A, coenzyme de transfert des groupements acyle
- Constitutifs de l’ATP, monnaie d’échange énergétique universelle
- Des dérivés nucléotidiques sont les intermédiaires activés de réactions de
synthèse (ex: UDP-glucose et glycogénogénèse …)
- Régulateurs métaboliques : l’ATP intervient dans le contrôle allostérique ou par
modification covalente d’enzymes, l’AMPc et le GMPc sont des seconds
messagers cellulaires …
L’importance des nucléotides dans le métabolisme cellulaire est telle que toutes les
cellules peuvent les métaboliser. Chez les mammifères, le métabolisme des
nucléotides a lieu surtout dans le foie.
Synthèse de novo des nucléotides puriques et pyrimidiques
1) La partie ribose phosphate des nucléotides pyrimidiques et puriques provient du 5phosphoribosyl-1-pyrophosphate (PRPP), forme activée du ribose 5 phosphate issu de la voie
des pentoses phosphates
2) Le cycle pyrimidine est assemblé à part puis uni au ribose 5 phosphate pour former le 1er
nucléotide pyrimidique : l’orotidine monophosphate (OMP) ou orotidylate, dont la base est
l’orotate. Tous les nucléotides pyrimidiques sont synthétisés à partir de l’OMP.
3) Le cycle purine est formé à partir du ribose 5 phosphate lui-même, pour former, en 10
réactions, le 1er nucléotide purique, l’inosine monophosphate (IMP) ou inosinate, dont la base
est l’hypoxanthine. Tous les nucléotides puriques sont synthétisés à partir de l’IMP.
Synthèse de novo des nucléotides puriques et pyrimidiques
2) Le cycle pyrimidine est assemblé à part puis uni au ribose 5 phosphate pour former le 1er
nucléotide pyrimidique : l’orotidine monophosphate (OMP) ou orotidylate, dont la base est
l’orotate. Tous les nucléotides pyrimidiques sont synthétisés à partir de l’OMP.
x
y
z
BASE
PYR
nucléotide PYR
PRPP
PRPP
Synthèse de novo des nucléotides puriques et pyrimidiques
3) Le cycle purine est formé à partir du ribose 5 phosphate lui-même, pour former, en 9
réactions, le 1er nucléotide purique, l’inosine monophosphate (IMP) ou inosinate, dont la base
est l’hypoxanthine. Tous les nucléotides puriques sont synthétisés à partir de l’IMP.
x
PRPP
y
z
nucléotide PUR
Biosynthèse des nucléotides pyrimidiques
1) Etape préliminaire : synthèse du carbamyl P à partir de la glutamine, du CO2 et de
l’ATP,
Etape limitante ++++
L’enzyme : la Carbamyl P synthétase II (cytosolique, ubiquitaire avec la glutamine comme donneur
d’azote) : très différente de celle de l’uréogénèse (mitochondriale, hépatique ave le NH3 comme
donneur d’azote)
Glutamine
+
2 ATP
+
HCO3-
O
O
H 2 N C O P O2 ADP+Pi
+
Glutamate
OCarbamylphosphate
Biosynthèse des nucléotides pyrimidiques
2) Aspartate transcarbamylase (ATC)
Condensation avecon à l’ac. aspartique pour former l’acide carbamylaspartique
O
-O
O
C
O
CH2
CH
O
Aspartate
-O
COO-
H2N
H 2 N C O P O-
O
ATC
OCarbamylphosphate
+
ATP
H2N
-
C
C
CH2
CH
COO-
N
H
Carbamylaspartate
CTP
L’Aspartate transcarbamylase ++ est un enzyme allostérique dont l’inhibiteur spécifique
est le CTP et son activateur l’ATP
Biosynthèse des nucléotides pyrimidiques
3) dihydroorotase: fermeture du cycle par déshydratation
O
O
-O
CH2
H2N
O
C
C
CH
C
HN
dihydroorotase
O
COO-
N
H
Carbamylaspartate
CH2
C
H 2O
CH
COO-
N
H
Ac Dihydroorotique
4) En présence de NAD, la dihydroorotique déshydrogénase forme l’acide orotique
O
HN
O C
C
CH2
C COON
H
H
Dihydroorotate
O
dihydroorotique
déshydrogénase
C
HN
O
NAD+
NADH + H+
mitochondrie
C
5 CH
6C COO-
N
H
Orotate
Biosynthèse des nucléotides pyrimidiques
5) Formation du nucléotide
a) Formation du PRPP (5’ Phosphoribosyl-1-PyroP)
Le PRPP est synthétisé à partir du ribose P par une « kinase inhabituelle » avec transfert du PyroP
et non d’un phosphate : la PRPP synthétase : enzyme allostérique à 2 domaines
R
C
Régulateur (changements allostériques) et Catalytique
O
-O
P O CH2
Mg++
O
ATP
-O
AMP
O
-O
P O CH2
-O
OH
HO
OH
O
O
O
5’P-Ribosyl-PyroP synthétase
ribose 5’-phosphate
-
HO
OH
P
O-
O
O
P OO-
5’-phosphoribosyl-1’-pyrophosphate
(5’ PRPP)
PURINES ET PYRIMIDINES
PYR
Réaction commune aux 2 voies (Pyr et Pur)+++
PUR
Biosynthèse des nucléotides pyrimidiques
b) le PRPP se combine à l’acide orotique sous l’action de l’orotate phosphoribosyl
transférase ⇒ Orotidine 5’-phosphate (ou acide orotydilique)
O
C
O
C
HN
O
HN
CH
C COO-
C
O
P OCH2
N
H
Orotate
CH
C COO-
C
N
O
Mg++
orotate phosphoribosyl
transférase
Orotidine
5’-monophosphate
(OMP)
Biosynthèse des nucléotides pyrimidiques
c) Décarboxylation irréversible de l’acide orotidylique ⇒
UMP (acide uridylique ou Uridine - 5P)
O
C
HN
O
P OCH2
O
C
CH
HN
C COO-
C
N
CO2
O
O
P OCH2
CH
CH
C
N
O
Oritidine-5’ Pdécarboxylase
Orotidine
5’-monophosphate
(OMP)
Uridylate (UMP)
L’UMP est alors 2 fois phosphorylé par des kinases non spécifiques pour donner l’UTP
UMP + ATP
UDP + ADP
UDP + ATP
UTP + ADP
Biosynthèse des nucléotides pyrimidiques
d) l’UTP est transformé en CTP (cytidine Tri Phosphate par amination en C4 à partir de
la glutamine) :
Glutamine
+
ATP
NH2
Glutamate
+
ADP+ Pi+ H2O
C
N
UTP
CTP
synthétase
P
P
O
P OCH2
CH
CH
C
N
O
Cytidine Tri-Phosphate
(CTP)
H2N
1
O
C
C
-O
CH2
H2N
O-
P
CH2
H2N
CH COO-
O
O
Aspartate
C
-O
Glutamine
+
2 ATP
+
HCO3-
O
O
Vue d’ensemble de la
Biosynthèse des nucléotides pyrimidiques
O
2
O-
C
CH COON
H
Carbamylaspartate
Carbamylphosphate
3
O
HN
H2O
O
C
CH
C
O C
P OCH2
N
O
O C
5
N
H
NADH+H+
5 CH
6C
NAD+
COO-
C
HN
O C
4
mitochondrie
Orotate
Orotidine
5’-monophosphate
(OMP)
N
H
CH2
C
C
HN
C
O
P OCH2
COOH
Dihydroorotate
O
6
CO2
C
HN
COO-
O
NH2
CH
N
O
ATP
7
Uridylate (UMP)
C
Glutamine
Glutamate
+
+
ATP
ADP+ Pi
CH
P
ATP
UDP
8
O
UTP
P
P OCH2
N
CH
C
CH
O
9
CTP
N
Biosynthèse des nucléotides pyrimidiques
(suite)
e) Biosynthèse de la Thymidine
•Réactions d’interconversions: n’existant que dans l’ADN, elle n’est synthétisée qu’à partir de
désoxyribonucléotides : les ribonucléotides diphosphorylés (ex CDP) sont transformés en
désoxyribonucléotides (dCDP) par réduction du ribose en 2’par le système Thiorédoxine-réductase
/ ribonucléotide réductase
• Puis biosynthèse de la Thymidine par apport de CH3 par le THF sur le dUMP
CDP
UDP
ADP
GDP
ATP
+
dCDP
dUDP
dADP
dGDP
dATP
-
S
SH
Ribonucléotide
réductase
Ribonucléotide
réductase
S
SH
Thiorédoxine
oxydée
SH
Thiorédoxine
réduite
SH
S
S
Thiorédoxine
réductase
FADH2
NADP+
dTMP
FAD
NADPH2
Biosynthèse de la (désoxy)thymidine par apport de CH3 par
le THF sur le dUMP
Fluorouracile
O
HN
O
dUMP
N
5
HN
-
CH3
dTMP
Thymidylate
synthase
O
N
ribose 5’-phosphate
ribose 5’-phosphate
N5, N10-méthylènetétrahydrofolate
Glycine
Sérine
Donneur de CH3
O
7,8-dihydrofolate
Sérine
Hydroxyméthyl
transférase
Tétrahydrofolate
(THF)
NADPH + H+
Dihydrofolate
réductase
NADP+
méthotrexate
-
Régulation de la
biosynthèse des bases
pyrimidiques (Pyr)
Glutamine + 2 ATP + HCO3Carbamylphosphate
synthétase II
+
carbamylphosphate
aspartate
+
ATP
-
Aspartate
transcarbamylase
carbamylaspartate
orotate
Purines
Orotate phosphoribosyl
transférase
PRPP
OMP
OMP décarboxylase
UMP
dTMP
dUDP
N5-N10méthylène THF
ribonucléotide
réductase
UDP
UTP
CTP
-
Biosynthèse des nucléotides puriques
1) Synthèse de l ’IMP (acide Inosinique) : Biosynthèse des nucléotides puriques: 10 étapes dont
la première est catalysée par une enzyme allostérique strictement régulée. L ’ensemble mène à
l’acide inosinique.
Glutamate
O
-O
P O CH2 O
-O
-O
O
O
OH
HO
O
P
O
O-
Glutamine
P
O-
O-
PRPP glutamyl
Aminotransférase (PAT)
PRPP
PRPP
-
HN1
HC
2
C
6
3
N
5C
4
C
7
9
8 CH
N
OH
NH2
PPi
OH
5’-phosphoribosylamine
5’-phosphoribosylamine
-
N
P O CH2 O
-O
HO
HO
Glycine
N5, N10-méthylènetétrahydrofolate
AMP
GMP
O
-O
P O CH2 O
-O
+
O
Inosinate
Inosinate
(IMP)
(IMP)
O
Glutamine
Bicarbonate
Aspartate
N10-formyltétrahydrofolate
La première étape: amination du
PRPP par la 5PRibosylpyrophosphate-glut. amidotrfase fait l’objet d’une rétro-ihibition
cumulative par AMP, GMP, et IMP. Nb:
il n’existe pas d’activation par les
bases pyrimidiques.
Biosynthèse des nucléotides puriques
- Le nucléotide est constitué d’emblée à partir du PRPP et non après la synthèse du cycle (différent des
bases Pyr)
- les donneurs d’azote sont : Glutamine (2), Glycine (1), Aspartate (1)
- Les carbones proviennent de: Glycine(2), Ac. Formique (2), CO2 (1)
- Origine des atomes du squelette purique :
Glycine
HCO3
C
6
Aspartate
N1
Acide formique THF
N
7
5C
C2
3
N
4C
8C
9
N
Glutamine
Glutamine
Acide formique THF
Biosynthèse des nucléotides puriques
Biosynthèse des nucléotides puriques
2) de l’IMP à l’AMP par amination en C6
NB : en cas d ’excès d’ATP,
l’activation par l’ATP de
l’AMP désaminase régénère
l ’IMP pour privilégier la synthèse
de GTP (+++)
H
-OOC
CH2
GDP
+ Pi + H2O
HN
N
+ GTP
6
N
NH2
Fumarate
N
N
N
Adénylosuccinate
lyase
Ribose-P
Adénylosuccinate
synthétase
-
+
NH3
N
Adénylate
(AMP)
AMP Désaminase
Inosinate
(IMP)
N
Ribose-P
N
Ribose-P
6
N
Adénylosuccinate
Asp
N
COO-
NH
N
O
C
ATP
GTP
GTP
Biosynthèse des nucléotides puriques
3) de l’IMP à l’acide guanylique (GMP) par amination en 2
Après oxydation de l’IMP en Ac Xanthylique (XMP), fixation d’une amine sur le C2 à partir d’une
glutamine
Fumarate
Adénylosuccinate
Adénylate
(AMP)
Adénylosuccinate
lyase
Adénylosuccinate
synthétase
O
N
HN
N
N
Ribose-P
Inosinate
(IMP)
IMP
déshydrogénase
H2O
-
NAD+
NADH + H+
O
N
HN
N
2
2
O
O
Gln Glu + AMP
+PPi
+ ATP
HN
NH
N
GMP
synthétase
Ribose-P
Xanthylate
(XMP)
H2N
N
N
Ribose-P
Guanylate
(GMP)
ATP
-
AMP
Nucléotides
pyrimidiques
Ribose 5’-phosphate
PRPP
PRPP synthétase
-
Gln
-
PRPP glutamyl
aminotransférase
Glu
-
5’-phosphoribosylamine
Régulation de la biosynthèse des bases puriques (Pur)
Xanthylate
⊕
GMP
IMP
⊕Adénylo
succinate
AMP
Désaminase
⊕
AMP
GDP
ADP
GTP
ATP
Recyclage des bases et nucléotides puriques
a) La récupération des nucléosides puriques est négligeable :
uniquement l’adénoside et la désoxy-adénosine grâce à
l’adénosine kinase
Adénosine kinase
Adénosine
AMP
ATP
ADP
En revanche l ’adénosine kinase dans les tissus périphériques assure la fonction très
importante de resynthèse de l’AMP à partir de l’adénosine qui leur est adressée par le
foie.
Recyclage des bases et nucléotides puriques
b) Réactions de recyclage des bases puriques (++++):
* APRT (Adénine-P ribosyl Transférase)
A.P.R.T.
Adénine
Adénosine
5’PRPP
P~P
* HGPRT (Hypoxanthine -Guanine- Phosphoribosyl Transférase
Guanine
H.G.P.R.T.
5 ’PRPP
Hypoxanthine
5 ’PRPP
GMP
P~P
P~P
IMP
AMP
Recyclage des bases et nucléotides puriques
Conclusions
- Les bases pyrimidiques ne sont pas recyclées malgré des besoins identiques =>
Biosynthèse «de novo» des Pyr >>> Pur
- La biosynthèse des Pyr est activée par les Pur mais pas l’inverse
- Le recyclage des bases Pur est intense dans les tissus à renouvellement rapide:
Lc, érythroblastes, fibroblastes, hépatocytes
- Le recyclage génère une importante économie d’énergie: synthèse « de novo »
d’AMP consomme 7 liaisons riches en énergie, et 8 pour celle de GMP,
tandis que le recyclage seulement 2.
Catabolisme des acides nucléiques et nucléotides
-1) Catabolisme des acides nucléiques
Acides nucléiques
Hydrolyse enzymatique
(exo-, endo-, Dnases, Rnases
nucléases)
Nucléotides
Phosphatase
Acide Phosphorique
Nucléosides
Nucléosidase
Base azotée
Ose
-2) Catabolisme et récupération des nucléotides Pur (essentiellement hépatique)
AMP désaminase
IMP
AMP
Adénosine
kinase
5’-nucléotidase
5’-nucléotidase HGPRTase
Pi
Adénosine
APRTase
GMP
Pi
ADA
Inosine
Purine Nucléoside
Phosphorylase
PRPP
HGPRTase
Pi
Guanosine
PRPP
PRPP
PNP
PNP
Ribose
Ribose
Ribose
Guanine
Hypoxanthine
Adénine
NAD+
NADH
O2
H2O2
O2.
H2O
NH3 Guanase
Xanthine
oxydase
Xanthine
-
NAD+
Allopurinol
O
NADH
NH
HN
O2
NH
NH
(primates, reptiles)
O
H2O2
O2.
C
H2N
Acide urique
O
2H2O+ O2
NH
O
Uricase
O
O
Allantoïne
H2O2+ CO2
CH
NH
NH
Catabolisme des acides nucléiques et nucléotides
Les nucléotides puriques sont catabolisés en acide urique, les nucléotides
pyrimidiques en acétyl-CoA ou succinyl-CoA.
Chez l ’homme, le catabolisme complet des bases puriques mène à l’acide urique
par action successive : 5’nucléotidases, Purine nucléoside phosphorylase (PNP),
Xanthine oxydase; essentiellement hépatocytaire, rénal et accessoirement
intestinal.
Xanthine et hypoXanthine issues de la dégradation de GMP et AMP, quittent les
tissus périphériques ⇒ circulation sanguine ⇒ foie, rein et intestin. En revanche
Adénine et guanine ne sont pas exportées
Au niveau hépatique, l’hypoxanthine, sous l ’effet de l’HGPRT, redonne l’IMP,
puis l’AMP, puis l’adénosine qui est exportable vers les tissus périphériques.