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

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

2 I- LES PROTEINESI-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

3 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 NH 3 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

4 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)

5 Protéines: Molécules comportant de l’Azote et composées d’une séquence d’acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. -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 I- LES PROTEINES Macromolécules essentielles à la vie 1- Rappels

6 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)

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

8 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) I- LES PROTEINES 1- Rappels

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

10 2- Schéma général du métabolisme protéique (chez un adulte en bonne santé) PROTEINES (  10 kg)  AA LIBRES  (  70 g/j) Protéolyse (  300 g/j) Synthèse protéique (  300 g/j) Biosynthèse des autres produits azotés Apports exogènes (  80 g/j) Synthèse de novo (endogène) Dégradation irréversible (  80 g/j) (UREE, NH 4, CO 2 ) Renouvellement ou « Turnover protéique » I- LES PROTEINES Les AA excédentaires ne sont pas stockés: ils sont dégradés ENTREESSORTIES

11 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 I- LES PROTEINES

12 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 3- Renouvellement des protéines +++ I- LES PROTEINES

13 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 3- Renouvellement des protéines +++ I- LES PROTEINES

14 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 Entrées Sorties Alimentation Protéolyse Synthèse de novo des AA Dégradation des AA (urée, NH 4, CO 2 ) Synthèse des protéines Synthèse des autres produits azotés

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

16 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 g45g/j 110 g/j    4-6 mois Dépendent de l’apport  par les autres nutriments de l’âge de l’activité physique

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

18 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

19 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.1.2 aspects qualitatifs les a.a. essentiels et non essentiels

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

21 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

22 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 Transport actif +/- lié au Na+ Na + Systèmes de transport des AA requièrent l’activité des pompes Na/K 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

23 III- Variations physiologiques et pathologiques des ENTREES III-1 Alimentation = Apport des AA exogènes III-1-3 Digestion et absorption des protéines (suite) -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. -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)

24 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

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27 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 +++ -« 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 -Difficultés d’étude car la protéolyse a de multiples fonctions

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

29 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 +++  P extracellulaires Endocytose - protéases actives en milieu acide = Cathepsines Dans des vésicules lysosomales  endocytose des P à dégrader  P intracellulaires à ½ vie longue  Membranes cellulaires, organites Autophagie

30 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+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

31 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 [Ca 2+ ] (pH 7)  Dégradation des Protéines du cytosquelette portant les séquences PEST Pro-Glu-Ser-Thr

32 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 20S: Protéolytique (14 su  ) -Complexe 19S: Régulateur (> 18 su , dont ATPasiques ) Founit l’     assemblage 20S + 19S  protéolyse P marquées par l’Ubiquitine

33 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   Ds les états cataboliques Majorité de la protéolyse au niveau musculaire +++

34 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) 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  ATP P poly-ubiquitinée  protéasome  dégradée

35 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)

36 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

37 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

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

39 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

40 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

41 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  cétoglutarique (  CG)  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

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

43 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

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49 IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA = catabolisme oxydatif des AA AA Squelette des atomes de carbone GlucoseAcétyl-CoACorps cétoniques Urée Mécanisme spécifique de l’AA Perte du groupe carbonéPerte du groupe aminé Mécanisme général

50 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

51 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  Cétoglutarate NH 4+ NAD(P) NAD(P)H Glutamate deshydrogénase FOIE et REIN

52 IV- Variations physiologiques et pathologiques des SORTIES IV-3 Dégradation irréversible des AA IV-3-1 Perte du groupement aminea-Désaminations oxydatives (suite) Quantitativement très importante, reversible  Désamination oxydative Glu   CG + NH 4+ Glutamate deshydrogénaseEnzyme allostérique Régulée +++ ATP & GTP: inhibiteurs allostériques ADP & GDP: activateurs allostériques Déficit énergétique cellulaire  active le catabolisme des AA

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

54 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 + NH 4+ Thréonine   cétobutyrate +NH 4+ Déshydratases (déshydratation puis désamination) c-Transaminations (cf III-3)

55  cétoacide  CG GLU NH 4+ NAD(P) NAD(P)H ASP ALA 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  CG  Glu qui subit une désamination oxydative  NH 4+  UREE Couplage  régénération de  CG +++

56 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    2-Dans le Foie:GLN  GLU + NH 4+  UREE +++ 3-Dans les Reins: élimination sous forme NH 4+  20% de l’Azote urinaire total 1-Tissus périphériques exportent l’Azote vers le FOIE  sous forme de GLN (GLU + NH 4+ ), Glutamine synthétase  sous forme de ALA dans le muscle +++ (Cycle de l’ALA)

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

58 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 (NH 3 ) Catabolisme des AA  Transaminations + Désamination Oxydative Glu  Désaminations non oxydatives Désaminations des Bases PUR-PYR Désaminations des Monoamines (sérotonine, histamine, dopamine, adrénaline) Désamination du carbamyl phosphate Origine ENDOgèneOrigine EXOgène Désaminations dans l’intestin AA ingérés/rétrodiffusés Urée rétrodiffusée Désaminases/uréases bactériennes NH 3  4/5 absorbés Veine Porte  FOIE 1/5  fèces (NH 4+ ) Désamination GLN: glutaminase

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60 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 Utilisée pour la synthèse de nombreux composés +++ - Substrat pour  bases PUR & PYR - Précurseur de Pro, Orn, Arg GLNTransporteur d’Azote entre les tissus  Foie: Glutaminase  Uréogenèse  Reins: Glutaminase  Ammoniogenèse AA le plus abondant dans le plasma

61 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 + NH 3 +  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

62 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 (P A ) P A P B uridylyl transférase régulée Cascade enzymatique ? - Amplification des signaux - Régulation très fine du flux d’azote dans la cellule

63 TRAFIC de la GLUTAMINE Glutamine GLN synthétase TISSUS PERIPHERIQUES Urines UréogenèseAmmoniogenèse UréeNH 4 + FOIEREINS Glutaminase

64 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 NH 4+ MuscleFoie 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 PYR Foie, capte ALA  PYR (transamination) PYR  Glucose groupe aminé  Urée 2- Transporté sous forme de GLN

65 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 +++ GLN est converti en GLUGlutaminase Exclusivement dans le FOIE +++ GLN  GLU + NH 3 Urée contient 2 N/molécule 1 er  NH 3 2 ème  ASP Urée: neutre, soluble +++, non toxique, pas de fonction métabolique Voie préférentielle d’élimination de l’azote en excès Cycle de l’URÉE Hépatocytes périportaux

66 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

67 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 KREBS mitochondrie HEPATOCYTE périportal CPSI (Carbamyl P Synthetase I) 2 ATP + HCO 3 - + NH 3 Carbamyl–P + 2 ADP + Pi 1 er N Arginine Fumarate ASL (Argininosuccinate lyase) ASP 2 ème N Argininosuccinate ATP AMP + PPi ASS (Argininosuccinate synthetase) Arginase H2OH2O Urée C  NH 2 O OrnithineCitrulline Pi OTC (Ornithine transcarbamylase)

68 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  Transporteurs: -transporteur Citrulline/Ornithine -translocase Glu-Asp Bilan: HCO 3 - + NH 4+ + 3 ATP UREE + 2ADP + 2Pi + + ASP + 2 H2O AMP + PPi + Fumarate Apport alimentaire en ARG +++ La quantité synthétisée par l’Homme est insuffisante pour la  des Protéines et pour servir à la production d’Urée 2 réactions ont lieu dans la mitochondrie 3 dans le cytosol + 1 ATP

69 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 Malate OA Cycle de Krebs Fumarate Malate OA Fumarate ARG Arginino succinate Citrulline ASP mitochondrie  AminoA GLU  CétoA,  CG Transamination / GDHase Régénère l’ASP CR  NADH 2

70 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]: NH 3 et HCO 3 - -Disponibilité en ATP +++ -[N acétyl GLU] intramitochondrial : Régulation allostérique CPSI 2 ATP + HCO 3 - + NH 3 Carbamyl–P + 2 ADP + Pi + PYR (état NOURRI) PDH AG (Jeûne) GLN  Glutaminase Si dégradation des P    GLU   NAG   urée GLUAcétyl CoA NAG N acétylGlu synthase

71 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) -Disponibilité en Ornithine ARG  Protéines Alimentaires Intestin (État nourri) Arginase Glu  GLN Intestin (Jeûne) P5CS

72 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 PYR PYR carboxylase AcétylCoA + ASP Arginino- succinate ASS OA  CG GLU ASP ASAT GLU CIT ORN CIT ORN mitochondrie

73 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 +++

74 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/NADH 2 Cycle de l’URÉE Cycle de Krebs Fumarate Malate OA ARG Arginino succinate Citrulline ASP mitochondrie  AminoA GLU  CétoA,  CG Régénère l’ASP Malate OA Fumarate NADH 2  NAD + Disponibilité en NAD+  Activité de la chaîne respiratoire +++  Intoxication alcoolique Alcool DHase à NAD+ Le NAD+ est consommé prioritairement pour la détoxification alcoolique   Uréogenèse

75 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 + H 2 O  GLU + NH 3 H+H+ NH 4 + Urée 20% de l’azote urinaire En conditions cataboliques Jeûne Acidose Insuffisance hépatique  glutaminase

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

77 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) -Acidose  défaut d’élimination urinaire (NH 4 + ) -Anomalies héréditaires du métabolisme: -Acidurie Organique (+ acidose métabolique) -Déficit  oxydation des AG -Déficit Chaîne Respiratoire -Prématurité: immaturité hépatique & défaut de perfusion

78 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 Ar 1/ 62000 1/ 14000 1/ 57000 1/ 70000 1/ 363000

79 CPSI 2 ATP + HCO 3 - + NH 3 Carbamyl–P + 2 ADP + Pi Arginine Fumarate ASP Argininosuccinate ATP AMP + PPi ASS Arginase H2OH2O Urée Ornithine Citrulline Pi OTC         ASL           

80 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

81 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

82 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 + NH 3 ) -Chromatographie des AA plasmatiques et urinaires -Chromatographie des Ac organiques urinaires -Acide Orotique Urinaire (Carbamyl P  Ac orotique  Urines) -Tests de Charge -Biologie Moléculaire -Dosages enzymatiques sur biopsies de foie CPS, OTC: muqueuse intestinale ASL, ASS: fibroblastes Arginase: érythrocytes -Alcalose respiratoire

83 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)

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86 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

87 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

88 Seulement cétogènes

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

91 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

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95 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 V- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE

96 TRAFIC de la GLUTAMINE Glutamine GLN synthétase TISSUS PERIPHERIQUES Urines UréogenèseAmmoniogenèse UréeNH 4 + FOIEREINS Glutaminase

97 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- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE V-1 Echanges interorganes de la glutamine

98 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- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE V-1 Echanges interorganes de la glutamine

99 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-1 Echanges interorganes de la glutamine

100 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) 20% AA ramifiés ++  MUSCLE Protéolyse 0  UREE  substrats HCO 3 - et NH 3  N acétyl Glu  + CPSI + enzymes Insuline    captation AA  Protéolyse  Synthèse protéique +++ (+  apport énergétique)  Protéolyse

101 80% AA métabolisés 20% AA protéines Gln Ala UREE AA Organes Synthèse P +++

102 V- REGULATION DU METABOLISME PROTEIQUE V-2- Régulation nutritionnelle En état post-absorptif (12-18h après repas)  Jeûne court Protéolyse > Synthèse : bilan < 0  Insuline (  libération des AA musculaires)  Glucagon (  captation hépatique des AA) 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 NH 3  Urée (acidose physiologique) GLN  reins  NH 4 + Flux d’AA MUSCLE vers le foie  protéines essentielles (Alb, Coag …) ALA +++ (Néoglucogenèse) vers l’intestin: GLN = carburant

103 Gln Ala NH 4 +

104 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

105 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 élevéeComplications infectieuses +++ (  immunité) Défaillance cardiaque (anémie) Hypothermie Hypoglycémie Protéolyse >>> Synthèse : bilan <<<< 0

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

107 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 +++ Consomme énergie +++ (Néoglucogenèse +++  ALA et GLN du muscle) Protéolyse  >>> Synthèse   bilan < 0 Fonte musculaire +++ Grâce au flux continu des AA disponibles (2%/ 98% ds les P )

108 JEUNE +++AGRESSIONS Besoins   Insuline   (Résistance) Corps cétoniques +++ 0 Glycogenolyse, lipolyse  Protéolyse  Protéines squelettiques = puis   Protéines viscérales= puis  (réponse inflammatoire) Perte de poidsgraduelleaccélérée

109 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 (  agonistes pour production de viande de boucherie!!) Stéroïdes sexuels (Testostérone)

110 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 Glucagoneffet modeste (  protéolyse) CytokinesGlobalement catabolisantes (muscle) et anorexigènes

111 Relations de la dégradation des protéines avec les grandes voies métaboliques