METABOLISME DES PROTEINES: Bilan ERLICH D & BEAUDRY P SERAZIN V

I- LES PROTEINES I-1 Rappels I-2 Schéma général I-3 Renouvellement des protéines II- LE BILAN AZOTE III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-1 Alimentation III-1-1 Aspects quantitatifs III-1-2 Aspects qualitatifs III-1-3 Digestion et absorption des protéines III-2 Protéolyse III-2-1 Système lysosomal III-2-2 Système Calcium dépendant III-2-3 Système « Protéasome » III-3 Synthèse de novo des AA IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-1 Synthèse des Protéines IV-2 Synthèse des autres composés azotés

IV-3-1 Perte du groupement amine IV-3-2 Elimination de l’azote IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-1 Perte du groupement amine IV-3-2 Elimination de l’azote A- Origine de l’Azote sous forme NH3 B-Synthèse de la Glutamine C-Cycle de l’Alanine D-Cycle de l’Urée E-Ammoniogenèse rénale F-Pathologie IV-3-3 Devenir de la chaine carbonée A-Cetogénèse B-Néoglucogénèse C-Synthèse des Acides Gras V—REGULATION du métabolisme Protéique V-1 Echanges interorganes de la Glutamine V-2 Régulation nutritionnelle post-prandial (nourri) post-absorptif (à jeun) V-3 Régulation Hormonale

L’évaluation du métabolisme des protéines et du « bilan Azoté » est une pratique quotidienne en clinique. Paramètres cliniques: -masse corporelle, masse musculaire -évaluation des fonctions rénales, hépatiques, digestives, hormonales,neuropsychiatriques Examens de laboratoire courants: -Protidémie -Albuminémie -Electrophorèse des protéines sériques -Ammoniémie -Amino-Acidémie -ASAT, ALAT -Urée et creatinine (sang & urine)

I- LES PROTEINES 1- Rappels Protéines: Molécules comportant de l’Azote et composées d’une séquence d’acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. Macromolécules essentielles à la vie -Synthèse à partir de 20 acides aminés (AA) -AA reliés par des liaisons peptidiques (CO-NH) -Contrôle génétique de chaque séquence peptidique -Azote = N est leur constituant caractéristique -Renouvellement perpétuel « turnover protéique » -Grande quantité +++ (10 000 protéines chez un eucaryote) -Grande diversité de taille et de structure

AA à chaîne aliphatique: G, A, V, L, I I- LES PROTEINES 1- Rappels (suite) Classification des AA AA à chaîne aliphatique: G, A, V, L, I AA aromatiques: F, Y, W AA soufrés: C, M AA hydroxylés: S, T AA basiques: K, R, H AA acides et leurs amides: D, E, N, Q Proline (P) fonction amine secondaire ( coudes)

Structure des protéines (Rappel): diversité +++ I- LES PROTEINES 1- Rappels Structure des protéines (Rappel): diversité +++ Repliement de la structure primaire Séquence en AA Repliement de la structure secondaire Liaison non covalente entre plusieurs protéines

Diversité des fonctions +++ I- LES PROTEINES 1- Rappels Diversité des fonctions +++ -Structure (Collagène, kératine …) -Contractiles (Myosine, Actine) -Transport (Albumine, Hb …) -Immunitaire (Immunoglobulines, cytokines …) -Enzymatique (quasiment toutes !) -Hormonales et neuromédiatrices -Transduction (Récepteurs, Protéines G …) -Régulation de l’expression du génome (Facteurs Transcriptionnels)

Les compartiments corporels selon Brozek I- LES PROTEINES 1- Rappels Importance vitale des protéines +++ Masse corporelle  70 kg Eau extracellulaire (25%  20 l) Eau intracellulaire (37%  25 l) Minéraux (6%  4 kg) Graisse (10-30%  10 kg) Masse maigre Masse grasse Protéines (16%  10 kg) Les compartiments corporels selon Brozek (Enseignement de nutrition, collège des enseignants de nutrition)

Dégradation irréversible I- LES PROTEINES 2- Schéma général du métabolisme protéique (chez un adulte en bonne santé) ENTREES PROTEINES ( 10 kg) SORTIES AA LIBRES ( 70 g/j) Protéolyse ( 300 g/j) Synthèse protéique ( 300 g/j) Renouvellement ou « Turnover protéique » Apports exogènes ( 80 g/j) Dégradation irréversible ( 80 g/j) (UREE, NH4, CO2) Synthèse de novo (endogène) Biosynthèse des autres produits azotés Les AA excédentaires ne sont pas stockés: ils sont dégradés

3- Renouvellement des protéines +++ I- LES PROTEINES 3- Renouvellement des protéines +++ Les protéines de l’organisme participent de façon très variable au renouvellement protéique global En fonction 1- de l’importance qualitative de la protéine (muscles, foie, intestin, peau) 2- de la rapidité de renouvellement de chaque protéine Ex: Protéines du cristallin: renouvellement = 0 Stock ApoB100 des VLDL: renouvelé 3 fois/j Renouvellement des P musculaires = 20 % " P hépatiques = 10% du renouvellement global

Variations du renouvellement protéique +++ I- LES PROTEINES 3- Renouvellement des protéines +++ Variations du renouvellement protéique +++ Selon l’âge: NNé 15 g/kg/j >> adulte 4 g/kg/j Synthèse >> protéolyse Selon l’état nutritionnel:  au cours du jeune (Protéolyse > synthèse) Selon l’état pathologique: Situations cataboliques (syndrome inflammatoire, traumatisme, sepsis, brûlés) Renouvellement x 3-4 mais pas de gain protéique! Hépatique +++ = synthèse des P inflammatoires Muscle produit des AA (Protéolyse > Synthèse)  Possible dissociation entre synthèse protéique et gain protéique synthèse et catabolisme

Ce renouvellement protéique +/- rapide permet: I- LES PROTEINES 3- Renouvellement des protéines +++ Ce renouvellement protéique +/- rapide permet: -meilleure adaptation aux différentes circonstances nutritionnelles et physiopathologiques -l’élimination des protéines vieillies -rôle dans la reconnaissance immunitaire +++ par génération de peptides

II- LE BILAN AZOTE Contrairement aux microorganismes et végétaux, l’Homme ne sait pas incorporer l’azote de l’environnement (NH4+) dans ses constituants biochimiques Il est donc dépendant des apports de composés Azotés apportés par l’alimentation  Economie précise de l’Azote Alimentation Protéolyse Synthèse de novo des AA Dégradation des AA (urée, NH4, CO2) Synthèse des protéines Synthèse des autres produits azotés Entrées Sorties

= Le bilan azoté est normalement équilibré Synthèse des Protéines II- LE BILAN AZOTE Le bilan azoté est normalement équilibré Synthèse des Protéines Protéolyse = Absorption des AA Synthèse des autres composés azotés Hème, mono/polyamines Nucléotides, Glutathion, NO, coenzymes nucléotidiques… Acide aminé Squelette des atomes de carbone Glucose Acétyl-CoA Corps cétoniques Urée Catabolisme des AA  de novo AA

  4-6 mois III-1 Alimentation = Apport des AA exogènes III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-1 Alimentation = Apport des AA exogènes Correspond à l’apport alimentaire en protéines qui subissent leur digestion au niveau du tractus digestif III-1-1 Aspects quantitatifs Chez l’adulte, en pays développé, apports  70-100 g/j Besoins recommandés: 55 g 45g/j 110 g/j   4-6 mois Dépendent de l’apport  par les autres nutriments de l’âge de l’activité physique

Opérés, cancéreux, brûlés III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-1 Alimentation = Apport des AA exogènes III-1-1 Aspects quantitatifs (suite): en pathologie  Carence protéique Marasme Carence  globale (P, vitamines, minéraux) Kwashiorkor E de 6 mois-3ans au moment du sevrage Pays en voie de développement Anoréxie Opérés, cancéreux, brûlés Perte protéique >> besoins

III-1-2 Aspects qualitatifs III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-1 Alimentation = Apport des AA exogènes III-1-2 Aspects qualitatifs - AA essentiels / AA non essentiels Leu Thr Lys Trp Phe Val Met Ileu (+ His & Arg chez l’E) - Protéines alimentaires +/- bonne qualité (contenu en AA essentiels) P œufs, lait viande animale >> P végétales

III.1.2 aspects qualitatifs les a.a. essentiels et non essentiels Essentiels (Leu Thr Lys Trp Phe Val Met Ileu. Et chez l'enfant en plus His Arg) : apportés exclusivement par l'alimentation Non essentiels (Gly, Asp, Asn, Glu, Gln, Pro, Tyr, Ser, Cys, Ala) : peuvent être synthétisés par l'organisme NB1 : la notion d'aa essentiel varie d'une espèce à l'autre NB2 : l'apport alimentaire doit être équilibré

III-1-3 Digestion et absorption des protéines III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-1 Alimentation = Apport des AA exogènes III-1-3 Digestion et absorption des protéines Dipeptidases Tripeptidases ENTEROCYTE AA capillaire dénaturation pepsine Estomac Trypsine Chymotrypsine Elastase carboxypeptidases Lumière intestinale Endopeptidases Aminopeptidases Dipeptidases Bordure en brosse

III-1-3 Digestion et absorption des protéines (suite) III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-1 Alimentation = Apport des AA exogènes III-1-3 Digestion et absorption des protéines (suite) -Digestion gastrique: dénaturation des P par l’acidité action de la pepsine (protéase non spécifique, active à pH2) -Digestion dans lumière intestinale: Endopeptidases pancréatiques (trypsine, chymotrypsine, élastase) sécrétés « zymogènes inactifs » et convertis en enzymes actifs Exopeptidases (carboxypeptidases A et B) -Digestion de contact (Mb plasmique des c intestinales) Aminopeptidases -Absorption non spécifique des AA (neutres et basiques), di et tripeptides -Digestion intraentérocytaire des di et tripeptides -Absorption des AA  veine porte

 Absorption des AA essentiels III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-1 Alimentation = Apport des AA exogènes III-1-3 Digestion et absorption des protéines (suite)  Absorption des AA essentiels Lumière Sang Pôle apical Pôle basal C intestinale Systèmes de transport des AA -propre aux AA neutres (AA aromatiques & aliphatiques) -propre aux AA basiques -propre à la Gly, Pro et OH Pro -propre aux AA acides Systèmes de transport des AA requièrent l’activité des pompes Na/K Transport actif +/- lié au Na+ Na+

III-1-3 Digestion et absorption des protéines (suite) III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-1 Alimentation = Apport des AA exogènes III-1-3 Digestion et absorption des protéines (suite) -Apport de 150g/j par la veine porte P alimentaires (70-100g/j) P sécrétées par le tube digestif (50g/j) (enzymes, mucus, débris c) -AA absorbés (veine porte)  FOIE -60-80% transaminations = Phénomène d’extraction oxydations splanchnique  P hépatiques (affecté par l’âge et état nutritionnel) -20% (AA branchés) passent dans la circulation générale Permet à AAcidémie de rester  normale même au cours d’une charge protéique alimentaire importante.

III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-1 Alimentation = Apport des AA exogènes III-1-3 Digestion et absorption des protéines (suite)  En pathologie: Maladie d’Hartnup: déficit en transporteur d’AA neutres et aromatiques (TRP ++) Absorption intestinale  et élimination urinaire  1/24 000 - Ataxie cérébelleuse, éruption cutanée (pellagre), Cystinurie déficit en transporteur Cys/Arg/Lys -intestin:  absorption Cys  Met  pas de déficit -reins:  excrétion urinaire de Cys  calculs rénaux Maladie coeliaque (intolérance au gluten): maladie autoimmune – villosités de l’intestin grêle  malabsorption (vit B12) Phénylcétonurie (déficit en phénylalanine hydroxylase) saturation des transporteurs des AA aromatiques par F  déficit des autres AA aromatiques (tyrosine et trytophane) Dépistage à la naissance, retard mental à long terme

III-2 PROTEOLYSE = catabolisme protéique = Apport des AA endogènes III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-2 PROTEOLYSE = catabolisme protéique = Apport des AA endogènes -Source principale d’AA pour l’organisme (75%) -Progression des connaissances depuis ces 10 dernières années +++ -Difficultés d’étude car la protéolyse a de multiples fonctions « ménage cellulaire » -Renouvellement basal des P -Élimination des P anormales -Genèse des peptides antigéniques ( P endo & exogènes) -Production d’ en situation de carence -Régulation de l’abondance tissulaire des P

III-2 PROTEOLYSE = catabolisme protéique = Apport des AA endogènes III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-2 PROTEOLYSE = catabolisme protéique = Apport des AA endogènes Protéases +++ réparties en 3 systèmes Système lysosomal: Foie, reins +++ (< 15% protéolyse) ATP dépendant Système calcium dépendant: Calpaïne-Calpastatine Cytosolique  dégradation des P du cytosquelette +++ Système « Protéasome » (ATP dépendant) Muscle +++  dans les états cataboliques +++ Système des Caspases

III-2 PROTEOLYSE = catabolisme protéique = Apport des AA endogènes III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-2 PROTEOLYSE = catabolisme protéique = Apport des AA endogènes III-2-1 Système lysosomal: peu spécifique - Foie et reins +++ - protéases actives en milieu acide = Cathepsines Dans des vésicules lysosomales  endocytose des P à dégrader P extracellulaires Endocytose  P intracellulaires à ½ vie longue  Membranes cellulaires, organites Autophagie

 Carence nutritionnelle +++ Jeûne III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-2 PROTEOLYSE = catabolisme protéique = Apport des AA endogènes III-2-1 Système lysosomal (suite)  Nécessite de l’ATP  pH acide H+ ATP Séquences « signal » KFERQ Lys-Phe-Glu-Arg-Gln Motifs exposés au fur et à mesure du vieillissement de la P ciblage selectif des P  dégradation  Carence nutritionnelle +++ Jeûne

III-2-2 Système calcium dépendant: Calpaïne-Calpastatine III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-2 PROTEOLYSE = catabolisme protéique = Apport des AA endogènes III-2-2 Système calcium dépendant: Calpaïne-Calpastatine 3 calpaïnes cytosoliques dont l’activité dépend de [Ca2+] (pH 7) Dégradation des Protéines du cytosquelette portant les séquences PEST Pro-Glu-Ser-Thr

III-2-3 Système « PROTEASOME III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-2 PROTEOLYSE = catabolisme protéique = Apport des AA endogènes III-2-3 Système « PROTEASOME Complexe multienzymatique 19S 20S 26S -Complexe 19S: Régulateur (> 18 su , dont ATPasiques) Founit l’  assemblage 20S + 19S  protéolyse -Complexe 20S: Protéolytique (14 su ) P marquées par l’Ubiquitine

Dégradation des P intracellulaires Dégradation des P anormales III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-2 PROTEOLYSE = catabolisme protéique = Apport des AA endogènes III-2-3 Système « PROTEASOME (suite) Dégradation des P intracellulaires (enzymes limitantes, P régulatrices) Dégradation des P anormales Intervient ds la présentation des Antigènes aux molécules de classe I du CMH Majorité de la protéolyse au niveau musculaire +++   Ds les états cataboliques

P poly-ubiquitinée  protéasome  dégradée III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-2 PROTEOLYSE = catabolisme protéique = Apport des AA endogènes III-2-3 Système « PROTEASOME (suite) Ubiquitine: 76 AA, séquence conservée +++ Se fixe sur les P à dégrader (Liaison covalente–Lys) ATP E1 activent Ub (2 isoformes) E2 conjuguent Ub (> 25 isoformes) Catalysent la liaison Ub – P +/- E3 = Ub ligases (>150 isoformes) Multiples combinaisons E2/E3  régulation fine +++ d’un très grand nombre de P  P poly-ubiquitinée  protéasome  dégradée

 Signal pour l’ubiquitination AA en position N-terminale III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-2 PROTEOLYSE = catabolisme protéique = Apport des AA endogènes III-2-3 Système « PROTEASOME (suite)  Signal pour l’ubiquitination AA en position N-terminale AA stabilisants: Met, Ser, Gly (P à ½ vie longue) AA déstabilisants: Arg, Lys, His (P à ½ vie courte)

Pathologie: Cancers: Déstabilisation d’antioncogènes III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-2 PROTEOLYSE = catabolisme protéique = Apport des AA endogènes III-2-3 Système « PROTEASOME (suite) Pathologie: Cancers: Déstabilisation d’antioncogènes -du col: HPV  protéine E6  + Ub ligase E3  Ub-p53 -colorectal: + Ub ligase E3 spécifique de p27 (modulateur négatif du cycle cellulaire) Maladies neurodégénératives (Parkinson, Alzheimer…) Accumulation de P mal repliées  machinerie Ub-protéasome inefficace pour dégrader les P anormales

Consomme de l’énergie +++ PROTEOLYSE EN BREF Régule - Transcription des gènes - Progression du cycle cellulaire - Rythmes circadiens - Réponse inflammatoire - Suppression des tumeurs - Métabolisme du cholestérol - Apprêtement des Ag Consomme de l’énergie +++ Régulée +++ par conditions nutritionnelles et hormonales

III-3 Synthèse de novo des AA: structures de base III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-3 Synthèse de novo des AA: structures de base Squelette carboné Provient de 3 chaînes métaboliques majeures: Glycolyse, voies des pentoses phosphates, cycle de Krebs H R Ca COO- H3N+ Groupe amine  Glu ou Gln par une réaction de transamination 6 voies métaboliques pour la  des AA

Transamination: transfert le groupe amine d’un AA vers un autre AA III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-3 Synthèse de novo des AA: Transaminations +++ Transamination: transfert le groupe amine d’un AA vers un autre AA Réversible (biosynthèse et dégradation des AA) Coenzyme +++ Phosphate de pyridoxal ( vitB6) Besoins: 2mg/j Carences vraies rares

2 réactions de transamination de loin les plus fréquentes +++ III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-3 Synthèse de novo des AA: Transaminations +++ 2 réactions de transamination de loin les plus fréquentes +++ ASAT: ASp Amino Transférase ou Serum Glu Oxaloacétate Transférase ALAT: ALa Amino Transférase ou Serum Glu Pyruvate Transférase

Acide a cétoglutarique (aCG)  Glutamate (Glu) III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-3 Synthèse de novo des AA: Transaminations +++  But final des transaminations spécifiques de nombreux AA est de recueillir l’ensemble des groupes amines sur un seul collecteur: Acide a cétoglutarique (aCG)  Glutamate (Glu)  Finalité des transaminations: redistribuer l’azote ingéré de façon adéquate entre les  AA nécessaires à la  protéique  ALAT et ASAT: FOIE+++ marqueurs de l’intégrité hépatique

IV-1 Synthèse des protéines IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-1 Synthèse des protéines AA libres

IV-2 Synthèse des autres composés azotés IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-2 Synthèse des autres composés azotés Hème & porphyrines ( Gly) Monoamines, polyamines sérotonine ( Trp), GABA ( Glu) dopamine-adrénaline-mélanine ( Phe, Tyr) Thyroxine ( Phe, Tyr) Nucléotides (purines & pyrimidines) ( Asp, Gln, Gly) Coenzymes nucléotidiques (NAD, NADP, FAD, CoA) Glutathion ( Glu) Créatine NO ( Arg) Urée Carnitine

Squelette des atomes de carbone IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA = catabolisme oxydatif des AA Perte du groupe aminé Mécanisme général AA Mécanisme spécifique de l’AA Perte du groupe carboné Squelette des atomes de carbone Glucose Acétyl-CoA Corps cétoniques Urée

IV-3-1 Perte du groupement amine IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-1 Perte du groupement amine FOIE +++ 3 mécanismes: a-Désaminations oxydatives b-Désaminations non oxydatives c-Transaminations

IV-3-1 Perte du groupement amine IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-1 Perte du groupement amine a-Désaminations oxydatives (mitochondrie)   Glutamate a Cétoglutarate NH4+ NAD(P) NAD(P)H Glutamate deshydrogénase FOIE et REIN

 Désamination oxydative Glu  aCG + NH4+ IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-1 Perte du groupement amine a-Désaminations oxydatives (suite)  Désamination oxydative Glu  aCG + NH4+ Quantitativement très importante, reversible Glutamate deshydrogénase Enzyme allostérique Régulée +++ ATP & GTP: inhibiteurs allostériques ADP & GDP: activateurs allostériques Déficit énergétique cellulaire  active le catabolisme des AA

 Désaminations oxydatives à FAD ou FMN IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-1 Perte du groupement amine a-Désaminations oxydatives (suite)  Désaminations oxydatives à FAD ou FMN Importance métabolique mineure Irréversible Hépatique

Thréonine  a cétobutyrate +NH4+ IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-1 Perte du groupement amine b-Désaminations NON oxydatives Certains AA peuvent être désaminés directement: S (Ser), T (Thr) +++ H (His) Sérine  Pyruvate + NH4+ Thréonine  a cétobutyrate +NH4+ Déshydratases (déshydratation puis désamination) c-Transaminations (cf III-3)

IV-3-1 Perte du groupement amine: CONCLUSION IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-1 Perte du groupement amine: CONCLUSION Les AA naturels, à l’exception fondamentale de GLN et ASN (et accessoirement Ser, thr, His) ne peuvent être désaminés directement  Transamination Le groupe aminé de nombreux AA est transféré à aCG  Glu qui subit une désamination oxydative  NH4+  UREE a cétoacide a CG GLU NH4+ NAD(P) NAD(P)H ASP ALA Couplage  régénération de aCG +++

IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE Des tissus autres que le foie dégradent des AA Ex: Muscle +++ Jeune Exercice prolongé AA = source  1-Tissus périphériques exportent l’Azote vers le FOIE  sous forme de GLN (GLU + NH4+), Glutamine synthétase  sous forme de ALA dans le muscle +++ (Cycle de l’ALA) 2-Dans le Foie: GLN  GLU + NH4+  UREE +++ 3-Dans les Reins: élimination sous forme NH4+  20% de l’Azote urinaire total

IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE Pourquoi faut-il éliminer NH3 ?? NH3 TOXIQUE +++ si  NH3, liposoluble  CERVEAU NH3 + aCG  glutamate  Déplétion en aCG Cycle de Krebs ralenti Phosphorylation oxydative bloquée   ATP Mort des cellules neuronales Glutamate + NH3  Glutamine   GLU Or GLU précurseur du g aminobutyrate, GABA  (neurotransmetteur)  COMA

Origine ENDOgène Origine EXOgène NH3  4/5 absorbés IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE A- Origines de l’Azote sous forme d’Ammoniaque (NH3) Origine ENDOgène Origine EXOgène Catabolisme des AA  Transaminations + Désamination Oxydative Glu Désaminations dans l’intestin AA ingérés/rétrodiffusés Urée rétrodiffusée  Désaminations non oxydatives Désaminases/uréases bactériennes Désamination GLN: glutaminase Désaminations des Bases PUR-PYR NH3  4/5 absorbés Désaminations des Monoamines (sérotonine, histamine, dopamine, adrénaline) 1/5  fèces (NH4+) Veine Porte  FOIE Désamination du carbamyl phosphate

B- Synthèse de la Glutamine = GLN = Q IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE B- Synthèse de la Glutamine = GLN = Q GLN Transporteur d’Azote entre les tissus  Foie: Glutaminase  Uréogenèse  Reins: Glutaminase  Ammoniogenèse AA le plus abondant dans le plasma Utilisée pour la synthèse de nombreux composés +++ - Substrat pour  bases PUR & PYR - Précurseur de Pro, Orn, Arg

B- Synthèse de la Glutamine = GLN = Q IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE B- Synthèse de la Glutamine = GLN = Q GLU + NH3 + ATP  GLN + ADP + Pi Glutamine synthétase Dans TOUS les tissus (FOIE, MUSCLE +++) SAUF intestin et reins hépatocytes périveineux Glutamine synthétase Enzyme allostérique Régulée +++ par rétroinhibition cumulative et multivalente Cette régulation joue un rôle critique dans le contrôle du métabolisme de l’azote

Active sous forme désadénylée Inactive sous forme adénylée IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE B- Synthèse de la Glutamine = GLN = Q Glutamine synthétase Active sous forme désadénylée Inactive sous forme adénylée (covalente-AMP) adénylyl transférase + P régulatrice (PA) PA PB uridylyl transférase régulée Cascade enzymatique ? - Amplification des signaux - Régulation très fine du flux d’azote dans la cellule

Glutamine Glutamine FOIE REINS Uréogenèse Ammoniogenèse Urée NH4+ TRAFIC de la GLUTAMINE Glutamine GLN synthétase TISSUS PERIPHERIQUES Glutamine FOIE REINS Glutaminase Uréogenèse Ammoniogenèse Urée NH4+ Urines

C- Muscle: Cycle de l’Alanine IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE C- Muscle: Cycle de l’Alanine NH4+ Muscle Foie Lors du jeûne ou d’un excercice prolongé, le muscle utilise les AA comme source d’  production d’Azote 1- Réactions de transaminations  GLU GLU GLU transaminé en ALA  Sang ALA ALA PYR Foie, capte ALA  PYR (transamination) PYR  Glucose groupe aminé  Urée 2- Transporté sous forme de GLN

D- FOIE: Cycle de l’URÉE +++ IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE D- FOIE: Cycle de l’URÉE +++ Exclusivement dans le FOIE +++ GLN est converti en GLU Glutaminase Hépatocytes périportaux GLN  GLU + NH3 Cycle de l’URÉE Urée contient 2 N/molécule 1er  NH3 2ème  ASP Urée: neutre, soluble +++, non toxique, pas de fonction métabolique Voie préférentielle d’élimination de l’azote en excès

IV-3 Dégradation irréversible des AA IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE Métabolisme hépatique de la GLN d’après D Haüssinger

(Carbamyl P Synthetase I) IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE D- Cycle de l’URÉE mitochondrie HEPATOCYTE périportal CPSI (Carbamyl P Synthetase I) 2 ATP + HCO3- + NH3 Carbamyl–P + 2 ADP + Pi 1er N Ornithine Citrulline Pi OTC (Ornithine transcarbamylase) ASP 2ème N Argininosuccinate ATP AMP + PPi ASS (Argininosuccinate synthetase) Arginase H2O Urée C  NH2 O Arginine Fumarate ASL (Argininosuccinate lyase) KREBS

D- Cycle de l’URÉE 2 réactions ont lieu dans la mitochondrie IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE D- Cycle de l’URÉE 2 réactions ont lieu dans la mitochondrie 3 dans le cytosol Transporteurs: -transporteur Citrulline/Ornithine -translocase Glu-Asp Bilan: HCO3- + NH4+ + 3 ATP UREE + 2ADP + 2Pi + + ASP + 2 H2O AMP + PPi + Fumarate + 1 ATP Apport alimentaire en ARG +++ La quantité synthétisée par l’Homme est insuffisante pour la  des Protéines et pour servir à la production d’Urée

Le Cycle de l’Urée est lié au cycle de Krebs IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE D- Cycle de l’URÉE Le Cycle de l’Urée est lié au cycle de Krebs Cycle de l’URÉE Fumarate ARG Cycle de Krebs Fumarate Malate OA Malate OA CR  NADH2 Arginino succinate Citrulline ASP a AminoA GLU a CétoA, aCG Transamination / GDHase Régénère l’ASP mitochondrie

+ D- Cycle de l’Urée: REGULATION IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE D- Cycle de l’Urée: REGULATION 1- Carbamyl Phosphate Synthétase I +++ [Substrats]: NH3 et HCO3- Disponibilité en ATP +++ [N acétyl GLU]intramitochondrial: Régulation allostérique PYR (état NOURRI) PDH GLU Acétyl CoA NAG N acétylGlu synthase GLN  Glutaminase AG (Jeûne) CPSI 2 ATP + HCO3- + NH3 Carbamyl–P + 2 ADP + Pi + Si dégradation des P    GLU   NAG   urée

D- Cycle de l’Urée: REGULATION IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE D- Cycle de l’Urée: REGULATION 2- Ornithine TransCarbamylase (OTC) Glu  GLN Intestin (Jeûne) P5CS -Disponibilité en Ornithine ARG  Protéines Alimentaires Intestin (État nourri) Arginase

+ D- Cycle de l’Urée: REGULATION 3- ArgininoSuccinate Synthétase (ASS) IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE D- Cycle de l’Urée: REGULATION 3- ArgininoSuccinate Synthétase (ASS) Disponibilité en ASP AcétylCoA + PYR PYR carboxylase OA aCG GLU ASP ASAT Arginino- succinate ASS ASP CIT ORN mitochondrie

D- Cycle de l’Urée: REGULATION (suite) IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE D- Cycle de l’Urée: REGULATION (suite) 4-Régulation du taux de synthèse des enzymes du cycle de l’Urée  Synthèse et donc  Uréogenèse si  du pool d’AA libres  Apports exogènes: Régimes hyperprotidiques  Apports endogènes: Etats hypercatabolisme P Brûles Traumatisés +++

5- Cycle de l’urée est dépendant du ratio NAD/NADH2 IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE D- Cycle de l’Urée: REGULATION (suite) 5- Cycle de l’urée est dépendant du ratio NAD/NADH2 Cycle de l’URÉE Krebs Fumarate Malate OA ARG Arginino succinate Citrulline ASP mitochondrie a AminoA GLU a CétoA, aCG Régénère l’ASP Disponibilité en NAD+  Activité de la chaîne respiratoire +++ NADH2  NAD+ Intoxication alcoolique Alcool DHase à NAD+ Le NAD+ est consommé prioritairement pour la détoxification alcoolique   Uréogenèse

E- REINS: Ammoniogenèse IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE E- REINS: Ammoniogenèse A partir de la GLN GLN + H2O  GLU + NH3 H+ NH4+ glutaminase Urée 20% de l’azote urinaire En conditions cataboliques Jeûne Acidose Insuffisance hépatique 

-Insuffisance Hépatique sévère +++ IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE F- PATHOLOGIE   Ammoniaque (NH3) dans le sang = hyperammoniémie A- Hyperammoniémies secondaires -Insuffisance Hépatique sévère +++ ( urée) Causes (hépatite aiguë, cirrhose …) SC: Coma, flapping tremor … Cirrhose : saignements digestifs +++ Shunts porto-caves  NH3 Bases thérapeutiques: traitement de la cause +++ Régime pauvre en protéines Lutte contre le saignement digestif Décontamination digestive Cirrhotique +++

F- PATHOLOGIE  A- Hyperammoniémies secondaires (suite) IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE F- PATHOLOGIE  A- Hyperammoniémies secondaires (suite) -Prématurité: immaturité hépatique & défaut de perfusion -Acidose  défaut d’élimination urinaire (NH4+) -Anomalies héréditaires du métabolisme: -Acidurie Organique (+ acidose métabolique) -Déficit b oxydation des AG -Déficit Chaîne Respiratoire

F- PATHOLOGIE  B- Hyperammoniémies PRIMAIRES IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE F- PATHOLOGIE  B- Hyperammoniémies PRIMAIRES Maladies héréditaires du métabolisme de l’urée 1- Déficits en Enzymes du cycle de l’urée - N acétyl Glutamate synthase - CPS I - OCT - ASS - ASL - Arginase Ar Lié à l’X 1/ 62000 1/ 14000 1/ 57000 1/ 70000 1/ 363000

          Carbamyl–P + 2 ADP + Pi Ornithine Citrulline CPSI 2 ATP + HCO3- + NH3 Carbamyl–P + 2 ADP + Pi Pi OTC Ornithine Citrulline ASP ATP Urée ASS Arginase AMP + PPi H2O Arginine Argininosuccinate ASL Fumarate

F- PATHOLOGIE  B- Hyperammoniémies PRIMAIRES IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE F- PATHOLOGIE  B- Hyperammoniémies PRIMAIRES Maladies héréditaires du métabolisme de l’urée 2- Déficits des Transporteurs -ORNT1 (ORN/CIT) -Citrine (GLU/ASP) 3- Déficits en enzymes satellites -Pyruvate carboxylase -1 Pyrroline 5 Carboxylate Synthase

F- PATHOLOGIE  B- Hyperammoniémies PRIMAIRES IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-2 ELIMINATION DE L’AZOTE F- PATHOLOGIE  B- Hyperammoniémies PRIMAIRES Signes cliniques: 2 groupes Révélation Neonatale: LETAL (> 24h) Vomissements, léthargie  COMA Hypothermie Révélation Tardive et Adulte: GRAVE Facteurs déclenchants +++ SC chroniques: S digestifs et hépatiques Encéphalopathie chronique S neurologiques récurrents S psychiatriques SC Aigus: S neurologiques +++ S digestifs

Outils diagnostiques: -Ammoniémie Conditions préanalytiques +++ IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA F- PATHOLOGIE  B- Hyperammoniémies PRIMAIRES Outils diagnostiques: -Ammoniémie Conditions préanalytiques +++ -Acheminée rapidement au laboratoire -Dans la glace (à T°Ambiante GLN  GLU + NH3) -Alcalose respiratoire -Chromatographie des AA plasmatiques et urinaires -Chromatographie des Ac organiques urinaires -Acide Orotique Urinaire (Carbamyl P  Ac orotique  Urines) -Tests de Charge -Dosages enzymatiques sur biopsies de foie CPS, OTC: muqueuse intestinale ASL, ASS: fibroblastes Arginase: érythrocytes -Biologie Moléculaire

IV-3-3 DEVENIR de la CHAINE CARBONEE cetogenese et neoglucogenese CETOGENESE Hépatique mitochondriale Acétoacetate, 3 Hydroxybutyrate, Acétone Six acides aminés cétogènes : -Ileu, Trp & Lys, Leu , Phe & Tyr Substrats energétiques : muscle squelettique et cardiaque cortex rénal Cerveau ( partiellement)

IV-3-3 DEVENIR de la CHAINE CARBONEE. NEOGLUCOGENESE IV-3-3 DEVENIR de la CHAINE CARBONEE NEOGLUCOGENESE Pratiquement tous les a.a. conduisent à des composés impliqués dans le cycle de Krebs. La plupart des a.a. sont considérés comme glucogéniques. Seules Lys et Leu sont cétogéniques, et qq a.a. (cycliques et Ile) sont mixtes. Aspartate

NEOGLUCOGENESE SUBSTRATS : Glycerol, Lactate Acides amines d’origine musculaire Source majeure lors du jeune FOIE & REIN Mitochondrie : Oxaloacétate tranféré au cyotosol via malate REGULATION Pyruvate carboxylase activée par Acetyl-coA PEP carboxykinase : Transcription par Glucagon

Seulement cétogènes

Le cycle alanine-glucose : un bon exemple d'intégration des métabolismes devenir de la chaine carbonée

SYNTHESE des Acides GRAS Les acides aminés, via les acides organiques correspon-dant, peuvent conduire à la production d’acides gras. Conditions d’ apports protéiques importants. Trois voies cataboliques de AA conduisent à Acetyl –coA Production en quantité de citrate ( Krebs) Transfert cytoplasmique d’acetyl-coA par citrate Formation cytosolique de Malonyl-coA

V-1 Echanges interorganes de la glutamine V- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE V-1 Echanges interorganes de la glutamine GLUTAMINE glutamine synthétase Glutaminase Le plus abondant des AA circulants (50% pool AA) Fonctions : transporteur d’azote interorganes substrat énergétique ( intestin++) substrat privilégié synthèse nucléotides Effet anabolique pour les protéines Intestin & Rein : catabolisent Gln Muscle: synthèse Gln Foie : synthèse ou catabolise Gln ,selon équilibre acidobasique

Glutamine Glutamine FOIE REINS Uréogenèse Ammoniogenèse Urée NH4+ TRAFIC de la GLUTAMINE Glutamine GLN synthétase TISSUS PERIPHERIQUES Glutamine FOIE REINS Glutaminase Uréogenèse Ammoniogenèse Urée NH4+ Urines

V-1 Echanges interorganes de la glutamine V- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE V-1 Echanges interorganes de la glutamine Intestin : 10-20% synthèse protéique de organisme 10-20% dépenses énergétique catabolise glutamine pour ses besoins énergétiques transamination entre glutamate/pyruvate alanine → foie α-cétoglutarate est oxydé via krebs (ATP) in situ utilise glutamine pour synthése proline (croissance) ornithine, citrulline (possede enz CPSI,OCT) citrulline est exportée, captée par les reins pour synthèse d’arginine

V-1 Echanges interorganes de la glutamine V- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE V-1 Echanges interorganes de la glutamine Muscles produisent Glutamine et Alanine libérés dans le sang, intense lors exercice et jeûne protéolyse musculaire : libère AA ramifiés Val, Ileu, Leu (25%) AA ramifiés + α KC → α cétoacides ramifiés + Glutamate α cetoacides → énergie (via Krebs) → foie → corps cétoniques et/ou glucose (jeûne) glutamate → glutamine (2/3) et alanine(1/3) synthèse de la glutamine : à partir NH3 issu de l’AMP lors de l’exercice musculaire , glutamine (60% des AA musculaires) est libérée dans le sang, captée par intestin ++ et rein synthèse de l’alanine: transamination du glutamate(ALAT) sur le pyruvate(Ala passe dans sang ,captée par foie transformé en glucose par néoglucogénèse

V-1 Echanges interorganes de la glutamine V- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE V-1 Echanges interorganes de la glutamine Reins captent et catabolisent très activement la glutamine hépatique et musculaire en situation de jeûne. C’est l’ammmoniogénèse rénale: la glutaminase rénale l’hydrolyse en glutamate et NH3 NH4+ → élimination rénale, assure régulation acidobasique de l’organisme Glutamate → α KC → énergie (Krebs) → glucose par néoglucogénèse(exercice, jeune) Synthèse Arginine à partir de citrulline (issue de l’intestin), permet la production d’urée

V- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE V-2- Régulation nutritionnelle En état NOURRI (post prandial) Intestin: Source d’AA +++ AA captés par le FOIE +++ 80% métabolisés (extraction splanchnique) UREE  substrats HCO3- et NH3  N acétyl Glu  + CPSI + enzymes Insuline    captation AA  Protéolyse 20% AA ramifiés ++  MUSCLE  Synthèse protéique +++ (+  apport énergétique)  Protéolyse Protéolyse < Synthèse: bilan > 0

80% AA métabolisés Organes Synthèse P +++ AA 20% AA Ala Gln UREE protéines

V- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE V-2- Régulation nutritionnelle En état post-absorptif (12-18h après repas)  Jeûne court Adaptation au jeûne: Épargner P muscle squelettique+++ (rôle structural… ) utilisation des Corps Cétoniques à la place du Glucose (CERVEAU) FOIE: capte les AA circulants (glucagon)   protéique capte NH3  Urée (acidose physiologique) GLN  reins  NH4+ Flux d’AA MUSCLE vers le foie  protéines essentielles (Alb, Coag …) ALA +++ (Néoglucogenèse) vers l’intestin: GLN = carburant  Insuline ( libération des AA musculaires)  Glucagon ( captation hépatique des AA) Protéolyse > Synthèse: bilan < 0

Gln Ala Gln NH4+

Catabolisme Protéique +++ Épargne maximale ++++ V- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE V-2- Régulation nutritionnelle  Jeûne > 4 JOURS (Marasme, semaines voir mois) Catabolisme Protéique +++ Épargne maximale ++++ UREE Turnover des protéines  Préserver les P essentielles (Albumine …) Fonte musculaire Arrêt de la croissance,  Fréquence cardiaque, Tbles thermorégulation   Dépenses énergétiques

Protéines = Substrat Energétique +++ V- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE V-1- Régulation nutritionnelle  Jeûne > MOIS = PHASE TERMINALE Troubles de la synthèse protéique IRREVERSIBLES  [corps cétoniques],  [Acides Gras] Protéines = Substrat Energétique +++  Excrétion UREE +++ Mortalité élevée Complications infectieuses +++ ( immunité) Défaillance cardiaque (anémie) Hypothermie Hypoglycémie Protéolyse >>> Synthèse: bilan <<<< 0

V- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE V-2- Régulation nutritionnelle Dénutrition protéique aux cours des AGRESSIONS (grands brulés, opérés, cancéreux, infectés…) Hypermétabolisme avec hypercatabolisme +++ Au cours d’une agression  besoins énergétiques  besoins protéiques NNé  Adulte Réserves P réduites Besoins P ++++

Protéolyse  >>> Synthèse   bilan < 0 V- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE V-2- Régulation nutritionnelle Dénutrition protéique aux cours des AGRESSIONS (grands brulés, opérés, cancéreux, infectés…) Redistribution des P musculaires vers le foie et tissus cicatriciels Foie:  P inflammatoires (Fibrinogène, CRP, orosomucoïde..)  P nutritionnelles (Albumine, Préalbumine …)  Turnover des protéines (X 2)   UREE +++ Grâce au flux continu des AA disponibles (2%/98% ds les P) Consomme énergie +++ (Néoglucogenèse +++  ALA et GLN du muscle) Protéolyse  >>> Synthèse   bilan < 0 Fonte musculaire +++

 (réponse inflammatoire) JEUNE +++ AGRESSIONS Besoins    Insuline  (Résistance) Corps cétoniques +++ Glycogenolyse, lipolyse Protéolyse Protéines squelettiques = puis  Protéines viscérales  (réponse inflammatoire) Perte de poids graduelle accélérée

V- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE V-2- Régulation HORMONALE Hormones anabolisantes Insuline  protéolyse +++  captation intracellulaire des AA  synthèse protéique ??? (difficile à montrer in vivo chez l’Homme) Hormone de croissance (médiée par l’IGF1)  Synthèse protéique (IGF1 = facteur de croissance)  protéolyse Catécholamines (Adrénaline, Noradrénaline)  Synthèse protéique et  protéolyse (b agonistes pour production de viande de boucherie!!) Stéroïdes sexuels (Testostérone)

V- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE V-2- Régulation HORMONALE Hormones catabolisantes Glucocorticoïdes +++  protéolyse musculaire +++ Inhibition de la traduction Hormones thyroïdiennes ?? euthyroïdie indispensable à la croissance Hyperthyroïdie  fonte musculaire Glucagon effet modeste ( protéolyse) Cytokines Globalement catabolisantes (muscle) et anorexigènes

Relations de la dégradation des protéines avec les grandes voies métaboliques