METABOLISME DES PROTIDES
I / CATABOLISME DES PROTEINES A / Digestion des protéines par les protéases (digestives). Les enzymes protéolytiques catalysent une réaction d’hydrolyse qui coupent les liaisons peptidiques : - NH - CH -CO - NH - CH -CO - NH.... + H2O -------> | | Ri Rj - NH - CH - COOH + NH2 - CH -CO.. | | Ri Rj Il existe des endopeptidases, qui coupent à l’intérieur des chaînes peptidiques, et des exopeptidases, carboxypeptidases et aminopeptidases, qui coupent respectivement à partir de l’extrémité C terminale et N terminale.
suite A-1- Protéases stomacales. Au niveau de l’estomac, l’HCl sécrété provoque la dénaturation des protéines permettant une accessibilité des chaînes peptidiques aux protéases qui effectuent ainsi une digestion partielle. La pepsine (endopeptidase) coupe à droite des acides aminés aromatiques ou dicarboxyliques, et transforment ainsi les protéines dénaturées en protéases et peptones. Elle est sécrétée sous forme d’une proenzyme inactif, le pepsinogène qui est transformé en milieu acide ou par autocatalyse, en pepsine libérant 5 peptides et un peptide inhibiteur. Le pH optimum de l’enzyme est de 2. La pepsine est à l’origine de la coagulation du lait. La rénine ou chymosine, présente seulement chez les bébés et les ruminants, transforme la caséine du lait en paracaséine et favorise ainsi la coagulation du lait.
suite A2-Protéases pancréatiques Le suc pancréatique, déversé au niveau du duodénum, est nettement alcalin, et comporte plusieurs enzymes sécrétées sous forme de zymogènes ou proenzymes (inactives ). La trypsine, endopeptidase, qui attaque à droite de Lys et Arg. Le trypsinogène est activé par l’entérokinase, une protéine sécrétée par la muqueuse intestinale, et libère un hexapeptide. Ensuite, il y activation autocatalytique par la trypsine.La trypsine attaque les autres zymogènes libérant la chymotrypsine et la carboxypeptidase. A-3-Protéases intestinales Elles comportent des aminopeptidases, qui libère des peptides à courts chaîne et des acides aminés libres, ainsi que des dipeptidases de diverses spécifité. B-Absorption et captation des acides aminés. Après dégradation des protéines alimentaires, les acides aminés libres sont absorbés par l’intestin et passent dans le sang portal.
B-1- Transport actif B-1- Transport actif (Fig 2 ) Le transport des acides aminés à travers l’épithélium intestinal est couplé à la pompe ATP ase Na+ K+, et donc exige un apport énergétique. Il existe au moins 5 systèmes de transport (acides aminés acides, basiques, neutres, proline...) donc il y a des récepteurs spécifiques vis à vis du radical R. L’isomère naturel L est transporté activement (vitamine B6 impliquée ) alors que l’isomère D traverse par simple diffusion donc avec une vitesse d’absorption plus lente. transport (acides aminés acides, basiques, neutres, proline...) (voir chapitre Métabolisme des glucides ), donc il y a des récepteurs spécifiques vis à vis du radical R. L’isomère naturel L est transporté activement (vitamine B6 impliquée ) alors que l’isomère D traverse par simple diffusion donc avec une vitesse d’absorption plus lente.
B-2- Cycle du g - glutamyl ou cycle de Meister Ce mécanisme est impliqué dans l’absorption intestinale des acides aminés ainsi que leur captation par le foie. Ce cycle est efficace pour le transfert de la glutamine, de la cystéine, et de nombreux acides aminés neutres. Il est inefficace pour la proline. Il fait intervenir 6 enzymes : 1 - g- glutamyl transférase membranaire , qui catalyse le transfert sur le glutathion intracellulaire d’un aminoacide qui pénètre ainsi dans la cellule , sous forme de g- Glu-AA avec libération du dipeptide Cys-Gly ( l’énergie nécessaire est fournie par l’hydrolyse du glutathion . 2 - g glutamyl - cyclotransférase (cytosolique), hydrolyse le Glu-aminoacyl et libère l’acide aminé dans le cytoplasme, et de l’acide pyrrolidone carboxylique, dérivé de la proline. Les étapes suivantes catalysent la régénération du glutathion . 3 - La 5 oxy -prolinase, en présence d’ATP, transforme l’oxy-proline en L. Glutamate. Ensuite, il y a condensation du glutmate avec la cystéine pour donner dipeptide gGlu-Cys (étape 4), et avec la glycine pour donner un triprtide , le glutathion = gGlu-Cys-Gly (étape 5). La Glycine et la cystéine provenant de l’hydrolyse du dipeptide Cys-Gly (étape 6).
II / CATABOLISME DES ACIDES AMINES Chez un adulte, le turnover (renouvellement ) protéique normal équivaut à 1-2 % des protéines corporelles totales. Ce turnover résulte de la dégradation des protéines (ex musculaires) en acides aminés qui seront réutilisés pour la synthèse des protéines et d’autres molécules biologiques. Les acides aminés en excès, quelles que soit leur origine (catabolisme des protéines alimentaires ou cellulaires ) ne peuvent être mis en réserve (contrairement aux acide gras et au glucose) ou excrétés, ils sont dégradés: - la fonction a amine est éliminée par désamination sous forme de NH4+ (toxique) qui est transformé en urée. - le squelette carboné restant est convertit en intermédiaires métaboliques (ex pyruvate, acétyle CoA, intermédiaires du cycle de Krebs....) qui sont soit catabolisés pour fournir de l’énergie (catabolisme) ou utilisés pour la synthèse d’acides gras et de glucose. Les acides aminés qui donnent le glucose et le glycogène (par néoglucogénèse) sont appelées acides aminés glucoformateurs Ex : Glu, Asp, Ala, Ser, Cys, Gly, Pro.
AMINE A / DESTINEE DU GROUPEMENT Chez les mammifères, le catabolisme du groupement aminé comporte 4 étapes : la transamination, la désamination oxydative, le transport de l’ammoniac, et les réactions du cycle de l’urée. 1 ) La transamination C’est le transfert réversible du groupement aminé à un a-cétoacide (sans libération de NH3), catalysée par les aminotransférase ou transaminases. L’a céto-glutarate est l’accepteur fondamental dans le cytosol des groupements aminés, et qui est converti en L glutamate, seul acide aminé qui peut subir une réaction de désamination oxydative efficace. Les transaminases, localisées à la fois dans le cytosol et la mitochondrie, fonctionnent avec le phosphate de pyridoxal comme coenzyme, selon le mécanisme bien connu (voir Coenzymes ) : Les principales transaminase : EC 2.6.1.1 : Aspartate aminotansferase EC 2.6.1 ;2 : Alanine aminotansferase EC 2.6.1.5 : Tyrosine aminotansferase EC 2.6.1.42 : Leucine aminotansferase EC 2.6.1.51 : Serine aminotansferase EC 2.6.1.58 :Phénylalanine aminotansferase AA1 + E - pyridoxal <------------> a cétoacide 1 + E - pyridoxamine a cétoacide 2 + E - pyridoxamine -----------> AA2 + E - pyridoxal Bilan : AA1 + a cétoacide 2 --------> AA2 + a cétoacide
Transamination Diverses transaminases assurent de manière spécifique la transamination de la majorité des acides aminés, dont deux sont particulièrement abondantes dans les tissus animaux : Alanine aminotansferase (ou GPT) : Ala + a cétoglutarate ------> pyruvate+ Glu Aspartate aminotansferase (ou GOT) : Asp + a cétoglutarate -------> Oxaloacétate + Glu
suite La transamination est un processus réversible qui permet à la fois d’intervenir dans le catabolisme et dans la biosynthèse des acides aminés si l’a cétoacide correspondant existe dans le milieu (ex provenant du métabolisme des glucides). Ainsi, l’alpha cétoglutarate donne le glutamate, l’oxaloacétate donne l’aspartate, le pyruvate est convertit en alanine, l’hydroxypyruvate 3P donne la sérine P puis la sérine etc ...
2 ) Désamination oxydative - Glutamate déshydrogénase Grâce à la glutamate déshydrogénase (enzyme cytosolique et mitochondriale ), en présence de NAD ou NADP. Le glutamate est désaminé pour donner l’a cétoglutarate et l’ammoniaque ( NH4+) : L Glu + NAD+ Acide alpha imino-glutarique Acide alpha imino-glutarique + H2O---> a cétoglutarate + NH4+
suite La glutamate Dhase ( PM = 350 KD, 6 sous unités identiques) est régulée de manière allostérique. L’ATP, le GTP sont des inhibiteurs, alors que l’ADP et le GDP sont des activateurs allostériques. Ainsi, une diminution de la charge énergétique accélère l’oxydation des acides aminés. Elle joue un rôle important dans le catabolisme des acides aminés dont le squelette carboné sera utilisé par le métabolisme énergétique (cycle de KREBS) ou servira à constituer des réserves énergétiques (gluconéogénèse). Le NAD+, coenzyme de la glutamate déshydrogénase et l’ADP, accepteur final de l’énergie produite par la réoxydation du NADH par la chaîne respiratoire mitochondriale, sont les régulateurs de cette enzyme. La désamination oxydative est une réaction réversible (catabolisme et anabolisme).
suite - Autres types de désaminases. - Aminoacides oxydases. La désamination la plus importante au niveau du foie et des reins des mammifères est celle de la glutamate Dhase. Cependant, on retrouve dans le foie et les reins des D et L aminooxydases, localisés dans les peroxysomes du foie et du rein. Les L amino-oxydases sont des flavoprotéines à FMN qui catalysent la désamination oxydative en 2 étapes : a ) Déshydrogénation enzymatique qui donne un acide a iminé et 2 hydrogènes fixés par le FMN pour donner le FMNH2. R-CH-COOH + FMN ------> R-C-COOH + FMNH2 | || NH 2 NH Acide aminé Iminoacide Le FMNH2 est oxydé à son tour par l’oxygène ( H2O2), produit toxique, qui est décomposé par la catalase en H2O et O2. FMNH2 + O2 -----------> FMN + H2O2 H2O2 -----------> H2O + ½ O2
suite b ) Hydrolyse spontanée de l’acide a iminé en a cétoacide et ammoniaque : R-C-COOH + H2O ------> R-C-COOH + NH3 || || NH O Les D aminooxydases fonctionnent avec le FAD comme coenzyme. - Désamination désaturante. La sérine et la thréonine peuvent être désaminées directement (sans oxydation) en deux étapes : une déshydratation catalysée par des déshydratase spécifiques (en présence de phosphate de pyridoxal) suivie d’hydrolyse spontanée qui libère de l’ammoniaque. La L sérine déshydratase, convertit la sérine en pyruvate. La L cystéine désulfhydrase convertit la cystéine en pyruvate (libération de H2S, puis de NH3 ). Un autre type de désamination permet de convertir l’aspartate en fumarate, réaction catalysée par l’aspartate ammonium lyase.
3 ) Formation et transport de l’ammoniaque. L’ammoniaque ( NH4+) produit par les tissus est transporté par les tissus est transporté par le sang, sous deux formes : - le glutamate, synthétisé par la glutamate Dhase : a cétoglutarate + NAD(P)H + H+ + NH4+ -------> Glutamate + NAD(P)+ - la glutamine, synthétisé par la glutamine synthétase (enzyme mitochondriale abondante dans le rein et le foie ) : Glu + NH4+ + ATP -----> Gln + ADP + H2O Ainsi, l’ammoniaque est présent à l’état de trace dans le sang (0.1-0.2 mg / l) contrairement à la glutamine (80 mg / l) (glutamate 8 mg / l). Notons, cependant que le NH4+ peut être excrété par le rein pour maintenir l’équilibre acido-basique (alcalose et acidose). Au niveau du foie et du rein, l’hydrolyse de la glutamine catalysée par la glutaminase, libère l’ammoniaque : Gln + H2O ------> Glu + NH4+ ( Dans le cas des végétaux et des bactéries, la L asparaginase catalyse l’hydrolyse de l’asparagine accumulé
Elimination de l’azote Des isoenzymes se rencontrent dans les tissus qui ont une voie pour éliminer l’ion ammonium : rein et foie. La glutaminase est inhibée par le carbamyl-phosphate, produit de la carbamyl-phosphate synthétase qui a pour substrat amoniaqueproduit par la glutaminase .
suite L’ammoniaque est toxique pour le système nerveux central. En effet, il déplace l’équilibre de la réaction de la glutamate Dhase vers la formation du glutamate, entraînant une diminution de l’a cétoglutarate (intermédiaire du cycle de Krebs), et donc celle de l’ATP dont le cerveau est particulièrement sensible. Ainsi, au niveau du foie, l’ammoniaque produit est convertit en urée (uréogenèse ou cycle de l’urée).
4 - Cycle de l’urée ou uréogenèse ( Krebs 1932) C’est la voie métabolique des hépatocytes (foie) synthétisant l’urée à partir de la glutamine du plasma et des ions bicarbonates. Il a lieu dans les mitochondries (matrice ) et dans le cytosol du foie. - Etape mitochondriale : 1 - Condensation du NH4+ et du CO2 (en solution, il est sous forme de bicarbonate = HCO3-) en présence d’ATP, pour former le carbamyl phosphate. Cette réaction irréversible est catalysée par la carbamyl P synthétase qui nécessite le magnésium et le N acétyl glutamate ( activateur allostérique ) pour son activité. HCO3- + NH4+ + 2 ATP --------- NH2- CO-O-P + 2 ADP + 2 Pi La carbamyl-phosphate synthétase I, mitochondriale, participant à l’uréogénèse, est différente de la carbamyl-phosphate synthétase II, cytoplasmique, participant à la synthèse des nucléotides pyrimidiques (isoenzymes). La carbamyl-phosphate synthétase I, mitochondriale, participant à l’uréogénèse, doit obligatoirement être activée allostériquement par le N-acétyl glutamate, produit dans la mitochondrie par la N-acétyl glutamate synthétase. Le carbamyl-phosphate, à son tour est un inhibiteur de la glutaminase.
2 - Transfert du groupement carbamoyl 2) du carbamoyl P à l’ornithine pour former la L citrulline + Pi, catalysée par la L ornithine transcarbamylase. Carbamoyl P + L ornithine --------> L Citrulline + Pi
La L citrulline est transféré dans le cytosol. - Etape cytosolique. Elle permet la régénération de la L citrulline et la formation de l’urée. 3 - Condensation de l’aspartate ( par son groupement aminé ) et de la citrulline, en présence d’ATP pour former l’argino-succinate ( Arginosuccinate synthétase).
suite La citrulline produite par l’OCT quitte la mitochondrie pour être le substrat de l’enzyme condensante : l’arginino succinate synthétase. La synthèse par condensation de la citrulline et de l’aspartate est très endergonique et nécessite l’hydrolyse de la liaison la plus riche en énergie de la molécule d’ATP. La réaction libère un ion pyrophosphate. L’arginino succinate possède le noyau guanidinium de l’arginine dans lequel la double liaison est délocalisée autour de l’atome de Carbone situé entre les trois atomes d’Azote. L’arginino succinate synthétase est l’enzyme la plus lente du cycle de l’urée : elle catalyse dans le cytoplasme, l’étape d’engagement dans la voie de synthèse de l’arginine et de l’urée. Elle est induite par la glutamine (transcription du gène).
L’argininosuccinate synthétase produit des ions pyrophosphates dans les hépatocytes, qui sont détruits par les pyrophosphatases qui hydrolysent la liaison anhydride d’acide et libèrent de la chaleur.
Coupure de arginosuccinate 4 - Coupure de arginosuccinate en arginine et fumarate par l’arginosuccinase lyase
suite Remarque : La synthétase du fumarate établit un lien entre le cycle de l’urée et le cycle de Krebs. Le fumarate, donne le malate, puis l’oxaloacétate, qui peut être soit : a ) transaminé en aspartate b ) convertit en glucose par néoglucogénèse c ) former le citrate après condensation avec l’acétyl CoA. 5 - Coupure de l’arginine en ornithine et en urée par l’arginase qui catalyse l’hydrolyse du groupement guanido de l’arginine. L’ornithine et la lysine sont de puissants inhibiteurs compétitifs de l’enzyme. L Arg + H2O ------> L Ornithine + O = C - ( NH2)2
Arginase
suite l’arginine en ornithine et urée, puis excrète celle-ci par la lumière des citernes du reticulum vers l’extérieur de la cellule. L’ornithine libérée dans le cytoplasme est à nouveau captée par la mitochondrie. Les acides aminés basiques (ornithine, lysine, arginine) peuvent franchir la membrane interne de la mitochondrie grâce à un transporteur fonctionnant avec l’énergie du gradient chimio-osmotique de la membrane. Dans le cytoplasme, l’arginase est inhibée par les acides aminés basiques (lysine ou ornithine) ce qui entraîne un ralentissement du cycle. Dans les mitochondries au contraire, un excès d’arginine active la N-acétyl glutamate synthétase (activation du cycle). Dans ce bilan l’ornithine consommée par l’ornithine carbamyl-transférase est récupérée à la fin comme produit de l’arginase entrant à nouveau dans la mitochondrie. La voie métabolique est donc un cycle. Le cycle de l’urée (cycle de KREBS-HENSELEIT) est comparable à ce titre à l’autre cycle de KREBS des mitochondries. Au total, une molécule de glutamine et un ion bicarbonate donnent naissance à une molécule d’urée. La voie métabolique consomme quatre liaisons riches en énergie (ATP). Elle produit de l’α-cétoglutarate et un NADH (utilisés par la gluconéogénèse), 4 ADP, 4 ions phosphate et 5 protons. Gln + HCO3- + NAD+ + 4 ATP + 4 H2O -----> Urée + a CG + NADH +H+ + 4 ADP + 4 Pi
B / DESTINEE DU SQUELETTE CARBONE Généralement, la première réaction du catabolisme des acides aminés consiste en l’élimination de la fonction amine ou ( et ) désamination (Ex : Gln ----> Glu ----> a cétoglutarate). La chaîne carbonée (sans amine ) linéaire ou ramifiée est dégradée par des réactions ayant certaines analogies avec le catabolisme des acides gras. La dégradation de la chaîne carbonée des acides aminés consiste à former des intermédiaires essentiels, au nombre de 7 : le pyruvate , l’acétyl CoA , l’a cétoglutarate , le succinyl CoA , le fumarate et l’oxaloacétate. Ces intermédiaires peuvent être convertit en glucose ou en acide gras, soit oxydés par le cycle de Krebs
Conversion en pyruvate : Les acides aminés en C3 ( Ala , Ser , Cys) ainsi que Gly et Thr et hydroxy-proline sont transformés en pyruvate. L’alanine donne le pyruvate par transamination, la sérine après déshydratation ( sérine déshydratase). La glycine est transformée par la sérine hydroxyméthylase en sérine avant sa conversion en pyruvate, mais la voie principale chez les vertébrés est la conversion en CO2 et NH4+ en présence de FH4 ( Glycine synthétase) : Gly + NAD+ + FH4+ -------> CO2 + NH4+ + NADH + H+ + N5-10 méthylène tétrahydrofolate ( N5, N10, CH2-FH4) La thréonine est coupée en acétaldéhyde ( qui donne l’acétyl CoA) et glycine par la thréonine aldolase. La cystéine est convertie en pyruvate par la transaminase et déshylfhydrase (ou transsulfurase). L’hydroxyproline est transformé en glyoxalate ( HOOC- CHO) et pyruvate.
b ) Conversion en oxaloacétate : Les acides aminés en C4 ( Asp et Asn ) sont transformés par transamination en oxaloacétate : Asn + H2O ----> Asp + NH4+ ( Asparaginase ) Asp + a cétoglutarate ----> oxaloacétate + Glu ( Transaminase) c ) Conversion en a cétoglutarate : Les acides aminés en C5 (Gln, Pro, Arg et His) sont convertis en glutamate , qui est désaminé oxydativement par la glutamate Dhase pour donner l’a cétoglutarate. d ) Conversion en succinyl CoA : Les acides gras ramifiés ( Val , Ileu ) ainsi que la méthionine sont converties en méthyl malonyl CoA qui est isomérisé en succinyl CoA ( Méthyl malonyl CoA mutase en présence de la vitamine B12 ) . e ) Conversion en acétyl CoA : Tous les acides aminés formant du pyruvate , peuvent être convertis en acétyl CoA. Cependant, 5 acides aminés forment directement l’acétyl CoA (sans passer par le pyruvate ) : - les acides aminés aromatiques ( Phe, Tyr, et Trp) - Lys et Leu La leucine est transformée en acétyl CoA et acétoacétyl CoA.
suite L’ouverture du cycle des acides aminés aromatiques fait intervenir des oxygénases ou oxydases (en présence d’oxygène moléculaire). Tyr et Phe sont dégradés en acétoacétate et fumarate, puis en acétyl CoA. Trp est dégradé en acide a cétoadipique , puis décarboxylé oxydativement en glutaryl CoA , ce dernier subit ( idem pour Lys) une b oxydation pour donner le malonyl CoA et l’acétyl CoA.
III / BIOSYNTHESE DES ACIDES AMINES A / Notion d’acides aminés indispensables On peut faire croître E. coli et de nombreux micro-organismes sur un milieu contenant du glucose comme seul source de carbone, donc tous les acides aminés peuvent être synthétisés à partir de glucose et de sels minéraux. Les plantes et les autres organismes photosynthétiques, synthétisent les 20 acides aminés, les glucides et toutes les substances organiques par réduction du CO2 atmosphérique, et seulement à partir de substances minérales grâce à l’énergie lumineuse. Ce sont des organismes autotrophes. A l’inverse, les animaux et l’homme (organismes hétérotrophes) dépendent d’un apport continu de substances exogènes, organiques (d’origine végétale et animale ) et inorganique qui sont apportés par l ’alimentation et qui leurs fournissent de l’énergie ainsi que des composés qu’ils ne peuvent synthétiser (ex : acides aminés, vitamines..). Ainsi, l’homme ne peut synthétiser que la moitié des acides aminés, et ceux qui doivent être apportés par l’alimentation sont dits essentiels ou indispensables que l’organisme ne peut synthétiser : 8 AA indispensables chez l’homme : Thr , Lys Trp, Phe,Val, Met Ileu, Leu, et. Une citation pour s’en rappeler : « Le très lyrique Tristan fait vachement méditer Iseult » Chez le rat, il y a en plus His et Arg ( AA semi-indispensables chez l’homme
suite B - Biosynthèse des acides aminés La biosynthèse des acides aminés comporte 3 étapes : a ) la formation de l’ammoniac b ) la biosynthèse du squelette carboné des acides aminés. c ) l’incorporation de l’ammoniac dans un composé organique. a ) Formation de l’ammoniac L’ammoniac est formé selon deux processus : 1 - Fixation et réduction de l’azote atmosphérique ( N2) en ammoniac (NH3) : Elle est assurée par les bactéries du sol : bactéries aérobies (ex Azotobacter) ou anaérobies ( Clostridium ) et certaines bactéries symbiotiques présentes au niveau des racines des plantes (ex Rhizobium). Cette réaction est catalysée par un complexe enzymatique, la nitrogénase, et nécessite l’ATP et un puissant réducteur, la ferrédoxine réduite. à revoir : N2 + 6 H+ + 6e- + 12 ATP -----> 2 NH4 + + 12 ADP + 12 Pi + 4 H + Cette conversion appelée « fixation de l’azote » ne peut être faite chez les organismes supérieurs. La triple liaison de N2 est très résistante à une attaque chimique. Ainsi, la réaction industrielle de réduction de l’azote par l’hydrogène pour former l’ammoniac se déroule à 500°C et à 300 atm de pression en présence de fer comme catalyseur !
suite Le complexe nitrogénase est composé de 2 enzymes : - une réductase (FeS, 2 su, 130 KD), qui fournit les électrons - une nitrogénase ( Mo-Fe,4 sous unités, 200 KD) qui utilise les électrons pour réduire le N2 en NH4+. La conversion de N2 en NH4+ se déroule en 3 étapes : - transfert des électrons de la ferrédoxine sur la réductase - liaison de l’ATP à la réductase. Cette liaison change la conformation et augmente le pouvoir réducteur de la réductase ( E° passe de -0.29 à -0.4 V) en lui permettant de transférer ses électrons sur la composante nitrogénase. - Transfert des électrons, hydrolyse de l’ATP et dissociation de la réductase du complexe nitrogénase. Le N2 lié à la nitrogénase est alors réduit en NH4+. Le complexe nitrogénase est inactivé en présence d’oxygène.
2 - Réduction des nitrates (NO2-) et nitrites (NO3-) en ammoniac Les nitrates et les nitrites proviennent soit de l’oxydation de l’azote atmosphérique (orages), et surtout de l’oxydation de l’ammoniac, produit de l’oxydation des déchets azotés ou par fixation de l’azote . L’ammoniac subit une nitrification par des bactéries du genre : - Nitrosomonas : NH3 + 3/2 O2 ----> NO2- + H2O - Nitrobacter : NO2- + ½ O2 ----> NO3- Ces deux bactéries, grâce à un système de transport d’électrons, utilisent l’énergie libérée par ces réactions d’oxydation de ces minéraux, pour synthétiser tous leurs composés organiques à partir de CO2. Ce sont des chimio-autotrophes. Les nitrates et nitrites sont réduits par divers organismes (plantes, champignons, bactéries) par des réductases : - la nitratréductase, fait intervenir un système de transport d’électrons, et catalyse la réduction de NO3- en NO2- - la nitrite réductase transforme le NO2- en NH3 en présence de la ferrédoxine des plantes : NO2- +6 e- + 8 H+ ----> NH4+ + 2 H2O
b ) Biosynthèse du squelette carboné Les plantes et plusieurs bactéries synthétisent les 20 acides aminés à partir d’intermédiaires amphibologiques en particulier de certains a cétoacides résultant du métabolisme intermédiaire ( ex Glycolyse , cycle de Krebs) , comme le pyruvate , l’oxaloacétate ,,l’a cétoglutarate , , phosphoénolpyruvate, et d’autres composés comme le fumarate l’érythrose 4P ; ribose 5P, le phosphodihydroxypyruvate etc..Chez les animaux supérieurs, si l’acide aminé est indispensable. Seul la biosynthèse des acides aminés non indispensables chez l’homme sera évoquée.
suite c ) Incorporation de l’ammoniac dans un composé organique L’ammoniac est incorporé dans le glutamate et la glutamine, avec l’intervention de deux enzymes présentes chez tous les organismes (bactéries, plantes, animaux) : la glutamate Dhase : a CG + NH4+ + NADPH + H+ ---> Glu + NADP+ + H2O - la glutamine synthétase : Glu + NH3 + ATP -----> Gln + ADP + Pi Remarque : 1 ) Il existe aussi la voie (importante) du fumarate en aspartate : Fumarate + NH4+ ----> Asp ( Aspartate ammonium lyase) 2 ) Notons que l’ammoniac est aussi assimilé par le cycle de l’urée chez les animaux, ainsi que par la biosynthèse des bases pyrimidiques. Les procaryotes (ex E. Coli), contiennent une glutamate synthétase, qui catalyse l’amination réductrice de l’a cétoglutarate : a CG + Gln + NADPH + H+ ----> 2 Glu + NADP+ La glutamine synthase a une forte affinité pour le NH4+ contrairement à la glutamate Dhase ( Km = 1mM). La glutamine est une source d’azote dans la biosynthèse de divers métabolites (Gly, Ala , Trp, His, CTP, AMP, carbamyl P etc..) qui inhibent la glutamine synthase (rétroinhibtion).
d ) Transfert du groupement aminé sur les a cétoacides - Par amination réductrice , l’a cétoglutarate donne le glutamate en présence de NH4+ ou de glutamine donne la glutamine ( glutamine synthase). Le glutamate est aussi le précurseur de la proline. - le glycérate 3P, par une série de réactions (déshydrogénation, transamination et déphosphorylation) est convertit en sérine, qui est elle-même transformée en glycine. La sérine en présence d’homocystéine (formé à partir de la méthionine) et forme la glycine. Enfin, la tyrosine est synthétisée par hydroxylation de la phénylalanine. Remarque : Hydroxylysine et hydroxyproline, acides aminés présent dans le collagène, résultent de l’action des peptidyl hydroxylases sur proline et Lysine incorporés dans la protéine. L’arginine et l’histidine sont deux acides aminés semi-indispensables (synthétisées en quantité insuffisante pour la croissance). L’arginine est synthétisée par le cycle de l’urée pour satisfaire les besoins de l’adulte (non l’enfant en croissance). L’histidine est formée à partie du ribose 5P.
IV / BIOSYNTHES DES PROTEINES La biosynthèse des protéines nécessite la disponibilité des 20 AA qui sont fournis soit après dégradation des protéines corporelles (turnover protéique) ou par digestion des protéines alimentaires (qui apportent aussi bien les AA essentiels que non essentiels) ou par biosynthèse. En l’absence de l’un ou l’autre acide aminé, la biosynthèse protéique est restreinte. Cela entraîne une balance azotée négative, il y a plus de protéines dégradés que de protéines synthétisées, et donc plus d’azote éliminé que d’azote ingéré.
METABOLISME PARTICULIER DE CERTAINS ACIDES AMINES
I / METABOLISME DE LA GLYCINE ET DE LA SERINE Métabolisme de la sérine - Biosynthèse de la sérine La sérine est synthétisée à partir du glycérate 3P (intermédiaire de la glycolyse par deux voies, selon qu’elle fait intervenir des intermédiaires phosphorylés ou non. La synthèse via les intermédiaires phosphorylés (voie importante chez les mammifères) implique une oxydation du glycérate 3P en phosphohydroxypyruvate, une transamination en phosphosérine qui subit enfin une déphosphorylation par une phosphatase. Métabolisme général de la sérine - Désamination La sérine est désaminée en pyruvate par une phosphatase sous l’action de la sérine hydratase. ( La sérine est un acide aminé glucoformateur). - Décarboxylation La sérine, par décarboxylation (sérine décarboxylase ) donne l’éthanolamine OH-H2C-CH-COOH -----> HO-CH2-CH2-NH2 + CO2 | NH2 - Interconversion : Ser <-----> Gly La sérine hydroxyméthyltransférase catalyse (en présence de phosphate de pyridoxal ), le transfert d’un formyl de la sérine sur le tétrahydrofolate pour donner de la glycine et le N5-N méthylène tétrahydrofolate. Ser + FH4 -------> Gly + N5-N mFH4 ( Cf Fig 12.) - Biosynthèse de métabolites La sérine participe à la biosynthèse des sphingomyélines du cerveau, et des bases puriques et pyrimidiques.