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UE1 – Coenzymes et vitamines

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Coenzymes et vitamines I.

Généralités

Coenzymes et vitamines : Ensemble de composés qui sont des cofacteurs indispensables à certaines fonction d’enzymes ou de protéines spécialisées. Ce sont en général des micronutriments organiques ( apportés par l’alimentation) nécessaires et indispensables a diverses fonctions cellulaires importantes. Rôle dans les métabolismes, dans l’oxydo-réduction ( = métabolisme énergétique). Ces molécules vont aussi intervenir dans la vision, dans la coagulation, dans la différenciation cellulaire ou cela peut être des anti-oxydants. Deux groupes principaux en fonction de leur solubilité dans l‘eau : hydro ou lipo solubles. Des anomalies de leur métabolisme conduit à des pathologies rares associées : hypo ou hypervitaminoses ( qui peut être toxiques uniquement pour les coenzymes liposolubles). Dans l’enzyme, on distingue la partie protéique appelée Apoenzyme et le coenzyme qui est la partie ajoutée. L’ensemble apoenzyme + coenzyme forme l’holoenzyme.

Coenzymes vitaminique hydrosolubles

Transporteurs de groupements carbonés ou aminés : B1, B5, B6, B8, B9, B12

Coenzymes synthétisés par l’organisme

Vitamines liposolubles

Coenzyme Q, acide lipoïque, bioptérines…

A, D, E, K

Transporteurs d’électrons (B2 et coenzymes flaviniques, B3) Apoenzyme : E Holoenzyme : complexe E-CoE Vitamines : micronutriments organiques indispensables à la vie non ou insuffisamment synthétisées

A. Vitamines Micronutriments organiques indispensables à la vie non ou insuffisamment synthétisées par l’organisme. Un apport alimentaire ou exogène est donc indispensable. Ce caractère varie d’une espèce à l’autre selon que l’espèce est en capacité de synthétiser ou non une vitamine. Pour l’homme, qui se situe à la fi de la chaîne alimentaire nécessite beaucoup d’apports exogènes. Vitamine : « amine bénéfique à la vie ». C’est une définition historique car un certain nombre de ces composés ne possède pas de fonction amine. Propriétés générales : micronutriments de nature organique donc non protéiques indispensables et sont non synthétisées en général ou insuffisamment par l’organisme. On les retrouve par l’alimentation soit de manière obligatoire soit il y a une synthèse endogène par les bactéries de la flore intestinale. Il peut donc y avoir un déséquilibre lors de la prise d’antibiotiques. Vitamines indispensables chez l’homme ne le seront pas chez d’autres mammifères (on ne les appellera pas vitamines alors). Chez l’homme : vitamines = composé d’apport alimentaire ou synthétisé par les bactéries intestinales. La notion de vitamine est espèce dépendante pour une même molécule donnée. Ces molécules sont utiles en petite quantité (concentration faible dans le sang)

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Principe de la chaine alimentaire : l’homme est le dernier dans la chaine il récupère les vitamines que les végétaux ou viandes lui apportent. Beaucoup de vitamines ne sont plus synthétisées par l’organisme car il a pris l’habitude de les avoir par l’alimentation. Les vitamines sont utiles en petites quantités pour assurer leur fonction biochimique de coenzyme. On les retrouve en concentration très faible dans le sang. On les dose : on utilise plasma ou sérum. L’eau est un élément majoritaire dans l’organisme et n’est pas considéré comme un coenzyme.

1. Vitamines hydrosolubles Vitamines C, vitamines B (1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 12) hydrosolubles donc faible stockage dans l ’organisme. Propriétés : du fait de leur hydrosolubilité elles sont peu stockées dans l’organisme et nécessitent un apport régulier pour le bon fonctionnement de l’organisme. Elles vont facilement dans les urines en cas d’excès donc il n’y a pas de toxicité en cas de surdosage.

2. Vitamines liposolubles A D, E et K se stockent dans les zones riches en lipides les membranes, le cerveau. On peut avoir un stockage en excès ce qui provoque une hypervitaminose A ou K. Cette hypervitaminose entraine une certaine toxicité. Pour les vitamines A et D on parle de pro-hormones car elles doivent être activées par l’organisme. A et D ne sont pas impliquées dans la structure de coenzymes, ce ne sont donc pas des coenzymes. En revanche, les vitamines E et K sont des coenzymes. Les vitamines liposolubles sont Apolaires. Certaines vitamines donnent des coenzymes, certains coenzymes sont vitaminiques et d’autres pas.

B. Coenzymes 1. Définitions cofacteur / coenzyme Cofacteurs nécessaires au fonctionnement de nombreuses enzymes

a. De nature non organique Plus de 25 % de toutes les enzymes nécessitent la présence d’un cofacteur métallique. On a principalement des cations divalents Mg2+, Ca2+, Mn2+, Fe2+, Zn2+, Cu2+. Ces cations peuvent exister sous forme oxydée ou réduite (ils peuvent donc être intéressant dans les réactions d’oxydo-réduction). Ce sont des oligoélements fortement liés à la protéine. La liaison n’est pas forcément covalente. Si la liaison et covalente et quand on purifie la protéine on retrouve le cofacteur. Pas liés de manière covalente a l’enzyme mais purifiés en même temps que l’enzyme.

b. De nature organique Ce sont des coenzymes de petite taille, de structure souvent cyclique. On distingue deux sous-groupes : - Groupements prosthétiques : l’enzyme est liée par covalence à l’enzyme - Cosubstrats ou coenzymes libres qui vont se lier à la protéine grâce à des liaisons faible au moment de la réaction. Cette liaison n’existe donc qu’uniquement lors de la réaction biochimique.

i.

Propriétés des coenzymes organiques

Liés plus ou moins fortement à l’apoenzyme, le coenzyme fait partie intégrante du mécanisme catalytique (= réaction enzymatique) Le groupement prosthétique est fortement lié au site actif de l’enzyme par des liaisons covalentes (comme un pont peptidique). Une fois que la réaction est finie il doit être régénéré localement à la fin de la réaction. Il peut être : - Régénéré directement à la fin de la réaction - Régénéré à la fin de deux réactions couplées au sein d’un même complexe enzymatique E1- E2. ( par exemple , sur le schéma, le Coenzyme est soit régénéré directement, soit régénéré grâce à l’enzyme E3.)

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Le Cosubstrat ou coenzyme libre se fixe réversiblement au site actif par des liaisons faibles (liaisons H ou ioniques par ex), permet la réaction et est régénéré au cours d’une réaction catalysée par une autre enzyme non couplée à la première. ( = indépendante)

ii.

Fonctions des coenzymes

Ils sont principalement impliqués dans deux réactions : - Transfert de groupements monocarbonés ou amines - Transfert d’électrons et de protons au cours de réactions d’oxydo-réduction (servent de groupement intermédiaire) Les enzymes nécessitant des coenzymes catalysent des réactions - Redox : oxydoréductase EC1 - De transfert de groupement : transférase EC2 - Formation de liaisons covalentes : ligases EC6 Pour ces 3 exemples, l’association du coenzyme a un caractère général alors que concernant les isomérase, lyases, hydrolases… l’association avec des coenzymes peut varier, elle n’est pas systématique. ( les EC5, EC4 et EC3 pour la plupart d’entre elles n’ont pas besoin de coenzymes).

2. Structure du coenzyme Globalement les coenzymes sont de très petites structures (de la taille de 2-3 acides aminés) en comparaison à la taille de l’apoenzyme protéique. On distingue des groupements impliqués dans la liaison à l’enzyme (faible s’il s’agit d’un cosubstrat ou covalente, stable si groupement prosthétique). Positionne le coenzyme au niveau du site actif) et la partie réactive qui devra apparaitre au sein du site actif et exposera la zone réactionnelle au niveau du site qui permet de reconnaitre le substrat.Cette partie déterminera le type de réaction réalisée. Le site actif détermine la spécificité du substrat. Un même coenzyme peut être utilisé par différents enzymes et a toujours le même rôle dans les différents enzymes : apporte une fonction et enzyme apporte spécificité pour un substrat donné. C’est une clé universelle. La configuration du site actif de l’enzyme va permettre de l’adapter à un substrat en particulier.

2. Relation vitamine et coenzyme

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Enzymes codés par un ou plusieurs gènes. Leur nature vitaminique diffère suivant que la molécule est apportée par l’alimentation ou si les êtres vivants peuvent le synthétiser. Les mêmes composés sont des coenzymes chez tous les EV mais leur nature vitaminique varie selon les espèces. Les coenzymes sont des composés organiques. Le coenzyme est sous forme de vitamine dans les aliments et est transformé après par l’organisme en coenzyme. Une carence de coenzyme peut être liée à une carence alimentaire ou en gènes et protéines qui permettent la formation du coenzyme. Dans certaines espèces au cours de l’évolution il y a eu des mutations dans les gènes qui codent pour la biosynthèse des enzymes. Ainsi, la synthèse de coenzymes n’est plus possible et donc le caractère obligatoire du coenzyme apparaît. Si le coenzyme est très présent dans l’environnement et que l’enzyme n’a pas de mal à le trouver on peut imaginer qu’une mutation n’entrainerait rien de grave car l’espèce retrouve son enzyme (alors appelée vitamine) grâce à son alimentation.

Si on modifie l’environnement ensuite, on modifie l’alimentation des sujets, et on fait apparaitre des carences. C’est ce qui se passe pour les marins qui partent en mer, ils connaissaient une carence en vitamine C = scorbut. Notion de vitamine indispensable se manifeste de plus en plus qu’on modifie l’environnement d’une espèce. Chez l’homme la plupart des coenzymes dérivent de vitamines à quelques exceptions près. Donc la plupart des coenzymes est indispensable. Une carence vitaminique entraine une diminution de la synthèse du coenzyme dérivé et donc une pathologie liée à la perte d’activité enzymatique (enzyme dépendant directement ou indirectement du coenzyme). Les symptômes de telles carences varient en fonction des métabolismes touchés. Scorbut (carence en vitamine C), béribéri (B1), pellagre (B3), anémie de biermer (B12), ataxie (E). Il peut y avoir un défaut génétique de l’absorption de la vitamine E ce qui donne lieu à une carence en vitamine E. Donc dans le cas d’un défaut héréditaire, il s’agit d’une carence qui sera toujours présente.

3. Classification ( en bleu = hydrosolubles et jaune = liposoluble)

II.

Coenzymes vitaminiques hydrosolubles

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A. Transporteurs de groupements carbonés ou aminés : certaines vitamines B 1. Vitamine B1 ou thiamine Structure : noyau pyrimidine lié par un pont méthylène a un noyau thiazole, groupe hydroxyéthyle où se fixe un pyrophosphate. Ammonium quaternaire dans thiazole. Sources alimentaires : levures, céréales non raffinées et viandes (abats) essentiellement La carence chez l’homme entraine le Béri-Béri qui donne des symptômes neurologiques ou atteinte cardiovasculaire. Coenzyme : TPP ou thiamine pyrophosphate (forme fonctionnelle) Le coenzyme est produit par l’estérification du noyau thiazole par un pyrophosphate. Estérification dans le foie et le cerveau essentiellement.

Forme active : le carbone 2 du noyau thiazole peut facilement perdre un proton et fixe alors le groupement à transférer au cours de la réaction enzymatique.

Mécanisme réactionnel : c’est le coenzyme des transferts d’aldéhyde. Exemple : décarboxylation oxydative des acides α cétoniques comme l’acide pyruvique. On décrit un complexe multienzymatique de la pyruvate déshydrogénase (E1+E2+E3) et la thiamine pyrophosphate avec l’enzyme E1 Le pyruvate décarboxylase va permettre la déshydrogénation du pyruvate ainsi que la libération du C02. Au cours de cette réaction, l’acétaldéhyde va être fixée sur le carbone 2 de la thiamine pyrophosphate

2. Acide pantothénique B5 et le coenzyme A L’acide pantothénique (ubiquitaire ; = molécule 3+4 sur le schéma) est le précurseur d’un coenzyme fondamental : le coenzyme A transporteur de groupement acyle (R-COOH) et plaque tournante du métabolisme intermédiaire. Il est produit par l’amidation de l’acide pantoïque par l’alanine. Ainsi, il peut être lié à une adénosine diphosphate et de l’autre côté, il y a un pont peptique qui lie l’acide pantothénique à la cystéamine. Ceci permet de présenter un groupement thiol à cette extrémité.

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Le Coenzyme A est un cosubstrat (la thiamine pyrophosphate agit quand à elle en tant que groupement prosthétique). Il est constitué d’une adénosine triphosphate lié à l’acide pantothénique lui-mémé lié par un pont peptique à la cystéamine. La fonction SH de la cystéamine peut être substituée au niveau de l’hydrogène par divers radicaux « acyle ». Cette substitution entraîne la formation d’une liaison riche en énergie catalysée par une thiokinase en présence d’ATP. Ainsi le CoA va pouvoir activer un grand nombre de dérivés acyles. Le principal radical est l’acétyl qui permet la formation de l’acétyl Co A (CoA-S~COCH3) mais il y a d’autres radicaux qui vont pouvoir être activés. Intervention du CoA dans le complexe de la pyruvate déshydrogénase (en tant que cosubstrat de E2) pour former de l’acétyle CoA à partir de l’acétaldéhyde transmis par E1 sur le bras du thiamine pyrosphosphate. (TPP) Intervention du CoA dans la synthèse du cholestérol comme source d’hydroxy méthyl glutaryl (HMG) CoA. Acide pentothénique sert à d’autres actions : synthèse du bras de l’acyl carrier protein (ACP). L’ACP comprend un groupement prosthétique formé par la phosphopantéthéine, relié à une sérine de la chaine polypeptidique. L’ACP forme un bras articulé au sein du complexe de l’acide gras synthase, qui sert d’ancrage à la chaîne d’acide gras en cours de biosynthèse.

3. Vitamine B6 et phosphate de pyridoxal Structure : il existe 3 formes vitaminiques dérivées de la pyridine R= CH2OH : pyridoxine R= CHO : pyridoxal = forme aldéhyde R= CH2NH2 : pyridoxamine +/- 5’ phosphate sur l’hydroxyméthyle du carbone 5

Coenzyme : le plus important est le phosphate de pyridoxal. Sa forme active est un dérivé ester phosphate. Cette forme est catalysée par la pyridoxal kinase en présence d’ATP à partir du pyridoxal.

Origine : céréales, cervelas, levures, légumes, abats et viandes. Il agit comme groupement prosthétique (liaison covalente a apoenzyme). C’est un coenzyme primordial dans le métabolisme des acides aminés. Mécanisme réactionnel -

Action sur le carbone α des acides aminés : transamination, décarboxylation, désamination, racémisation Action sur les carbones β et γ des acides aminés : substitution de groupements Action sur le glycogène pour libérer du glucose 1 phosphate au cours de la glycogénolyse ( Glycogène phosphorylase)

Exemple : réaction de transamination en présence de phosphate de pyridoxal Un acide aminé donneur transfère son groupement amine à un acide α cétonique : il devient alors un acide α cétonique luimême alors que l’autre devient un acide aminé.

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4. Vitamine B8 (ou H) ou biotine La vitamine : elle est directement fournie par l’alimentation ou peut être synthétisée par les bactéries intestinales. Cette vitamine est très fortement complexée par l’avidine (complexe avidine-biotine très utilisé comme réactif en biologie notamment pour tracer des molécules). Le coenzyme : groupement prosthétique activé par l’ATP relié de manière covalente à une lysine de l’apoenzyme par une liaison amide (sur résidu NH2 de la lysine) entraine une activation du CO2. C’est le coenzyme des carboxylases assurant le transport du CO2. Exemple : Le complexe CO2-biotine-enzyme dans la carboxylation du pyruvate, l’enzyme est la pyruvate-carboxylase.

4. Vitamine B9 : acide folique Structure : synthèse endogène mais insuffisante par la flore intestinale. Complément alimentaire indispensable. Source alimentaire= céréales . Folique -> structure en forme de feuille Noyau ptéridine lié à l’acide para amino benzoïque lui même lié à l’acide glutamique Le noyau ptéridine est réduit en position 5, 6, 7 et 8 Ceci forme le ptéroylglutamate = folate Coenzyme : tétrahydrofolate ou 5, 6, 7, 8, THF (coenzyme fonctionnel) : c’est un transporteur d’unités monocarbonées liées sur carbone en N5 et /ou N10 (formyle THF avec CHO, méthylène- THF avec CH=NH,…) lié par substitution de l’hydrogène. On le classe parmi les vitamines hydrosolubles même si sa solubilité est limitée. C’est une vitamine absorbée au niveau de l’intestin grêle, fragile elle peut être détruite par la cuisson, par l’acidité et la lumière. La cuisson, la mise en conserve et la congélation des légumes diminuent leur teneur en vitamine B9. La vitamine B9 intervient dans la fabrication de l’ADN dès qu’une cellule de l’organisme nécessite un renouvellement rapide (cellules du sang, de l‘estomac, des intestins, de la bouche, germinales…). Un taux faible d’acide folique dans le sang a pour conséquence la diminution du nombre des divisions (mitose) des cellules, ce qui entraîne une augmentation de volume de celles en place (macrocytose), cellules de la bouche, du foie. Utilisation de drogue analogue des folates peut servir de traitements anticancéreux. Cette drogue va bloquer la synthèse d’ADN. Rôle important dans le métabolisme des AA ; métabolisme de la méthionine.

5. Vitamine B12 ou cobalamine Structure complexe : anneau corrine (structure chimique proche du noyau héminique mais avec un carbone en moins ), 4 pyrroles portant 1 atome de cobalt central lié au résidu aminé des 4 pyrroles. - la fixation d’un nucléotide donne la cobalamine - la liaison d’un 6ème groupement donne 4 formes de cobalamine : cyano-, hydroxy-, méthyl-, désoxy adénosyl-

Plan du tétrapyrole: • 1 Ligand constant alpha en dessous du plan = ribonucléotide. • 1 Ligand bêta variable au dessus du plan : détermine 4 formes possibles de cobalamine en fonction du radical : cyanocobalamine, hydroxy-, méthyl-, désoxy adénosyl-.

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Parmi ces 4 formes, 2 sont des coenzymes: il s’agit de la méthyl et la désoxy adénosly cobalamine. Chez l’Homme la désoxy adénosyl cobalamine estune réaction d’isomérisation dans la mitochondrie : Permet la transformation du méthyl-malonyl CoA en succinyl CoA (métabolite important du cycle de Krebs) par la méthyl malonyl CoA mutase. Méthyl cobalamine : coenzyme d’une réaction de transfert de méthyle, fonctionnelle dans le cytoplasme, notamment en tant que cofacteur de la méthionine synthase qui permet la conversion combinée de l’homocystéine en méthionine et du méthyl THF en THF. L’homocystéine peut être toxique en excès. Une carence en cobalamine entraîne une déplétion cellulaire en THF (reste sous forme méthyl THF) : interaction importante de la B12 sur le métabolisme des folates.

B. Coenzymes vitaminiques : transporteurs d’électrons 1. Vitamine B2 ou riboflavine Structure : le système de doubles liaisons conjuguées forme un chromophore de couleur jaune. Trois hétérocycles (flavine), l’azote en position 9 est lié à une chîne latérale appelée le ribitol.

Les coenzymes flaviniques : flavines kinases - flavine mononucléotide ou FMN ( =phosphate de riboflavine). On a un résidu phosphate estérifié à l’extrémité de la chaîne latérale. - flavine adénine dinucléotide ou FAD (à partir du FMN) (deux nucléotides car a l’extrémité ribitol : 2 phosphates, un riboses et deux adénines). Ces coenzymes sont des groupements prosthétiques d’enzymes appelées flavoprotéines qui jouent un rôle dans les oxydoréductions : oxydases déshydrogénases

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En effet, les 2 coenzymes flaviniques peuvent exister sous deux formes : oxydée et réduite (du noyau flavine  transfert de deux protons et deux électrons). ( Ces coenzymes forment donc des couples rédox. )