Cours 11 Métabolisme Azoté - Le Cycle de l'Urée 2022-23 PDF

Nucleic Bases acids P COURS 11 Pentose s Métabolisme azoté- Le cycle de l’urée 1 ...

Nucleic Bases acids P COURS 11 Pentose s Métabolisme azoté- Le cycle de l’urée 1  Biochimie 1. Introduction au métabolisme azoté générale 1.1. Balance azotée ✓ La balance azotée: Apport d’azote = Excrétion d’azote (sain) ✓ La balance azotée est principalement déterminée par le métabolisme des protéines (acides aminés). 300-400 g de protéines sont synthétisés 300-400 g de protéines sont protéolysés ✓ Les protéines de l’organisme (humain) représentent une forme majeure de macromolécules dans l’organisme (~ 10 kg / 70 kg) mais ne constituent pas de réels stocks tels que glycogène ou triacylglycérols. 2 1. Introduction au métabolisme azoté 1.2. Protéines ✓ Les protéines alimentaires sont la première source d’azote métabolisée par l’organisme. ✓ Besoins quotidiens recommandés: 50-60 g fournissant les acides aminés essentiels (AA branchés, Lys, His, Phe, Trp, Met, Thr) La diète occidentale apporte des protéines au-delà des besoins. 3 1. Introduction au métabolisme azoté 1.2. Protéines Déficience en Taurine: dégénération de la rétine, cécité, retard de croissance, cardiomyopathies, infertilité, déformations osseuses 4 1. Introduction au métabolisme azoté 1.3. La digestion: rappels DEVENIR des acides aminés? Transport des acides aminés 5 1. Introduction au métabolisme azoté Protéines 1.4. Métabolisme des acides aminés Stockage Alimentation (digestion) => Synthèse protéique Synthèse des acides aminés de novo Pyruvate Phosphoenolpyruvate 3P-glycerate Keto-acides Sucres-P Dégradation des acides aminés Composante azotée => NH3 => urée Composante carbonée => Keto-acides => Oxydation/voies biosynthétiques/ stockage (glycogène/triacylglycérols) 6 1. Introduction au métabolisme azoté 1.5. Dégradation des acides aminés Où? Principalement dans le FOIE (sauf pour les AA branchés). Quand? 1. Dans le cadre du «turnover» des protéines. 2. Diète riche en protéines avec excédant en AA par rapport aux besoins énergétiques => le surplus est catabolisé car les AA ne peuvent être stockés. 3. Durant les phases de jeûne ou en cas de diabète incontrôlé, les sucres ne peuvent être utilisés => utilisation des AA comme source d’énergie alternative. Autres organismes? Plantes: l’oxydation des AA pour obtenir de l’énergie est rare voire nulle (photosynthèse fournit l’énergie via sucres); et ne sert qu’à des fins biosynthétiques. 7 1. Introduction au métabolisme azoté 1.6. Pourquoi éliminer l’azote? (1) ✓ Avant d’oxyder la chaîne carbonée des AA, il faut retirer l’azote. ✓ L’azote est extrait sous forme de NH3 (diffusible)  NH4+ (non diffusible) dans les conditions physiologiques [NH4+] sg= 30-60 µM ✓ Composés toxiques: neurotoxicité à forte concentration! => à éliminer via des composés non-toxiques excrétables ✓ Urée: petite molécule neutre, traverse les membranes biologiques et est transportée aisément dans le sang => urine. Animaux ammoniotéliques vertébrés aquatiques Animaux urotéliques vertébrés terrestres Animaux uricotéliques Oiseaux, reptiles 8 1. Introduction au métabolisme azoté 1.6. Pourquoi éliminer l’azote? (2) ✓ Autres composés azotés excrétés dans l’urine chez l’humain ✓ Autres voies d’excrétion: selles, peau 90% de l’azote excrété Libéré par le rein (tampon) Provient de la créatine-P Dégradation des purines 9 2. Devenir de l’azote des acides aminés 2.1. Vue d’ensemble TRANSAMINATIONS DEAMINATION OXYDATIVE Processus majeur permettant Catalysée par la GDH (Glutamate dehydrogenase) de transférer le groupement amino Enlève le groupement amino sur le Glutamate (Aspartate) du Glutamate et forme du NH4+ DEAMINATIONS His > forme du NH4+ et urocanate DEAMIDATIONS Gln/Asn > formation de NH4+ (Glutaminase/Asparaginase) DEHYDRATATIONS Ser/Thr > formation de NH4+ 10 2. Devenir de l’azote des acides aminés 2.2. Réactions de transamination (1) Transaminases = aminotransferases ✓ Réactions réversibles (DG’0 ~ 0 kJ/mol) Enlèvement/ajout d’un NH3+  catabolisme ET anabolisme des AA a ✓ Il existe différentes aminotransferases ayant une spécificité pour l’AA substrat donneur de groupement amino. Tous les AA peuvent subir ces réactions (sauf Lys, Thr). ✓ Enzymes classiques de type « ping-pong » ✓ Cofacteur: groupement prosthétique PLP liant transitoirement le groupement amino à transférer a 11 2. Devenir de l’azote des acides aminés 2.2. Réactions de transamination (2) Pyridoxal Phosphate/Transaminations Pyridoxal Phosphate 1/ 2. Déplacement de la liaison à Lyz (Enz) libre (dérivé vit. B6) par l’entré de l’AA1 (donneur de groupe) PLP lié à l’enzyme e-amino de Lyz => Liaison aldimine Base de Schiff 2/3. Isomérisation de la liaison aldimine en ketimine 3/ 4. Hydrolyse libérant le KA1 (keto acide) et le Pyridoxamine-P portant le NH2 de l’AA1 5. Entrée du KA2 (keto acide)  Formation du AA2 En général = aKG > Glutamate 12  2. Devenir de l’azote des acides aminés 2.3. Production de NH4+ 2.3.1. Glutamate Dehydrogenase (GDH) ✓ Réaction réversible ✓ Cette enzyme est très fortement exprimée dans les hépatocytes: ✓ Enzyme utilisant indifféremment représente 1% des protéines totales de ces cellules et NAD+ ou NADP+ comme cosubstrat 10% des protéines (matrice) mitochondriales hépatocytaires ✓ L’une des enzymes de mammifères capables de fixer l’azote Autres: Glutamine synthetase, Carbamoyl phosphate synthetase I (CPSI) ✓ Structure: hexamère (6 su identiques) 330 kDa ✓ Régulation allostérique ADP: activateur GTP: inhibiteur https://en.wikipedia.org/wiki/Glutamate_dehydrogenase_1 13 2. Devenir de l’azote des acides aminés 2.3. Production de NH4+ 2.3.2. Autres réactions (1) DEHYDRATATIONS Ser > Serine dehydratase Thr > Threonine dehydratase DEAMIDATIONS Gln > Glutaminase Asn > Asparaginase DEAMINATIONS His > histidinase 14 2. Devenir de l’azote des acides aminés 2.3. Production de NH4+ 2.3.2. Autres réactions (2) ✓ Cerveau et muscle Cycle des nucléotides purines libère de l’ammonium ✓ Intestin La flore bactérienne peut synthétiser de l’ammonium à partir de l’urée présente localement  UREASE 15 2. Devenir de l’azote des acides aminés 2.4. Transport sanguin de l’azote vers le foie (1) Quels sont les AA en concentration majeure dans le plasma? 16 2. Devenir de l’azote des acides aminés 2.4. Transport sanguin de l’azote vers le foie (2) Quels sont les AA en concentration majeure dans les cellules musculaires? 17 2. Devenir de l’azote des acides aminés 2.4. Transport sanguin de l’azote vers le foie (3) Cycle Glucose-Alanine Néoglucogenèse transaminations ALAT Cycle de l’urée ALAT 18 2. Devenir de l’azote des acides aminés 2.4. Transport sanguin de l’azote vers le foie (4) Rôle de la Glutamine? Synthèse de Glutamine (Gln) par la Glutamine synthetase (GS) Enzyme ubiquitaire 19  2. Devenir de l’azote des acides aminés 2.4. Transport sanguin de l’azote vers le foie (4) Devenir de la Glutamine? ✓ Intestin: Gln utilisée comme source énergétique (cours 14) ✓ Rein, le NH4+ libéré sera éliminé par voie urinaire, permettant de contrôler une acidose métabolique Circulation sanguine Cellule rénale Urine Glutaminase 20 2. Devenir de l’azote des acides aminés 2.4. Transport sanguin de l’azote vers le foie (4) Devenir de la Glutamine? FOIE TISSUS Glutamine synthetase Glutaminase (mitochondrie)> Glutamate + NH4+ Enzyme cytoplasmique ubiquitaire > Gln GDH > a-KG + NH4+ 21 3. Le cycle de l’urée 3.1. Vue d’ensemble ✓ Découvert par H. Krebs et Kurt Henseleit (1932) ✓ Exclusivement présent dans le foie ✓ 5 réactions (2-mitochondrie et 3-cytosol) ✓ 1 seule réaction réversible (n°4) ✓ Nécessite 3 ATP (réactions n°1 et 3) ✓ Particularité: contient des AA non protéinogènes 5C-2N 6C-3N 22 3. Le cycle de l’urée Cours 13: Métabolisme des bases azotées 3.2. Les réactions du cycle Réaction 1: Matrice mitochondriale Synthèse du carbamoyl phosphate par la carbamoyl phosphate synthetase I (CPSI) CPSI ≠ CPSII: enzyme cytosolique impliquée dans la biosynthèse des pyrimidines Requiert 2 ATP permettant de générer un composé avec une liaison phosphate à haut potentiel énergétique. 1. Formation d’un acide phospho-carbonique 2. Formation d’un carbamate 3. Activation en carbamoyl phosphate 23 3. Le cycle de l’urée 3.2. Les réactions du cycle Réaction 2: Matrice mitochondriale Synthèse de la citrulline par l’ornithine transcarbamoylase (OTC) Attaque nucléophile du groupement NH2 de l’ornithine sur le carbonyl du carbamoyl phosphate => Ornithine (C5) + Carbamoyl => Citrulline (C6) Cytosol Citrulline transportée dans le cytosol en échange d’Ornithine venant du cytosol (échange neutre) 24 3. Le cycle de l’urée 3.2. Les réactions du cycle Réaction 3: Cytosol Synthèse de l’arginosuccinate par l’arginosuccinate synthetase ASS Requiert 1 ATP permettant de générer un citrullyl-AMP intermédiaire avant l’attaque nucléophile du NH2 de l’aspartate. 25 3. Le cycle de l’urée 3.2. Les réactions du cycle Réaction 4: Cytosol Synthèse de l’Arginine par l’Arginosuccinate lyase = arginosuccinase ✓ La seule réaction réversible du cycle ✓ Les carbones formant le fumarate proviennent de l’Aspartate ✓ Fumarate: recyclage 26 3. Le cycle de l’urée 3.2. Les réactions du cycle Réaction 5: Cytosol Clivage de l’arginine par l’Arginase ✓ Hydrolyse permettant de régénérer l’ornithine  Retourne à la matrice mitochondriale (échange avec la citrulline) ✓ Libération de l’urée 27 3. Le cycle de l’urée 3.2. Les réactions du cycle Relation Cycle de l’urée/cycle de Krebs Arginosuccinate Aspartate-arginosuccinate shunt lyase Arginase Recyclage du fumarate: Arginosuccinate Mitochondrie? Cytosol? synthetase Fumarase Malate dehydrogenase ASAT 28 3. Le cycle de l’urée 3.3. Régulation du cycle de l’urée ✓ Cycle alimenté par la disponibilité en substrat (NH4+)  régulation de type « Feed-forward » ✓ Régulation de la 1ere réaction catalysée par la CPSI Activateur allostérique = N-acétyl-glutamate (seule fonction connue de ce composé) ✓ L’Arg stimule l’activité de synthèse de ce composé par la N-acetyl glutamate synthase N-acetyl glutamate synthase 29 3. Le cycle de l’urée 3.3. Régulation du cycle de l’urée ✓ L’expression des gènes codant pour les enzymes du cycle dépend du catabolisme protéique (qui est lui-même déterminé par la diète et métabolisme des AA) ✓ Synthèse des enzymes stimulée par les hormones (Glucocorticoïdes, glucagon) via une augmentation de [AMPC] hépatocytaire glucose => stimulation de la PKA (condition de jeûne-néoglucogenèse) 30  4. Dysfonctionnements du cycle de l’urée 4.1. Les UCD (Urea Cycle Diseases) N-acetyl glutamate synthase ✓ Incidence: 1/ 8 500 naissances humains ✓ Déficience en l’une des enzymes du cycle de l’urée (+ la N-acetyl glutamate synthase)  Risque d’hyperammoniémie => neurotoxicité UCD aussi décrites chez les chiens chats ✓ Manifestions durant la période néonatale ou à un âge plus avancé 31 4. Dysfonctionnements du cycle de l’urée 4.1. Les UCD (Urea Cycle Diseases) ✓ Traitements ✓ Diète pauvre en protéines (+ Arg) ✓ Administration de composés permettant l’excrétion de l’azote (exemple: phenylbutyrate) 32  EXERCICES COURS 11 Question 1 De quels composés proviennent les atomes d’azote de l’urée? A. Ornithine et carbamoyl phosphate B. Ornithine et aspartate C. Ornithine et glutamate D. Carbamoyl phosphate et aspartate E. Carbamoyl phosphate et glutamate F. Aspartate et glutamine 33  EXERCICES COURS 11 Question 2 Laquelle de ces enzymes peut fixer l’azote dans des composés organiques? A. Alanine-pyruvate aminotransferase B. Glutaminase C. Glutamate dehydrogenase D. Arginase E. Arginosuccinate synthetase 34  EXERCICES COURS 11 Question 3 Dans des conditions de renouvellement (turnover) important des protéines, la glutamine est utilisée comme transporteur d’azote pour l’amener au foie pour excrétion sous forme d’urée. Les carbones de la glutamine peuvent alors être utilisés pour la néoglucogenèse. Laquelle de ces enzymes est requise pour ce processus? A. Malate dehydrogenase B. Pyruvate dehydrogenase C. Pyruvate carboxylase D. Citrate synthase E. Pyruvate kinase 35  EXERCICES COURS 11 Question 4 Dans le cadre de traitements pour les UCD, des molécules telles que le sodium benzoate ou le phenylbutyrate doivent être activées lorsqu’elles entrent dans les cellules. A quel type de réactions s’apparente l’activation de ces drogues? A. La formation d’acetylCoA par la PDH B. L’activation du glucose dans la voie glycolytique C. L’activation des acides gras D. L’activation du glucose pour la synthèse du glycogène E. L’activation des unités d’isoprène 36  EXERCICES COURS 11 Question 5 La libération de l’azote des acides aminés et de l’ammonium est une étape importante pour générer des précurseurs pour le cycle de l’urée. Laquelle de ces affirmations décrit le mieux ces processus? A. L’ammonium diffuse librement à travers le membranes B. La deamination du glutamate par oxydation est réversible C. La deamination de la serine en pyruvate est réversible D. La deamination de la glutamine en glutamate est réversible E. L’ammoniaque ne peut diffuser librement à travers le membranes 37  EXERCICES COURS 11 Question 6 Dans les conditions de dégradation rapide des acides aminés, les niveaux de NH3 augmentent et nécessitent une élimination de ce composé toxique. Le Glu peut accepter l’azote sous la forme ammoniaque pour former la glutamine. Quelle affirmation décrit le mieux le devenir de la Gln, Glu et NH3 sous l’activité de la glutaminase dans les tissus ? A. Dans le foie, la Gln prend part au cycle glucose/alanine B. Dans le rein, le Glu forme des sels avec les acides métaboliques dans l’urine C. Dans l’intestin, la Gln est utilisée comme substrat énergétique D. Dans le rein, le Glu est utilisé pour la synthèse d’urée E. Dans l’intestin, la Gln prend part au cycle glucose/alanine 38  EXERCICES COURS 11 Question 7 Le cycle de l’urée est le mécanisme principal d’élimination de l’azote chez l’humain. Quelle affirmation décrit les étapes de ce cycle? A. Trois liaisons phosphate à haut potentiel énergétique sont utilisées pour un cycle complet B. La citrulline est synthétisée dans le cytosol C. La citrulline initie et est régénérée par le cycle D. L’ornithine est générée dans la mitochondrie E. La citrulline est échangée contre de l’ornithine en traversant la membrane mitochondriale 39  EXERCICES COURS 11 Question 8 Durant le jeûne, les acides aminés sont une source majeure de carbone pour la néoglucogenèse et les atomes d’azote sont convertis en urée. Laquelle de ces affirmations décrit le mieux l’alanine, acide aminé substrat principal pour la néoglucogenèse dans le muscle? A. Une molécule de Ala est convertie en 2 molécules de glucose et 2 molécules d’urée B. Une molécule de Ala est convertie en 1 molécule de glucose et 1 molécule d’urée C. Une molécule de Ala est convertie en 1 molécule de glucose et 2 molécules d’urée D. Deux molécules de Ala sont converties en 1 molécule de glucose et 1 molécule d’urée E. Deux molécules de Ala sont converties en 3 molécules de glucose et 3 molécules d’urée 40