Métabolisme des protéines, régulation, pathologie et exploration 2éme Année Médecine Biochimie Université de Bejaia

I/ Généralités II/ Dégradation irréversible des acides aminés 1/ Transamination 2/ Désamination oxydative 3/ Devenir de l’ammoniac 4/ Uréogenèse (cycle de l’ornithine) 5/ Devenir du groupement carboxylique 6/ Catabolisme du radical carbone des acides aminés III/ Biosynthèse des acides aminés IV/ Régulation du métabolisme des protéines A/ Régulation hormonale B/ Régulation nutritionnelle V/ Pathologies et exploration du métabolisme des protéines

Schéma général du métabolisme protéique chez l’homme I/ Généralités: une protéine est une molécules comportant de l’azote et composée d’une séquence d’acides aminés (20) reliés par des liaisons peptidiques. La séquence détermine la structure primaire de la protéine, la configuration de la chaine peptidique dans l’espace détermine les structures secondaires et tertiaires, l’association de plusieurs chaines peptidiques détermine la structure quaternaire. Par convention, une protéine comportant moins de 50 acides aminés est appelé peptide. La taille d’une protéine est extrêmement variable de quelques centaines à plusieurs millions de kilo-daltons. De même, les protéines ont de très nombreuses fonctions: protéines de structure (collagène), protéines contractiles (myosine) protéines de transport (albumine) protéines immunitaires (immunoglobulines) protéines enzymatiques hormones, récepteurs, etc. Malgré ces structures et fonctions très variables, toutes les protéines ont en commun une propriété, leur renouvellement permanent. La masse protéique dans l’organisme est d’environ 10 kg et se concentre essentiellement dans les muscles. Ces protéines proviennent soit d’un apport exogène (alimentation) ou bien endogène (synthèse protéique). Ces protéines vont être dégradées (protéolyse) en acides aminés libres en une forme assimilable par le corps, ces derniers (a.a.) vont servir pour synthétiser de nouveau d’autres protéines nécessaires ou bien ils vont êtres dégrader d’une manière irréversible (catabolisme oxydative) en urée (excrété du corps sous forme d’urine) ou bien en acides cétoniques qui vont servir pour la synthèse d’autres composés : glucose (néoglucogenèse), corps cétoniques, lipides …. Schéma général du métabolisme protéique chez l’homme

LA PROTÉOLYSE (OU CATABOLISME PROTÉIQUE) Principale source d’acides aminés pour l’organisme (75 % contre 25 % pour les apports) Les protéines sont dégradées par des enzymes protéolytiques, les protéases (ou hydrolases) reparties en trois systèmes principaux : ⇒ Le système lysosomal Les enzymes concernées sont des protéases actives en milieu acide, les cathepsines A l’intérieur de la vésicule, les cathepsines vont dégrader la protéine substrat en peptides et en acides amines qui seront libérés dans le cytosol. ⇒ Le système calpaïne-capastatine protéases cytosoliques dont l’activité est étroitement fonction de la concentration intracellulaire en calcium. 1/ Le type de cathepsine et de facon generale l’importance de la proteolyse lysosomale varie selon l’organe considere : ce mode de degradation est particulierement important dans les organes a renouvellement proteique rapide (foie). Il necessite de l’energie sous forme d’ATP pour maintenir le pH acide a l’interieur des lysosomes. 3/ L’ubiquitine est un petit peptide de 76 amines dont la sequence est extremement conservee chez les eucaryotes. Il se fixe sur les proteines a degrader (par liaison covalente au niveau des residus lysine de la proteine). Une fois la proteine poly-ubiquitinee, elle est reconnue par le protéasome qui la degrade en acides amines et en peptides courts relachant l’ubiquitine qui peut alors etre reutilisee. L’ensemble de la reaction necessite plusieurs enzymes, proteines porteuses et co-facteurs. Surtout, la reaction consomme de l’ATP a deux niveaux, d’une part au moment de l’ubiquitination, d’autre part au moment de l’intervention du proteasome. Cette voie ATP dependante represente probablement la majorité de la proteolyse au niveau musculaire. Elle est finement régulée par les circonstances nutritionnelles et hormonales. Dégradation des protéines du cytosquelette. ⇒ Le protéasome (système ATP dépendant) Dégradation des protéines intracellulaires normales Un marquage préalable de la protéine à dégrader par l’ubiquitine est nécessaire.

II/ Dégradation irréversible des acides aminés (Catabolisme oxydatif des Acides Aminés)

AA - NH2 + alpha-cetoglutarate → cetoacide + glutamate 1/ Transamination Transfert réversible du groupement alpha-amine sur l’alpha-cetoglutarate, produisant l’acide alpha-cetonique (cetoacide) AA - NH2 + alpha-cetoglutarate → cetoacide + glutamate L’etape initiale de l’oxydation de la plupart des acides amines est le transfert réversible du groupement alpha-amine sur l’alpha-cetoglutarate, produisant l’acide alpha-cetonique (cetoacide) correspondant selon la réaction indiquée ci-dessous. AA - NH2 + alpha-cetoglutarate → cetoacide + glutamate Le groupe amine maintenant porte par le glutamate sera ultérieurement redistribue vers d’autres acides amines (ion ammonium libre par désamination oxydative > glutamate déshydrogénase).

• Il existe toute une sous-classe d'enzymes qui catalysent le transfert de la fonction amine entre les acides amines et les acides -cetoniques : les transaminases.

Exemple de transaminase : aspartate aminotransférase (ASAT) L’ASAT catalyse le transfert de la fonction amine de l’aspartate vers l’α-cétoglutarate qu’elle transforme en glutamate, tandis que l’aspartate donne un oxaloacétate. • Dans un premier temps, l’ASAT se lie à l’aspartate puis transfère la fonction amine sur un coenzyme lié : le phosphate de pyridoxal qui devient phosphate de pyridoxamine sans cesser d’être lié à l’enzyme. L’enzyme se dissocie alors de l’oxaloacétate. • Dans le second temps, l’enzyme liée au phosphate de pyridoxamine, forme un complexe avec l’α-cétoglutarate, puis transfère la fonction amine du coenzyme qui redevient phosphate de pyridoxal, vers le second substrat qui est transformé en glutamate. Enfin, le complexe ASATglutamate se dissocie : l’enzyme et son coenzyme lié ont recouvré leurs structures initiales. • L’alanine aminotransférase est un autre exemple de transaminase. phosphate de pyridoxal (PPal) + NH3+ > phosphate de pyridoxamine (PPine)

Exemple de transaminase : alanine aminotransférase (ALAT) L’ALAT catalyse le transfert de la fonction amine de l’alanine vers l’α-cétoglutarate qu’elle transforme en glutamate, tandis que l’alanine donne un pyruvate. • Dans un premier temps, l’ALAT se lie à l’alanine puis transfère la fonction amine sur un coenzyme lié : le phosphate de pyridoxal qui devient phosphate de pyridoxamine sans cesser d’être lié à l’enzyme. L’enzyme se dissocie alors du pyruvate. • Dans le second temps, l’enzyme liée au phosphate de pyridoxamine, forme un complexe avec l’α-cétoglutarate, puis transfère la fonction amine du coenzyme qui redevient phosphate de pyridoxal, vers le second substrat qui est transformé en glutamate. Enfin, le complexe ALATglutamate se dissocie : l’enzyme et son coenzyme lié ont recouvré leurs structures initiales. phosphate de pyridoxal (PPal) + NH3+ > phosphate de pyridoxamine (PPine)

2/ Désamination Oxydative Redistribution du groupement amine porté par le glutamate vers d’autres acides amines (ion ammonium libre par désamination oxydative) .

2-1/ Glutamate déshydrogénase (GDH) La glutamate déshydrogénase (GDH) est une enzyme des mitochondries qui désamine l’acide glutamique en acide α-cétoglutarique (α-KG). • La GDH est formée de quatre ensembles de 6 protomères identiques ayant chacun 505 acides aminés. Le poids moléculaire de chacune des 24 sous-unités est de 55900. • 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. • 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.

2-2/ Oxydases des acides aminés Flavoprotéines de l’intestin, du foie, des reins et de nombreux autres organes qui catalysent la désamination oxydative des amines aromatiques (toxiques). Les monoamine oxydases (MAO-A et MAO-B) sont des flavoprotéines de l’intestin, du foie, des reins et de nombreux autres organes qui catalysent la désamination oxydative des amines aromatiques contenues dans les aliments ou les produits de la digestion. Elles évitent la pénétration de ces amines vasoconstrictives ou toxiques dans l’organisme comme la tyramine. • Les monoamine oxydases sont aussi présentes dans le système nerveux central, qui participent au catabolisme des amines endogènes (noradrénaline). • L’eau oxygénée produite au cours de cette réaction est détruite par la catalase ou une peroxydase. Catabolisme des amines endogènes (Noradrénaline: Système nerveux central)

3/ Devenir de l’ammoniac Les ions ammonium produits par le catabolisme des acides aminés dans toutes les cellules sont fixés par transamination sur l’a-cétoglutarate, puis par la glutamine synthétase. La glutamine ainsi produite porte donc deux atomes d’Azote. Elle diffuse dans la circulation d’où elle est captée par les reins ou par le foie. • Dans les muscles, l’Azote des acides aminés provenant du catabolisme des protéines lors du jeûne prolongé, est fixé sur le pyruvate produit par la glycolyse cytoplasmique et excrété sous forme d’alanine. L’alanine est ensuite captée par le foie qui récupère le pyruvate pour la gluconéogénèse. • Dans les reins, la glutaminase libère des ions ammonium qui sont excrétés dans l’urine comme les autres cations. Le glutamate restant, repart dans la circulation pour être recapté par le foie. • Dans le foie, la glutaminase, puis la glutamate déshydrogénase reprennent les deux atomes d’Azote portés par la glutamine pour les incorporer dans l’arginine. L’arginine est enfin hydrolysée pour libérer l’urée. • L’urée est sécrétée à nouveau dans le sang pour être excrétée par les reins dans l’urine. • Le foie peut encore éliminer ces Azotes par l’uricogénèse, mais chez l’Homme cette voie reste tout à fait accessoire pour l’élimination de l’Azote. Le rôle de l’uricogénèse est avant tout structural pour la synthèse des bases puriques des acides nucléiques.

4/ Uréogenèse (cycle de l’ornithine) L’uréogenèse est l’ensemble des réactions enzymatiques catalysées par les enzymes qui fixent l’Azote sous forme d’urée. La voie est exclusivement hépatocytaire (foie) car les hépatocytes sont les seules cellules à exprimer le gène de l’ornithine-carbamyl transférase, enzyme de l’uréogenèse. • Les atomes d’Azote utilisés par les hépatocytes proviennent de toutes les cellules de l’organisme sous forme de : L’uréogénèse est l’ensemble des réactions enzymatiques catalysées par les enzymes qui fixent l’Azote sous forme d’urée. La voie est exclusivement hépatocytaire (foie) car les hépatocytes sont les seules cellules à exprimer le gène de l’ornithine-carbamyl transférase, enzyme de l’uréogénèse. • Les atomes d’Azote utilisés par les hépatocytes proviennent de toutes les cellules de l’organisme sous forme de : — glutamine, qui transporte l’ammoniac sous une forme très peu toxique — ions ammonium, en très petites quantités, provenant surtout des désaminations intestinales. Le Carbone de l’urée provient des bicarbonates. • L’uréogénèse utilise la malate déshydrogénase cytoplasmique dans le sens de l’oxydation du malate en oxaloacétate, réaction commune à l’uréogénèse, à la néoglucogénèse et à la sortie du malate hors des mitochondries. — glutamine, qui transporte l’ammoniac sous une forme très peu toxique — ions ammonium, en très petites quantités, provenant surtout des désaminations intestinales.

Schéma de l’uréogénèse L’uréogénèse est une voie métabolique exclusivement hépatique, dont les enzymes se répartissent entre la matrice mitochondriale, le cytoplasme et les membranes du reticulum endoplasmique. • La glutamine transporte l’Azote jusqu’aux mitochondries du foie. • Un premier atome d’Azote est incorporé par le carbamyl-phosphate dans la citrulline. Le deuxième atome d’Azote sort des mitochondries sous forme de glutamate pour être transaminé. L’aspartate ainsi obtenu est condensé avec la citrulline pour achever la synthèse de l’arginine. • L’hydrolyse de l’arginine sur les membranes du reticulum permet de libérer l’urée directement dans les citernes d’où elle diffuse vers la veine sus-hépatique. • L’α-cétoglutarate entre dans les mitochondries pour participer à la gluconéogénèse. Il peut aussi être aminé par la glutamate déshydrogénase et sortir à nouveau pour former de l’aspartate. • La citrine (transporteur membranaire de glutamate) échange le glutamate contre un aspartate qui après transamination entrera aussi dans la gluconéogénèse. La citrine participe aussi à la navette malate/aspartate (voir RM 58)

B/ Uréogénèse (bilan) Ecrivons successivement les réactions catalysées par toutes les enzymes de la voie métabolique, en partant de la glutamine, qui apporte au foie l’azote provenant des acides aminés de toutes les cellules, jusqu’à l’urée, sécrétée par le foie dans la circulation pour être éliminée par les reins. Les trois premières réactions se font dans la mitochondrie, le reste dans le cytoplasme. • 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.

Décarboxylation des acides aminés

Destinée des ⇒ radicaux carbonés des acides aminés Schématiquement, le radical carbone (cétoacide) peut avoir deux destinées : ● il peut être réanimé soit en un acide aminé identique, soit en un autre acide aminé après modification conduisant alors a la synthèse d’acides amines non essentiels, ● il peut être irréversiblement détruit et fournir de l’énergie directement ou indirectement, ses carbones étant incorporés dans d’autres substrats énergétiques, glucose ou corps cétoniques. Tous les acides aminés sont néoglucogéniques

Le catabolisme du radical carbone des acides aminés Alpha-cétoglutarate, Oxaloacétate, Fumarate, AcétoacétylCoA, SuccinylCoA, Pyruvate et l’AcétylCoA 20 squelettes carbonés Métabolisme intermédiaire pour la production de l’énergie; Synthèse des glucides et/ou lipides Isoleucine, Lysine, Phénylalanin Tryptophane Tyrosine Acides aminés glucoformateurs: 14 autres acides aminés (Purs) Acides aminés cétoformateurs: Leucine (pur)

Gluconéogenèse à partir des acides aminés ALAT ASAT D. Oxy. GDH M. Dh. Le catabolisme des acides aminés conduit à des produits finaux différents suivant les circonstances physiologiques, glucose ou corps cétoniques à jeûne, triglycérides de réserve en période de stockage, gaz carbonique et énergie durant l’effort. Les voies de gluconéogenèse, cétogenèse et lipogenèse à partir des acides aminés forment des schémas généraux du catabolisme de ces substrats. La plupart des substrats de la gluconéogénèse pénètrent dans les mitochondries, soit directement soit sous forme d’acide α-cétoniques. • Les nombreuses transaminases ou désaminases donnent des produits qui convergent par plusieurs voies mitochondriales vers le malate : — le produit de l’ALAT (Ala → pyruvate), grâce à la pyruvate carboxylase rejoint l’oxaloacétate, produit de l’ASAT (Asp → oxaloacétate) puis le malate, grâce à la malate déshydrogénase fonctionnant dans le sens opposé à celui qu’elle a dans le cycle de KREBS — l’α-cétoglutarate issu de nombreux catabolismes d’acides aminés (exemple : glutamate grâce à la glutamate déhydrogénase), est décarboxylé et oxydé pour rejoindre le malate par les mêmes enzymes que celles du cycle de KREBS, fonctionnant dans le même sens — plusieurs acides aminés (exemple : valine) conduisent au propionyl-CoA, qui grâce à la propionyl-CoA carboxylase et à la méthylmalonyl-CoA mutase, aboutit au succinyl- CoA puis à nouveau au malate. • La gluconéogénèse à partir des acides aminés produit des ions ammonium qui contribuent à perturber l’équilibre des cations de la cellules. La détoxification cellulaire nécessite que ces ions soient transportés puis éliminés sous forme de composés chimiques neutres et atoxiques.

Lipogenèse à partir des acides aminés Trans. D. Oxy. GDH ASAT ALAT Lorsque de nombreux acides aminés proviennent de la digestion (repas hyperprotidique) et que les hépatocytes sont soumis à l’effet de l’insuline, les acides aminés peuvent participer à la lipogénèse. • Les acides aminés cétogènes, précurseurs de l’acétyl-CoA entrent directement dans la synthèse des acides gras. • Les acides aminés glucoformateurs, produisent du malate qui est alors un substrat des enzymes maliques, ce qui conduit au pyruvate, lui-même précurseur de l’acétyl-CoA qui ressort de la mitochondrie pour former des acides gras.

Cétogenèse à partir des acides aminés Dans le foie, à jeûne, le cycle de KREBS est arrêté parce que les substrats qu’il utilise (en particulier l’oxaloacétate) sont consommés par une voie métabolique différente, la gluconéogénèse. De ce fait l’acétyl-CoA, issu de la β-oxydation, ne peut pas être transformé en citrate comme dans la lipolyse des autres cellules. • Cet acétyl-CoA est alors le substrat de la cétogénèse, qui le transforme en acétoacétate, β-hydroxybutyrate ou acétone. Ces trois produits sont sécrétés dans le plasma (corps cétoniques), puis excrétés par les reins (acides) ou par les poumons (acétone). Ils peuvent aussi servir de substrats énergétiques pour d’autres organes dont le cycle de KREBS est actif (cerveau, coeur). • Les acides aminés dont le catabolisme aboutit à l’acétyl-CoA, à l’HMG-CoA ou à l’acétoacétate ne peuvent pas entrer dans la voie de la gluconéogénèse car ils seraient oxydés avant de parvenir au malate. Ils suivent donc nécessairement le sort des acétyl-CoA produits par la β- oxydation : transformés en corps cétoniques, ils sont sécrétés dans le sang.

Biosynthèse des acides aminés Leucine, Thréonine, Lysine, Tryptophane, Phénylalanine, Valine, Méthionine et Isoleucine Synthétisés à partir d’acides aminés essentiels: Phénylalanine > Tyrosine Méthionine > Cystéine Synthétisés à partir d’acides aminés non essentiels

La régulation du métabolisme des protides 1/ Régulation hormonale Les hormones peuvent être anabolisantes (favorisant le gain protéique) ou catabolisantes a/ Insuline Hormone anabolisante indispensable au gain protéique et à la croissance > Au niveau cellulaire et moléculaire: l’insuline augmente la synthèse protéique en stimulant la transcription et la traduction Régulation hormonale et nutritionnelle Les deux modes de régulation sont simultanés et agissent en synergie lors de la prise alimentaire > Au niveau tissulaire: l’insuline stimule la synthèse protéique musculaire (jeune en croissance)

b/ Hormone de croissance Anabolisante : effet stimulant de la synthèse protéique (facteurs de croissance IGF1) c/ Les catécholamines Anabolisantes: réduction de la protéolyse et augmentation de la synthèse protéique) d/ Les glucocorticoïdes Catabolisants: augmentation de la protéolyse musculaire et inhibition de la traduction des protéines (traitements glucocorticoides au long terme) b/ Augmentation de la masse musculaire (milieux sportifs illégale) e/ hyperthyroidie induit une fonte musculaire suggerant une augmentation de la proteolyse et reduction de la synthése proteique…. Ces hormones sont indisponsable à la croissance !!! e/ Les hormones thyroïdiennes et le glucagon Anabolisantes / Catabolisantes: Niveau optimal moyen d’hormones thyroïdiennes est nécessaire à un bon équilibre entre synthèse et dégradation Glucagon: effet catabolisant prédominant

2/ Régulation nutritionnelle f/ Les cytokines (TNF, Interleukines) Catabolisantes: au niveau du muscle TNF agissent en synergie avec le cortisol et la combinaison de leurs effets provoque une protéolyse rapide et massive à l’origine d’une fonte protéique et musculaire 2/ Régulation nutritionnelle a/ Régulation par les substrats a) les acides amines : que ce soit in vitro ou in vivo, les acides amines stimulent globalement la synthèse protéique. b) La source des apports energetiques n’est pas indifferente et classiquement, les glucides auraient un effet d’epargne azotee superieur a celui des lipides au moins dans des circonstances d’apport energetique limite. Cette notion est tres discutee voire erronee pour certains et de toute facon, n’est plus vrai lorsque les apports energetiques sont excedentaires. b) les autres substrats énergétiques : de façon générale, un apport énergétique suffisant est indispensable au maintien d’un bilan azoté neutre ou positif.

b/ Régulation du métabolisme protéique au cours de différents états nutritionnels a) À l’état post-absorptif: la synthèse, la protéolyse et l’oxydation sont a leur niveau basal, la protéolyse étant légèrement supérieure a la synthèse et l’organisme étant donc en bilan négatif. b) Lors d’un repas (état nourri) : par des mécanismes lies a la fois a l’apport en substrats et a l’hyperinsulinisme, l’organisme est alors en bilan positif. d) Au cours du jeûne long: l’excrétion azotée va diminuer pour se stabiliser aux environs de 50 mg/kg/jour, ce qui constitue les pertes azotées obligatoires. La protéolyse reste bien sur supérieure a la synthèse (d’ou le bilan négatif)