Métabolisme : Bases et Concepts PDF

Dr Frédérique Sabourdy Biochimie - n°1-2 GALY Emma 11/09/2024 – 8h-10h Ronéo n°1 HOELLINGER Anastassia MÉTABOLISME : BASES ET CONCEPTS I. Définitions (Métaboli...

Dr Frédérique Sabourdy Biochimie - n°1-2 GALY Emma 11/09/2024 – 8h-10h Ronéo n°1 HOELLINGER Anastassia MÉTABOLISME : BASES ET CONCEPTS I. Définitions (Métabolisme, réactions chimiques, les acteurs) 1) Métabolisme Il existe plusieurs définitions du métabolisme selon les sources : ➔ Ensemble des réactions chimiques (= transformation de la matière) qui se déroulent à l’intérieur d’un être vivant et lui permettent de se maintenir en vie, de se reproduire, de se développer, de répondre aux stimuli de son environnement. (Wikipédia) ➔ Ensemble des réactions de synthèse, génératrices de matériaux (anabolisme), et de dégradation, génératrices d'énergie (catabolisme), qui s'effectuent au sein de la matière vivante à partir des constituants chimiques fournis à l'organisme par l'alimentation et sous l'action de catalyseurs spécifiques : les enzymes. (Centre national de ressources textuelles et lexicales) ➔ Ensemble des processus complexes et incessants de transformation de matière et d'énergie par la cellule ou l'organisme, au cours des phénomènes d'édification et de dégradation organiques (anabolisme et catabolisme). (Larousse) Il y a un équilibre entre anabolisme/synthèse et catabolisme/dégradation. 2) Réactions chimiques / Voies métaboliques Les réactions chimiques sont des transformations de la matière (ici des molécules = M = métabolites), elles sont le plus souvent catalysées par une enzyme. Dans les organismes vivants ces enzymes sont, pour la plupart, sous forme de protéines. Une succession de réactions chimiques forme une voie métabolique avec un réactif initial (M1) et un produit final (M4). Il existe 3 grands acteurs : - les enzymes : sont des catalyseurs des réactions chimiques, elles ont souvent besoin d’un activateur (cofacteur/co-enzyme), si l’enzyme ou si le cofacteur n’est pas présent il n’y a pas de réaction chimique. - les activateurs (Coenzymes) : ce sont majoritairement les vitamines (en particulier la vitamine B) qui sont à l’origine des coenzymes. Si ces activateurs sont des métaux alors ce sont des cofacteurs. - les transporteurs : permettent à un métabolite de passer d’un compartiment cellulaire à un autre, par exemple : du cytoplasme vers la mitochondrie. 1  3) Catabolisme/Anabolisme/Homéostasie Catabolisme : Ensemble des réactions de dégradations moléculaires, souvent des oxydations (glycolyse, bêta oxydation). Elles libèrent de l’énergie pour la plupart. Anabolisme : Ensemble des réactions de synthèses moléculaires, souvent des réductions. Elles consomment de l’énergie. Homéostasie : Résulte de l’équilibre entre catabolisme et anabolisme. Maintien, à leur niveau normal, des différentes constantes physiologiques de l’individu. Exemple : maintenir le pH à 7,2-7,4, la température à 37°C, maintenir la glycémie à un taux normal. Le catabolisme est le processus par lequel des macromolécules, tels que les acides nucléiques, les polysaccharides, les protéines et les lipides, sont dégradés en monomères : les nucléotides, les glucides, les acides aminés et les acides gras. Ces monomères sont ensuite eux-mêmes catabolisés pour produire des molécules oxydées qui permettent de faire de l’énergie qui sera stockée dans la cellule sous forme d’ATP et de coenzymes réduits. En fin de compte, cela génère un déchet : du CO2 et des petites molécules de couplage (ATP, NADH, FADH2) qui peuvent être réutilisées dans des transformations anaboliques où la réaction inverse se produit. Il est important de noter que tous ces processus fonctionnent en équilibre : les concentrations de ces molécules dans le sang sont à peu près stables. II. Les grandes voies métaboliques Le métabolisme est complexe et c’est un processus présent dans toutes les cellules. Celui-ci est différent selon les cellules, les moments de la vie, notre alimentation et surtout selon les tissus. Exemple : Le métabolisme du foie est différent de celui des globules rouges. 1) Le catabolisme énergétique Cette voie est présente dans quasiment toutes les cellules. Elle consiste à dégrader des molécules énergétiques provenant de notre alimentation ou fabriquées par le foie (corps cétoniques) afin de produire de l’énergie. 2 Les principales sources d'énergie sont les suivantes : Les glucides ont pour monomère le glucose. Pour les lipides, ce sont les acides gras (AG). Pour les protéines, ce sont les acides aminés (AA). Le foie produit également des corps cétoniques comme substrats énergétiques. Ces substrats énergétiques sont traités dans différentes parties de la cellule. Le glucose est oxydé dans le cytosol, tandis que les AG, les AA et les corps cétoniques sont oxydés dans les mitochondries. Les corps cétoniques sont fabriqués par le foie, ils ne proviennent pas de l’alimentation. Ces substrats énergétiques ont différentes voies d’oxydation : Le glucose est dégradé par la glycolyse (production de peu d’ATP et de coenzyme contrairement à la β-oxydation). Les AG sont oxydés dans la mitochondrie grâce à la β-oxydation. Les AA perdent leur groupe amine dans le cytoplasme, puis leur chaîne carbonée est oxydée dans la mitochondrie. Vu plus tard. Les corps cétoniques sont oxydés dans la mitochondrie via la cétolyse. L’objectif final est de produire de l’Acétyl-CoA (acide gras lié au coenzyme A et à 2 atomes de carbone) ou d’autres intermédiaires du cycle de Krebs, qui alimentent ce cycle. Les réactions d’oxydation génèrent des coenzymes réduits (NADH,H+ ; FADH2) qui sont ensuite utilisés par la chaîne respiratoire mitochondriale. Cela apporte des atomes d’hydrogène (H+ et électrons). Grâce au transfert d’électrons dans la chaîne respiratoire mitochondriale et à la concentration de protons (gradient électrochimique) dans l’espace intermembranaire, l’ATP synthase, située en bout de chaîne, va utiliser cette énergie pour créer de l’ATP à partir d’ADP (l’ATP étant un réservoir d’énergie sous forme de liaisons riches en énergie entre les groupements phosphates). L’accepteur final, l’oxygène, se couple avec les électrons ce qui donne de l’eau. C’est un rappel essentiel. En résumé, le catabolisme énergétique consiste en l'oxydation des substrats énergétiques, la production de coenzymes réduits et leur utilisation dans la chaîne respiratoire mitochondriale pour générer de l'ATP, qui est une source d'énergie essentielle pour la cellule. Il est important de noter que toutes les cellules n'ont pas de mitochondries. C’est le cas des globules rouges qui sont donc obligés d'utiliser principalement le glucose comme source d'énergie et de l'oxyder dans leur cytoplasme. Cela entraîne la glycolyse anaérobie, où le pyruvate est converti en 3 lactate par une enzyme appelée lactate déshydrogénase. Les globules rouges sont de gros producteurs de lactate. Le cerveau, quant à lui, ne peut pas utiliser les AG car ils sont trop volumineux pour traverser la barrière hémato-encéphalique. Par conséquent, le cerveau est lui aussi glucodépendant et lorsque la disponibilité en glucose est réduite, le foie va produire des corps cétoniques pour répondre aux besoins énergétiques du cerveau. L’objectif final est de produire des coenzymes réduits et de l’ATP pour assurer les fonctions des différents tissus : l’exercice musculaire, les réactions de synthèse et le fonctionnement cellulaire. 2) Origines des carburants Ces carburants énergétiques viennent : ➔ De l’alimentation : les glucides nous apportent du glucose, les lipides des AG et les protéines des AA (apport mineur). ➔ De réserves : lorsqu’il n’y a plus d’apport par l’alimentation, on stocke dans le foie, le muscle et le tissu adipeux. Les glucides sont en réserve sous forme de glycogène dans le foie pour maintenir la glycémie et dans les muscles pour leur propre fonctionnement. Pour transformer le glycogène en glucose, ils vont faire de la glycogénolyse. Les lipides sont en réserve sous forme de triglycérides (TG) dans le tissu adipeux. La lipolyse est le processus de dégradation des triglycérides en acides gras et en glycérol. Cette réaction est catalysée par des enzymes appelées lipases. Les protéines sont essentiellement en réserve dans le muscle, la protéolyse donnera des AA. C’est vraiment en dernier recours. ➔ Des synthèses hépatiques : une fois qu’il n’y a plus d’apport alimentaire et plus de réserves. Dans cette situation, le foie joue un rôle vital car il est capable de faire des réactions uniques qu’aucun autre organe ne peut réaliser. Par exemple, il peut resynthétiser du glucose à partir d’AA glucoformateurs par la néoglucogenèse (quasi spécifique du foie car elle peut être réalisée par le rein ou l’intestin). Le foie est également le seul organe capable de réaliser la 4  cétogenèse qui consiste à synthétiser des corps cétoniques essentiels au cerveau et aux muscles. 3) Néoglucogenèse et cétogenèse hépatiques : La néoglucogenèse, en gros, c'est la glycolyse à l’envers. Elle se fait à partir des AA glucoformateurs, qui fournissent les intermédiaires du cycle de Krebs en s’oxydant à partir de composés tels que le lactate (produit par les globules rouges) et le glycérol des triglycérides. Ce processus est finement régulé et il est rendu possible grâce aux régulations hormonales. La synthèse des corps cétoniques se fait grâce à l’Acétyl-CoA produit par la ß-oxydation des AG. Le glucose et les corps cétoniques fabriqués par le foie vont être reversés dans la circulation sanguine et vont pouvoir alimenter tous les tissus et tous les organes, en particulier le muscle et le cerveau pour les corps cétoniques. La coopération inter-organes est un concept super important dans le métabolisme, elle varie en fonction des besoins du moment et elle est illustrée par la capacité du foie à resynthétiser des substrats énergétiques pour approvisionner les autres tissus. 4) Coopération inter-organes (diapo la plus importante du cours, bien la comprendre) Il y a plusieurs états : ➔ L’état nourri, également appelé état absorptif, correspond à la période allant de T0 à 4 heures après un repas. Il y a un afflux important de nutriments dans l’intestin : des glucides (CHO), des lipides (TG) et des protéines. Ils sont digérés puis absorbés au niveau de l’intestin. Les glucides se transforment en glucose, les acides gras se réassemblent en triglycérides, formant ainsi des lipoprotéines appelées 5  chylomicrons, qui sont stockées dans les tissus adipeux. Quant aux protéines, elles sont décomposées en acides aminés. L’intestin a une particularité : il est relié directement au foie par la veine porte, cela permet au foie de recevoir tous les nutriments et de les organiser. Ce dernier utilise principalement les acides aminés pour son propre métabolisme, tandis que le glucose est stocké sous forme de glycogène et distribué aux différents tissus. Les AG sont stockés dans le tissu adipeux sous forme de TG et les muscles stockent du glycogène. Les AA sont utilisés par le foie pour fabriquer des protéines, dont les protéines plasmatiques essentielles (l’albumine, les facteurs de coagulation…). Les AA sont également acheminés vers les muscles, où ils sont utilisés pour la synthèse des protéines musculaires et pour constituer des réserves. Le cerveau est l’organe qui consomme le plus d'énergie dans notre corps. Il est, avec les GR, insulino indépendant. Ils ne stockent donc pas le glucose, ils le consomment dès qu’il y en a. ➔ État post-absorptif : de 4 à 12 heures après le repas. C’est un état intermédiaire dans lequel la concentration de glucose commence à diminuer, car il a été bien consommé, entraînant ainsi une réduction de la sécrétion d'insuline. Dans le même temps, le taux de glucagon, qui est une hormone hyperglycémiante, augmente légèrement. ➔ État de jeûne : au-delà de 12 heures. Dans les états post-absorptifs et à jeun, lorsque la concentration de glucose diminue, le foie détecte un signal en raison de la baisse d’insuline. En réponse, il dégrade le glycogène pour produire du glucose, qui est ensuite libéré dans la circulation sanguine. Cela permet à tous les organes de maintenir leur fonctionnement, en particulier ceux qui dépendent du glucose, tels que le cerveau et les globules rouges. Le foie va également faire de la néoglucogenèse, un processus de synthèse du glucose à partir d’AA glucoformateurs ; du glycérol provenant des triglycérides stockés dans le tissu adipeux ; et du lactate produit par les globules rouges. Ces actions visent à maintenir la glycémie à un niveau normal. Dans cet état, les organes qui savent utiliser les AG vont se mettre à les consommer et donc à faire la ß-oxydation. En dernier lieu, le foie commence à produire des corps cétoniques pour permettre au cerveau d’avoir suffisamment de substrats et essayer d’économiser les AA. 6 III. Régulation enzymatique 1) Disponibilité en substrat Les enzymes fonctionnent davantage si elles ont plus de substrats. Sur ce graphique, on voit que l’activité d’une enzyme augmente avec la concentration en substrats. On peut ainsi définir son affinité : plus le Km est faible, plus l’enzyme va avoir de l’affinité pour son substrat. - V Max : vitesse maximale quand la concentration de substrat est saturée. - km : concentration en substrat pour avoir vitesse maximale. On le reverra en ED. 2) Coopération allostérique Il existe différents types d’enzymes. Certaines d’entre elles fonctionnent en mode « on-off » (en pointillé) ce qui signifie qu’elles s’activent et captent leur substrat dès qu’elles en rencontrent. Et il existe des enzymes qui ont une configuration tétramérique contenant des liaisons faibles (comme l’hémoglobine), ce qui fait qu’elles ont une régulation progressive. Au début, elles n’arrivent pas à capter leur substrat car leurs sites actifs n’ont pas la bonne conformation pour l’accueillir. Mais, si l’on ajoute du substrat, il va y avoir un changement de conformation entraînant une meilleure affinité du site actif pour le substrat. Les 3 autres sous unités vont alors capter à leur tour le substrat, accélérant ainsi le processus enzymatique et produisant une courbe sigmoïde. Ces enzymes sont plus adaptées lorsqu’il y a des variations en substrat. 3) Température et pH Les enzymes sont régulées par la température et le pH. En général, elles ont une activité optimale à 37°C ce qui signifie que si on a une hypothermie ou une hyperthermie, le métabolisme est affecté. Elles ont aussi un pH optimal spécifique, certaines fonctionnent à pH neutre (sang, cytoplasme : 7,4), d’autres à pH acide ou à pH alcalin. Cette diversité de pH est très utile car dans le lysosome qui a un pH de 4 beaucoup d’enzymes fonctionnent à pH acide. Exemple : phosphatase acide. 7  4) Activateurs/Inhibiteurs allostériques Un activateur peut agir directement sur une réaction enzymatique mais souvent le produit final de la voie métabolique est un inhibiteur de la première réaction de la voie métabolique : c’est un rétrocontrôle négatif qui permet d’éviter la surproduction du produit final. Un inhibiteur compétitif prend la place du substrat dans le site actif d’une enzyme et empêche ainsi le substrat de se fixer. Il y a des activateurs et des inhibiteurs qui interagissent avec des sites spécifiques de l’enzyme. Ils ne se mettent pas à la place du substrat, laissant ainsi le site actif libre. Cependant, ils modifient la conformation de l’enzyme de manière à faciliter l'accueil du substrat dans le cas de l'activateur, ou au contraire à rendre le site actif incompatible avec le substrat dans le cas de l'inhibiteur. Exemples d’activateurs ou d’inhibiteurs allostériques : la première réaction de la glycolyse est une étape très importante et régulée. Dans cette réaction, le produit inhibe sa propre production (cette régulation n’existe pas dans le foie). Quand il y a assez d’ATP dans la cellule, cela a pour effet d’inhiber les réactions irréversibles de la glycolyse et donc de la stopper. De plus, le Fructose 2,6-bisPhosphate joue un rôle clé car il permet au foie, sous l’influence de l’insuline, de savoir s’il doit favoriser plutôt la glycolyse ou plutôt la néoglucogénèse. Il ne peut donc jamais faire les deux en même temps. 8  5) Régulation par modifications post-traductionnelles Cette régulation est plus lente et implique des modifications post-traductionnelles des enzymes comme une glycosylation ou des phosphorylations (++). Schéma détaillé en cours par la professeur. Par exemple, lorsqu'une hormone telle que le glucagon, adrénaline (hormone hyperglycémiante) est présente, elle déclenche une cascade de signalisation qui active une kinase PKA, une enzyme chargée de phosphoryler d'autres enzymes, en libérant ses sous unités catalytiques. Elles phosphorylent des enzymes impliquées dans la glycogénogenèse, notamment la glycogène synthétase. La phosphorylation de ces enzymes entraîne leur inactivation ou une activation des enzymes. Ici le glucagon va inhiber la glycogène synthétase ce qui entraîne une diminution de la glycogénogénèse et une augmentation de la glycogénolyse. En réponse, l’insuline va contrer l’action du glucagon en activant des phosphatases qui déphosphoryle les enzymes et en détruisant l'AMP cyclique en activant des phosphodiestérases, donc la voie de signalisation induite par le glucagon sera supprimée. Exemple de la PFK2 : explique la coopération métabolique L’enzyme PFK2 active la glycolyse. C’est l’adrénaline qui permet la phosphorylation et donc l’activation de cette enzyme. Cependant, il est important de noter que cette enzyme présente des séquences différentes dans le foie et dans le muscle, ce qui entraîne des effets opposés en fonction du tissu. Lorsque l'enzyme PFK2 est phosphorylée dans le muscle, elle devient active, favorisant ainsi la glycolyse dans ce tissu musculaire. En revanche, dans le foie, la phosphorylation de l'enzyme a un effet inhibiteur, réduisant ainsi l'activité de la glycolyse hépatique. Le foie envoie donc le glucose dans l’organisme alors que le cœur l'utilise pour faire de l’énergie. Cette différence de régulation permet une adaptation précise du métabolisme en fonction des besoins énergétiques spécifiques de chaque tissu. 9  6) Régulation transcriptionnelle : la plus complexe Cette régulation agit sur la transcription des gènes qui codent pour les enzymes. Cette fois-ci la phosphorylation ne se fait pas directement sur des enzymes mais sur des facteurs de transcriptions (protéines) qui se fixent sur le promoteur des gènes cibles pour activer l’expression des gènes des enzymes. Exemple de la régulation du cholestérol : Quand il y a une baisse de la concentration du cholestérol dans la cellule il y a un petit facteur de transcription qui va venir se fixer sur les gènes codant pour des enzymes qui permettent la synthèse du cholestérol. Ces enzymes activées vont entraîner l’augmentation de la synthèse de cholestérol mais aussi de ces récepteurs. Pas trop détaillé car cela va être revu plus tard. IV. Compartimentation du métabolisme, spécialisations tissulaires et cellulaires (diapo super importante la prof l’a bien détaillé) 1) Spécificités tissulaires Les lipoprotéines sont le moyen de transport des lipides dans le sang. Les globules rouges n’ont pas de noyau, ni de mitochondries, elles n’ont que du cytosol. Le cerveau a la spécificité de ne pas savoir utiliser des AG. 10  2) Compartimentation cellulaire Il ne faut pas oublier le péroxysome : petit organite qui va faire la β-oxydation des AG à très longues chaînes (plus de 22 atomes de carbone, C24, C26). Il a un rôle essentiel car il synthétise les précurseurs des acides biliaires et des phospholipides importants pour le système nerveux. 3) Conclusion Le métabolisme n’est pas figé mais au contraire extrêmement dynamique et modulable. Il varie en fonction de multiples paramètres pour répondre aux besoins de l’organisme en fonction des contraintes vitales (croissance etc..) ou environnementales (température, stress..). Il est régulé pour s’adapter et pour maintenir l’homéostasie. Il faut garder en tête les notions de spécificité tissulaire et de compartimentation cellulaire. Il existe des organes spécialisés pour certaines voies métaboliques (le foie est un acteur central+++ du métabolisme), et des organes de réserve (muscle). Il faut enfin retenir la coopération inter tissulaire et inter organes. 11  MÉTABOLISME ET EXPLORATION DES ACIDES AMINÉS, DE L’URÉE ET DES PROTÉINES Introduction et Généralités Les protéines sont constituées d’acides α-aminés. Un acide α-aminé possède un Carbone α qui porte à la fois une fonction acide carboxylique (groupe acide COOH) et une fonction amine (groupe amine NH2). C’est la partie commune à tous. Ils se distinguent par leur chaîne latérale qui leur confère des propriétés physico-chimiques particulières. On peut classer les AA de différentes façons : en fonction de la nature de la chaîne latérale R : cette classification permet de regrouper les acides aminés en fonction de leur rôle dans la protéine : ➔ Les acides apportent des charges négatives car ils ont COO- sur leur chaîne latérale ➔ Les basiques vont capter un proton H+ par leur groupement basique : ils apportent des charges positives à la protéine. en fonction de leur essentialité : les AA essentiels sont ceux que l’on ne sait pas synthétiser à partir d’autres molécules : on doit absolument les trouver dans l’alimentation car ils sont indispensables à la vie. Le manque d’un seul AA empêcherait de fabriquer une grande partie des protéines car celles-ci sont constituées de différents AA. 8 AA sont essentiels : Trp, Lys, Met, Phe, Thr, Val, Leu, Ile (Mnémotechnique : Il fait le tri et met sa valise dans le train). L’Histidine (His) et l’Arginine (Arg) sont deux AA essentiels chez le nourrisson parce qu’il n’a pas encore les activités enzymatiques fonctionnelles pour les fabriquer à la suite. Les AA non essentiels sont ceux que l’on peut synthétiser de novo (synthèse dans l’organisme, qui ne vient pas de l’alimentation) comme la Tyrosine (AA non essentiel) que l’on fabrique à partir de Phénylalanine (AA essentiel). selon la polarité de la chaîne latérale R à pH neutre : cette classification sert surtout en laboratoire pour doser les AA et les séparer sur chromatographie en fonction de leur polarité. 12 Le métabolisme des AA est complexe en raison de la variété structurale de ceux-ci, de leurs nombreuses fonctions et de la grande hétérogénéité tissulaire du métabolisme protéique. Ce métabolisme dépend de nombreuses enzymes, de cofacteurs d’origine vitaminique et de protéines de transport. Les AA proviennent essentiellement de l’alimentation via les protéines alimentaires mais ils peuvent aussi provenir de nos réserves de protéines endogènes (dans les muscles). Il y a donc en permanence dans les cellules de la protéolyse et de la protéosynthèse. Les AA servent à faire des dérivés azotés actifs : c’est eux notre source d’azote que l’on retrouve dans les lipides, les glucides, les bases azotées des acides nucléiques et dans pleins d’autres petites molécules très importantes. Si on décarboxyle les AA on obtient des amines biogènes qui sont des neuromédiateurs ou bien des hormones avec un rôle important. Si on désamine les AA, il reste le squelette carboné : c’est ce qu’on appelle l’acide α-cétonique de l’AA. Le nom cétonique vient de la création d’une cétone C=O qui remplace le NH3. Ces acides α-cétoniques sont plus vulgairement appelés les acides organiques et ce sont eux qui seront oxydés pour donner des intermédiaires au cycle de Krebs et permettre la synthèse d’ATP, rôle énergétique des AA pour le foie. Cependant c’est un rôle mineur des acides aminés en période post prandiale, ils servent plutôt en période de jeun. Ce sont aussi eux qui permettent le processus de néoglucogenèse dans le foie. Enfin, certains de ces acides α-aminés sont aussi cétoformateurs : ils permettent de faire des corps cétoniques. (On a vu avant que les corps cétoniques étaient formés grâce à la bêta-oxydation des Acétyl-CoA, ici c’est une façon minoritaire d’en faire par ces acides aminés cétoformateurs). L’amine libéré au début du catabolisme des acides aminés est un déchet car il est neurotoxique : en effet, c’est une petite molécule extrêmement diffusible qui passe très facilement la barrière hémato-méningée et qui intoxique le cerveau si elle dépasse un certain seuil de concentration. Donc le foie doit absolument l’éliminer par une voie métabolique : le cycle de l’urée (uréogénèse), au cours duquel le NH3 va être transformé en urée qui sera ensuite éliminée dans l’urine. L’autre organe capable d’éliminer le NH3 est le rein, il le fait par une autre voie métabolique nommée l’ammoniogenèse. 13  I. Le catabolisme des protéines 1) Origine des protéines alimentaires Toutes les protéines sont dégradées dans l’estomac et l’intestin. Les protéines sont digérées et absorbées sur une grande longueur du grêle. Elles arrivent alors dans l’intestin (duodénum, jéjunum) où elles rencontrent des peptidases qui vont cliver leurs liaisons peptidiques. Il en existe deux types : ➔ les endopeptidases : elles clivent les liaisons peptidiques à l’intérieur des protéines : trypsine, chymotrypsine… ➔ les exopeptidases : elles enlèvent les AA situés à l’extérieur de la protéine. En fonction du côté de la protéine où elles agissent, elles seront carboxypeptidases ou aminopeptidases. A la fin de la protéolyse, on a dissocié les AA : on obtient un mélange des 20 AA. Ils seront alors absorbés par les cellules intestinales par un mécanisme actif couplé au transport du sodium. Le métabolisme des protéines revient finalement au métabolisme des AA car elles sont protéolysées avant absorption : ce sont les AA qui sont métabolisées et non pas les protéines. 2) Les protéines A l’inverse des glucides et des lipides qui peuvent être stockés sous forme de glycogène ou de TG ; dans l’organisme toutes nos protéines de constitution sont en perpétuel renouvellement : les plus anciennes sont détruites par le processus de protéolyse (catabolisme). De nouvelles viennent prendre leur place grâce au mécanisme de protéosynthèse (anabolisme). Le métabolisme des protéines correspond à la fois à la protéosynthèse et la protéolyse. La protéosynthèse : A partir des 20 AA protéinogènes, qui proviennent soit de l’alimentation, soit de la dégradation des protéines dans la cellule, on fabrique des AA. Cette synthèse a lieu au niveau du RE grâce aux ribosomes et aux ARNm. L'enchaînement des AA correspond à la structure primaire des protéines. C’est une voie complexe et coûteuse en énergie car elle consomme 6 liaisons riches en énergie pour faire seulement une liaison peptidique. 14 La protéolyse : ce qui nous intéresse dans le catabolisme : elle est constituée de 2 voies métaboliques majeures : Voie lysosomale : Le lysosome dégrade les macromolécules dont les protéines dans le foie essentiellement. Ça concerne les protéines à demi-vie longue et c’est réalisé par des enzymes : les protéases et les cathepsines (qui sont aussi des protéases). Si une protéine est défectueuse dans la cellule, elle va être hydrolysée au niveau du lysosome en petits AA. Ces AA sortent de la cellule et vont resservir à la synthèse de nouvelles protéines. Le foie est un organe qui synthétise énormément de protéines, en particulier les facteurs de coagulation qui sont des protéines qui vont synthétiser tout un tas de protéines qui circulent dans le sang en particulier l’albumine. C’est aussi vrai pour une organelle comme la mitochondrie : si elle est défectueuse, elle va subir l’autophagie : elle sera entièrement digérée par le lysosome. Les lipides et les protéines qui la constituent vont être dégradés en sous-unités qui seront utilisés pour la synthèse de mitochondries plus fonctionnelles. C’est donc du recyclage. Voie cytosolique : Cette voie est surtout active dans le muscle. Elle concerne les protéines à demi-vie courte. Il s’agit de protéines anormales car elles sont mal conformées après leur synthèse ce qui est dangereux pour la cellule. Elles sont reconnues par les ubiquitines ligases qui les ubiquitinent en envoyant un signal. Ce signal dirige la protéine défectueuse en la conduisant vers un complexe enzymatique : le protéasome, qui va la digérer et donc l’éliminer. (certaines sont spécifiques à des types cellulaires, par exemple il y a des protéases spécifiques dans les ostéoclastes ou encore des protéases spécifiques des microtubules) Il existe aussi d’autres protéases cellulaires comme les caspases qui interviennent dans la mort cellulaire ; et des protéases extracellulaires qui commencent la digestion des protéines assimilées. Les protéases en général catalysent le clivage par hydrolyse de la liaison peptidique entre deux AA : cela se fait entre la fonction carboxylique d’un AA et la fonction amine de l’autre AA. II. Le rôle métabolique des différents acides aminés L’organisme a besoin d’acides aminés pour assurer un certain nombre de fonctions : ➔ La synthèse des protéines ➔ La production d’énergie 15  ➔ La synthèse de molécules essentielles La synthèse protéique Un adulte de 70kg hydrolyse entre 250 à 300g de protéines par jour, ce qui est rendu possible par la synthèse protéique qui constitue donc le rôle principal des AA. Elle utilise la machinerie cellulaire de synthèse et est dépendante de l’apport quantitatif et qualitatif des AA : s’il manque ne serait-ce qu’un AA essentiel, on ne peut pas synthétiser de protéines. S’il y a un fort apport d’AA, le foie et le muscle vont synthétiser énormément de protéines, mais à l’inverse s’il n’y en a pas beaucoup dans l’alimentation, alors la synthèse protéique sera faible. Le rôle énergétique Pour avoir son rôle énergétique, un AA doit perdre sa fonction amine par une réaction de transamination. Or cet ammoniac libéré est toxique pour le cerveau, il doit donc être éliminé par le foie en urée grâce au cycle de l’urée. Pour que la fonction amine ne circule pas de manière libre dans le sang, elle va être couplée au glutamate pour former de la glutamine. C’est donc la glutamine qui va être le transporteur du NH3 dans le sang (ça sera expliqué dans un autre cours). Le reste de la chaîne carbonée donne un acide carbonique : l’acide α-cétonique. Il va être oxydé pour former des coenzymes réduits et intermédiaires du cycle de Krebs et donner à la fin du CO2, de l’H2O et de l’ATP. On distingue les AA glucoformateurs qui en s’oxydant donnent des intermédiaires du cycle de Krebs, et les AA cétoformateurs. Les intermédiaires du cycle de Krebs peuvent être : - Soit formés indirectement : Arg, His, Gln, Pro qui donnent d’abord du glutamate qui donnera ensuite de l’α-cétoglutarate. - Soit directement : Ile, Met, Val qui donnent le succinyl-CoA par exemple. Les AA cétoformateurs donnent quant à eux de acétoacétyl-Coa qui donneront majoritairement des corps cétoniques (mais aussi de l’acétyl-Coa qui rentrera dans le cycle de Krebs). 16  Les précurseurs de petites molécules essentielles Un certain nombre d’AA sont les précurseurs de petites molécules aux rôles variés : - L’acide glutamique est précurseur de l’acide 𝜸-aminobutyrique. - Les AA sont les précurseurs des bases nucléotides. - Le Tryptophane est précurseur de la Sérotonine. - La Tyrosine est précurseur de la L-DOPA, Dopamine, Thyroxine et des Catécholamines. - L’Arginine, la Glycine et la Méthionine sont précurseurs de Créatine. - Acide glutamique, cystéine et glycine donnent le Glutathion. - La Lysine et Méthionine sont précurseurs de la Carnitine. Les petites molécules essentielles, en général, proviennent de la décarboxylation d’un AA : on obtient une amine. L’objectif n’est pas énergétique, mais physiologique, on cherche à former des amines bioactives (biogènes). Cette décarboxylation est activée par une coenzyme : le PLP, issu de la vitamine B6. a) Synthèse directe par décarboxylation Le GABA Lorsque l’acide glutamique est décarboxylé, il donne l’acide 𝜸-aminobutyrique : le GABA. C’est un neurotransmetteur inhibiteur du SNC : il empêche l’excitation prolongée des neurones, contrebalance les effets excitateurs du glutamate. L’Histamine L’Histidine sans son groupement carboxyle donne l’Histamine qui est le médiateur de tous les effets secondaires des allergies. Cette amine est synthétisée par les mastocytes, elle est à l’origine des chocs anaphylactiques avec effet vasodilatateur et bronchoconstricteur ; d’où le fait que les personnes allergiques à la poussière ou aux acariens ont de l’asthme, du mal à respirer : c’est dû à la contraction de leurs bronches (effet bronchoconstricteur). L’effet vasodilatateur est lui responsable des démangeaisons. 17  b) Synthèse par décarboxylation après transformation La Sérotonine Le Tryptophane est d’abord hydroxylé sur son noyau pour donner du 5-hydroxytryptophane, puis décarboxylé pour produire le 5-hydroxytryptamine plus connu sous le nom de Sérotonine. C’est un puissant vasoconstricteur, impliqué dans la perception de la douleur et dans l’alternance veille-sommeil, régulateur de l’humeur. On en donne dans les antidépresseurs comme le Prozac qui empêche la recapture de la sérotonine. La Tyrosine La Tyrosine est synthétisée à partir de la Phénylalanine. Elle donne par hydroxylation la Dihydroxyphénylalanine (DOPA), qui une fois décarboxylée, va donner de la Dopamine qui sert de précurseur à la Noradrénaline et à l’Adrénaline. Ces trois molécules sont appelées les Catécholamines : ce sont à la fois des neurotransmetteurs du système sympathique et des hormones du stress. Elles ont des effets inotropes et chronotropes positifs, vasodilatatrices ou vasoconstrictrices selon la dose et le récepteur impliqué. Les patients atteints de la maladie de Parkinson sont en manque de Dopamine, on les traite donc avec de la L-DOPA. La DOPA est aussi le précurseur de la mélanine qui donnent les pigments à la peau qui nous permettent de nous protéger du soleil. La Tyrosine est aussi le précurseur des hormones thyroïdiennes. 18  c) Condensation de quelques AA La Carnitine La Carnitine est une petite molécule azotée d’origine exogène (viande, lait). Elle est nécessaire au transport des acides gras à chaîne longue car elle leur permet de passer du cytoplasme vers la mitochondrie où se trouvent les enzymes de la bêta-oxydation. Elle est synthétisée par le foie et les reins à partir de Lysine et de Méthionine. La Créatine - Phosphagène : La Créatine est une petite molécule synthétisée par le rein et le foie à partir de Glycine, Arginine et Méthionine. Elle est : ➔ Soit captée et stockée dans le muscle sous forme phosphagène (=créatine phosphorylée). La liaison est alors riche en énergie. Lors d’efforts intenses mais brefs, le muscle a besoin d’ATP de façon immédiate, ce que ne permet pas la glycolyse mais est rendu possible grâce à la Créatine-Phosphate ou Phosphagène : sous l’action de la Créatine PhosphoKinase (CPK) aussi appelée Créatine Kinase (CK), la créatine peut libérer cette liaison riche en énergie pour donner de l’ATP et de la créatine. Comme cette réaction est réversible, elle est régénérée très rapidement. C’est LA réserve d’énergie immédiate pour le muscle. La CPK est dosée dans le sang car lorsqu’elle est libérée dans le plasma, cela indique qu’il y a eu une lyse des cellules musculaires (si sa concentration plasmatique augmente, c’est le signe d’un traumatisme musculaire = rhabdomyolyse). Comme elle est aussi présente dans le muscle cardiaque, son augmentation peut indiquer en particulier une nécrose des cellules cardiaques liée à un infarctus du myocarde (IDM). ➔ Soit dégradée en créatinine. Une faible partie de créatine-phosphate s’hydrolyse spontanément en créatinine. Celle-ci va être filtrée par le rein au niveau du glomérule rénal et ne sera pas réabsorbée. Comme sa concentration est globalement constante dans le sang, on s’en sert pour vérifier que la filtration rénale est bonne. Si la concentration en créatinine plasmatique augmente (> 100 µmol/L), cela signifie qu’elle 19  n’est pas bien filtrée par le rein et donc qu’il y a une insuffisance rénale. ➔ Valeur usuelle de la créatininémie < 100 μmol ➔ Clairance de la créatinine > 90 mL/min Le Glutathion : Il est formé à partir de trois acides aminés, l’acide glutamique, la glycine et la cystéine et il est très important pour la lutte contre le stress oxydatif. Lorsque la chaîne respiratoire est en marche, il y a la formation de radicaux libres oxygénés, qui sont des molécules fabriquées par celle-ci lorsqu’elle ne fonctionne plus très bien, qu’elle vieillit. Ces radicaux libres attaquent les lipides de la membrane cellulaire et le glutathion est là pour les en empêcher. Le glutathion lutte contre le vieillissement de nos cellules. III. Biosynthèse des acides aminés, exemple spécifique d’anomalie 1) Biosynthèse des acides aminés 20 AA sont protéinogènes : ils participent à la synthèse ribosomale des protéines : ➔ 8 AA essentiels : apport alimentaire exclusif (Ile, Phe, Leu, Trp, Met, Val, Lys, Thr) ➔ 2 AA semi-essentiels : apport alimentaire en complément de la synthèse de novo (His et Arg sont essentiels chez l’enfant et le nourrisson, ils le sont moins par la suite) ➔ 10 AA non essentiels (AANE) : la synthèse couvre les besoins nutritionnels. Ils sont synthétisés par des réactions simples (Ala, Asp, Glu, Ser, Gly, Cys, Tyr, Pro, Asn, Gln) Il y a aussi des AA non protéinogènes et dérivés d’AA : ➔ Métabolisme intermédiaire : certains participent au métabolisme mais n’interviennent pas dans la constitution des protéines : dans les voies du cycle de l’urée on trouve notamment l’Ornithine et la Citrulline. Il y a aussi la Taurine qui permet de conjuguer les sels biliaires : elle ne rentre pas non plus dans la composition des protéines. ➔ Protéines de structure : ce sont des AA protéinogènes qui ont été modifiés (hydroxylés) : la proline par hydroxylation donne l’Hydroxyproline et la lysine, l’Hydroxylysine. On les trouve dans le collagène (protéine importante pour la matrice extracellulaire). L’organisme peut synthétiser une quinzaine d’AA ou dérivées. L’organisme synthétise 10 AA non essentiels. Il peut les fabriquer à partir : 20  ➔ D’intermédiaires métaboliques : Le squelette carboné est apporté par 3 voies métaboliques majeures La glycolyse (pyruvate ->Ala ; 3-P-glycérate ->P-OH-pyruvate ->Ser) La voie des pentoses (ribose-5-P ->His) Le cycle de Krebs (oxaloacétate ->Asp ; α-cétoglutarate ->Glu) La synthèse de novo n’est possible que si l’acide α-cétonique correspondant à l’acide aminé est présent dans la cellule. Autrement dit, dans la cellule, s’il y a l’acide α-cétonique et une fonction amine, on pourra reformer l’acide aminé. Le groupement aminé provient du glutamate ou de la glutamine par une réaction de transamination d’acides α-cétoniques pour les synthèses de certains AA (alanine, aspartate, glutamate, sérine). Question d’un étudiant : Vous pouvez réexpliquer la transamination ? Réponse : C’est une réaction majeure du métabolisme des AA, elle correspond au transfert d’un groupement amine donné par le glutamate. C’est toujours lui le donneur d’amine. Au cours de la transamination, le glutamate devient l’α-cétoglutarate et il transfert son groupement amine sur l’acide α-cétonique d’un autre acide aminé pour former ce dernier. ➔ Puis il y a une conversion directe ou indirecte de ces AA : Amidation du glutamate en glutamine et de l’aspartate en asparagine Conversions diverses En résumé : il y a certains AA qu’on sait refabriquer à partir de leurs acides α-cétoniques via des réactions de transamination, et d’autres AA qui sont refabriqués à partir des premiers (ceux en rouge). 2) Exemple de la biosynthèse de la Tyrosine Dans les protéines alimentaires, on trouve de la Phénylalanine et de la Tyrosine. Mais on peut aussi synthétiser la Tyrosine à partir de Phénylalanine grâce à la Phénylalanine hydroxylase (on ajoute un groupement hydroxyle à Phe). La tyrosine a de nombreux rôles : elle rentre dans la composition des protéines, elle sert aussi de précurseur à la mélanine, aux hormones thyroïdiennes via la thyroxine et de précurseur aux catécholamines. 21  3) Pathologies liées au métabolisme Phe/Tyr : La Tyrosine est aussi oxydée en différents acides α-cétoniques pour donner de l’acide fumarique (qui entre dans le cycle de Krebs) et de l’acide acétoacétique (qui est un précurseur des corps cétoniques). La tyrosine est donc à la fois un AA glucoformateur et cétoformateur. Il existe des maladies génétiques héréditaires qui causent des déficits enzymatiques dus à des mutations sur les gènes qui codent pour ces enzymes. Ces mutations peuvent avoir lieu sur trois enzymes : S’il y a un déficit en phénylalanine hydroxylase, la phénylalanine s’accumule : elle se transforme en son acide α-cétonique, très hydrophile qui va donc être excrété dans les urines d’où le nom de la maladie : la phénylcétonurie. Dans cette maladie, comme la tyrosine n’est plus synthétisée, elle devient un AA essentiel qu’on devra absolument ajouter dans l’alimentation. Si la tyrosine s’accumule, on obtient une tyrosinémie car la tyrosine aminotransférase est en déficit. Pour celle de type I, on a l’accumulation de deux molécules très toxiques et cancérigènes pour le foie : l’acide maléylacétoacétique et l’acide fumarylacétoacétique. Cette maladie se manifeste par des hépatocarcinomes. Pour la tyrosinémie de type II, comme les deux molécules toxiques ne sont pas produites, on n’a pas le risque d’hépatocarcinome. La tyrosine est toxique surtout pour l’œil : cette maladie se traduit donc par une installation progressive de cécité. 22  4) La phénylcétonurie : mécanisme peu détaillé mais vu dans un autre cours La Phénylalanine est hydroxylée par la Phénylalanine hydroxylase pour donner la tyrosine. Cette réaction fait intervenir un coenzyme : le Tétrahydrobioptérine (BH4) qui donne les atomes d’Hydrogène. Le BH4 est alors désactivé en Carbinolamine. Pour le réactiver et le renouveler, il doit subir deux réactions enzymatiques : la Dehydratase et la Dihydroptéridine réductase. Si on a un déficit en Dihydroptéridine réductase, le coenzyme n’est pas renouvelé, donc il n’est pas fonctionnel et la réaction enzymatique ne peut pas avoir lieu. Donc la phénylcétonurie a 2 causes : une mutation soit sur le gène de la Phénylalanine hydroxylase, soit sur le gène de la Dihydroptéridine réductase, et on observe le même résultat. Dans le deuxième cas, c’est même plus grave car le BH4 qui est non fonctionnel doit normalement catalyser d’autres réactions essentielles dans l’organisme qui seront donc elles aussi empêchées. La phénylcétonurie est une maladie rare (mais parmi les moins rares) : 1 naissance sur 16 000 (45 à 55 cas par an en France). On la dépiste systématiquement chez les nouveau-nés car si on la traite avant de voir les symptômes, on peut les empêcher d'apparaître et de faire des dégâts. Elle a une transmission autosomique récessive : il s’agit donc d’une maladie génétique pour laquelle il faut avoir les deux allèles mutés pour être malade. Elle a pour conséquence une augmentation du taux sanguin de phénylalanine (Phe) car celle-ci n’est pas transformée en tyrosine. La Phe est donc éliminée sous forme d’acide phénylpyruvique (acide α-cétonique de la Phe) dans les urines. Si on ne la dépiste pas en néonatal et qu’on n’intervient pas, il y a un développement progressif d‘une encéphalopathie pouvant parfois débuter par des convulsions ; et on aboutit à un retard mental, des troubles du comportement, des psychoses et une épilepsie. Les lésions neurologiques installées (car la phénylalanine est un neurotoxique) sont irréversibles d’où la nécessité d’agir avant que les symptômes apparaissent. C’est pourquoi la phénylcétonurie a été la première maladie dépistée systématiquement chez tous les nouveau-nés (1972) grâce au test de R. Guthrie qui consiste à mesurer la Phe à une prise de sang prise au talon ou au doigt. S'ils sont atteints de cette maladie ils seront mis sous régime hypoprotéique toute le long de leur vie : on leur apporte juste la quantité nécessaire selon leurs besoins : c’est de la médecine personnalisée. 23