Métabolisme des acides aminés PDF

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Summary

Cours vu en 1ère année de DUT Génie Biologique option Analyses Biologiques et Biochimiques
Dispensé par Mme PREVOST Nathalie, en amphithéâtre. ...

Description

CHAP 2 : Métabolisme des Acides Aminés - rôle métabolique important - précurseur de molécules complexes - excédent d’AA : transformations vers la génération de métaboliques énergétiques - acide pyruvique / pyruvate : CH3-CO-COOH - oxaloacétate : COOH-CH2-CO-COOH - acide α-cétoglutarate : COOH-(CH2)2-CO-COOH

I) Catabolisme/dégradation des acides aminés 3 étapes de dégradation : - désamination - incorporation de N de l’ammoniac - transformation squelette carboné Etapes : - génération d’ammoniac NH3 par la suppression NH2 - squelette carboné transformé en de nouvelles molécules au rôle métabolique énergétique - élimination de l’ammoniac via l’urée

I.1) Désamination des acides aminés I.1.a) Mécanisme général de la Transamination des AA transamination : transfert d’un groupement aminé sur un acide alphacétonique pour générer un nouvel acide aminé et un acide alphacétonique correspondant à l’acide aminé de départ. Cette réaction nécessite la présence d’une enzyme ➝ aminotransférase / transaminase. schema ex : transamination de l’Alanine

ALAT : enzyme présente au niveau hépatique, relarguée dans le sang : cytolyse du foie (alcool)

Si le Glutamate réagit avec (acide a-cétonique accepteur) : - oxaloacétate ➝ Asp - pyruvate ➝ Ala - phénylpyruvate ➝ Phe DS : entraînement aux conjugaisons des 2

I.1.b) Désamination OXYDATIVE des acides aminés def: contrairement à la transamination, l’AA va être désaminé par une déshydrogénase (DH) ce qui permet de générer un acide α-cétonique et la libération d’ammoniac. Cette enzyme nécessite la présence d’un Co-enzyme NADH

L’ammoniac est libéré, le radical de l’acide aminé se rajoute au CO-COOH, typique d’un acide alphacétonique.

I.1.c) Désamination NON-OXYDATIVE des acides aminés def: elle est catalysée par une déshydratase et nécessite un Co-enzyme, le Phosphate de Pyridoxal (PPal) Elle se produit pendant un exercice physique pour produire de l’énergie par le biais de la destruction d’AA. Cela va générer de l’acide alphacétonique. Le pyruvate initie le cycle de Krebs Elle conduit à la formation d’un acide alphacétonique, et à la libération d’ammoniac. Elle ne consigne que 3 AA : - Ser et Cys en Pyruvate - Thr en A alphacétobutyrate Etapes pour la Sérine : 1. hydrolyse enzymatique 2. hydrolyse spontanée avec entrée d’eau et sortie d’ammoniac

Etapes pour la Thréonine : schema diapo

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Pour les deux :

I.2) Incorporation de l’azote L’azote de l’ammoniac chez l’homme va être éliminée via 2 grandes voies métaboliques : - l’uréogenèse hépatique = cycle de l’urée (4/5) - l’amoniogenèse rénale (1/5) Uréogénèse hépatique ou Cycle de l’Urée

Dans le foie 2 temps : - départ du cycle : 1ère partie dans la matrice mitochondriale et dès que le premier métabolique de la voie est généré : - suite du cycle : cytosol Matrice mitochondriale : citruline, ornithine, carbamyl-phosphate L’ATP utilisée = AMP + PP Etapes : 1. Grâce à une enzyme, la CarbamylPsynthétase, le carbamylP piège rapidement l’ammoniac dans la mitochondrie et s’associe à l’Ornithine. L’association, permise via une Ornithine Carbamylase va permettre la formation de Citrulline. 2. La citrulline via les transporteurs spécifiques quitte la matrice, et réagit avec l’Acide Aspartique. Elles se condensent, et via de l’ATP elles génèrent de l’Acide argino-succinique / Arginosuccinate grâce à une Argino-succinate synthétase 3. Scindée en 2 molécules : l’Acide fumarique / Fumarate et l’Arginine, AA semi essentiel. Cette division est permise par une Arginosuccinase. 4. A partir de l’Arginine et grâce à une Arginase, l’Iso-urée est générée. 5. L’urée est créée, et regénération de l’Ornithine à partir de l’Arginine.

GLUTAMINOGENESE

- Glutamine : forme de transport et de détoxification de l’ammoniac

! Etapes : trop de NH3 dans les tissus périphériques 1. L’ammoniac est libéré dans les tissus. Dans chaque tissu, il y a un pouls de Glutamate : génération rapide de Glutamate permettant de piéger l’ammoniac pour générer de la Glutamine. Cette réaction se fait grâce à une GlutamineSynthetase. 2. La Glutamine, hydrosoluble, quitte les cellules musculaires pour être véhiculée via le sang, jusqu’au foie. 3. Captée par les cellules hépatiques du foie, et intégrée via la Glutaminase, elle libère l’ammoniac pour regénérer du Glutamate, l’ammoniac rejoint le cycle de l’Urée. 4. Si le cycle de l’Urée est trop encombré, elle rejoint les cellule rénales et sous l’action de la Glutaminase, libération de glutamate et d’ammoniac : l’ammoniac se protone en ammonium. 5. Le NH4+ se combine avec un anion (carbonate), complexe éliminé via les urines.

I.3) Transformation du squelette carboné des AA Le squelette carboné permet de générer des métabolites, notamment énergétiques. 2 «"devenirs"» possibles" en fonction de leur chaîne latérale : - AA Glucoformateurs : génère un métabolique qui génèrera des précurseurs du glucose - pyruvate - oxaloacétate - alphacétoglutarate - succinyl-coA schema - fumarate

- AA Cétogènes, Cétoformateurs : sont à la base de la formation des corps cétoniques, et des acides gras - acétyl CoA schema - acétoacétate AA cétogène strict = squelette carboné ne pouvant donner que des cétogènes = Leucine AA cétogène mixte = squelette carboné pouvant entrer comme précurseur du glucose, ou des corps cétoniques. Isoleucine, lysine 3 corps cétoniques : cerveau, intestin, muscles cardiaque&squelettique - Acétoacétate à partir duquel on peut utiliser le βhydroxybutyrate - Acétone (volatil) : dégradation de l’acétoacétate, βhydroxybutyrate Synthétisés par la voie de la cétogenèse au niveau du foie. Les corps cétoniques sont des molécules relais du glucose : lors d’une période de jeun, ou diabète de type 1. 1 AA cétoformateur pur : Leu 14 AA glucoformateurs purs 6 AA mixtes : Ile, Lys, Phe, Trp & Tyr 1) Catabolisme des AA glucoformateurs 19 AA dont les métabolites par leur dégradation vont entrer dans la voie de la néoglucogenèse (générer du glucose), ou dans le cycle de Krebs (associé à la chaîne respiratoire = ATP). Etapes : - génération de 5 métabolites par les squelettes carbonés - entrée en C3, en C4 : métabolite entrant est composé de 3 / 4 carbones. - génération d’oxaloacétate à partir de 2 acides aminés… 2) Catabolisme des AA cétogènes 6 AA (Leu) dont le catabolisme va générer des métabolites de la Cétogénèse, ou pour générer des corps cétoniques. 3) Transformation des AA pour alimenter le cycle de Krebs L’acétylcoenzyme A intervient au sein du cycle de Krebs. Pour l’obtention d’AcétylCo-enzyme A : - à partir du pyruvate, par le biais d’une Pyruvate DH. - grâce à l’utilisation de NAD+ - pour former le CoA, utilisation de la Cystéine, liaison thioéther entre le coA et le pyruvate.

- rejets : CO2 car décarboxylation, NADH car utilisation de NAD+ Pyruvate → Acétyl-CoA

+ CO2 + NADH

CH2-CO-COOH

- NAD+ - SH-CoA

4) La Glycine : précurseur de molécules plus complexes, d’intérêt biologique 1. Sérine : par une hydroxyméthylation Gly → Ser Ser hydroxyméthyl transférase

2. Glucose : via la néoglucogenèse 3. Cycle de Krebs 4. Créatine : + Arg + Met par une condensation GlyArg et association avec Met, puis phosphocréatine 5. Glutathion, tripeptide Ɣ-Glu-Cys-Gly, fort pouvoir réducteur (antioxydant) : + Glu + Cys 6. Hémoglobine (hème) 7. AN (noyau purine) 8. Bétaïne : glycine 3x méthylée sur NH2 bétaïne (CH3)3-N+-CH2-COOH —> sarcosine CH3-NH-CH2-COOH 9. Après 2 réactions chimiques et enzymatiques, génération d’acide oxalique

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II) Biosynthèse, anabolisme des acides aminés II.1. Synthèse des acides aminés indispensables 9 indispensables : His, Leu, Thr, Lys, Trp, Phe, Val, Met, Ile Chez les végétaux, animaux : Leur squelette carboné est issu de 5 intermédiaires métaboliques. Les intermédiaires métaboliques sont issus de : - la Glycolyse : oxydation complète du glucose en pyruvate - le Cycle de Krebs - Voie des Pentoses phosphates : production de métaboliques intermédiaires

! La voie de la Glycolyse : Extraction de 2 métaboliques : - le Pyruvate - le Phosphoénolpyruvate PEP Permettent la synthèse de la Leucine (cétogène strict), de l’Alanine et autres AA essentiels, d’AA aromatiques Le cycle de Krebs : Extraction d’un métabolite, l’oxaloacétate : Génération d’acide aspartique vers la synthèse de la lysine, isoleucine… La voie des Pentoses phosphates : Extraction de 2 métabolites : - ribose 5 phosphate : sert à la synthèse de l’Histidine - erythrose-4P : génération des AA aromatiques

Chez l’homme : synthèse des AA non essentiels par la voie de la glycolyse, par le cycle de Krebs.

 Glycolyse : Cys, Gly, Ala, Asp, Asn - pyruvate - 3-phosphoglycérate - oxaloacétate Cycle de Krebs : - α cétoglutarate (Glu, Arg, Pro, Gln) La Tyrosine est issue de la Phe, qui est issue de l’alimentation car c’est un AA essentiel.

II.3. Régulation de la biosynthèse des AA Différentes régulations : - Rétro-inhibition : contrôle en feedback - 1ère réation permettant la génération de l’acide aminé = irréversible - Produit final inhibe l’enzyme allostérique lorsqu’il est en quantité suffisante

A

————> Enzyme conditionnant une réaction irréversible

B

————>

C

————>

D=AA

L’enzyme catalyse A en B mais lorsque la quantité d’AA est suffisante, l’AA se fixe sur l’enzyme et change sa configuration. Le site catalytique n’est plus accessible, il n’y a plus de production de l’AA = rétro-inhibition. enzyme allostérique = conditionnée par la présence d’effecteur, ici l’AA. Effecteur fixé, enzyme inactive. Cycle de l’Urée : inhibition par le dernier AA synthétisé, l’Arg, de la 1ère enzyme Carbamyl-phosphate synthétase piégeant l’ammoniac lors de la première réaction.

III. Transport & distribution des AA dans l’organisme - AA en excès : ni excrétés, ni stockés - 99% des AA sont constitutifs des protéines : (1/7 du poids corporel) - 1% AA libres pool : quantité donnée dans un endroit donné 1% d’AA libres : - renouvellement métabolique rapide (tun over) - équilibre généré entre : - apport : 2/3 proviennent de la dégradation des protéines 1/3 proviennent de l’alimentation, de la synthèse de novo - utilisation : génération d’AA dérivés, de glucose (néogluco.), inter-transformation selon les besoins du corps(transamination) - oxydation totale : squelette carboné métabolysé en intermédiaire énergétique Aminoacidémie : mesure du taux d’AA libres en circulation, entre 40-60mg/L.

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III.1. Transport sanguin 45% des AA totaux plasmatiques : Gln et Ala activités sportives : la Glutaminogenèse sécrète énormément de Glutamine période intense très courte : Alanine hydrosolubles

Glucose-Alanine Cycle // Cycle de CAHILL - activité intense très courte : réserves en glucose utilisées - Glucose → Pyruvate : énergie, Glycolyse anaérobie - Le Pyruvate en grande quantité est orienté : - converti en Lactate par une Lactate déshydrogénase - l’excédent s’accumule et transformé en Alanine (transamination avec glutamate, vers génération d’acide a-ketoglutarate) - Alanine quitte les tissus musculaires, regagne le sang, est captée par le foie Lorsque la quantité alanine est suffisante dans le foie : - réaction avec de l’acide a-cétoglutarate pour donner du pyruvate - réaction avec le glutamate vers de l’ammonium, vers la synthèse d’urée - le pyruvate par la néoglucogenèse synthétise du glucose - le glucose quitte les cellules hépatiques, sert les autres muscles.

III.2. Transport cellulaire III.3. Distribution tissulaire Foie : 3/4 des AA totaux sont captés par le foie grâce à un réarrangement ce qui permet la redistribution d’acides aminés enrichis en AA essentiels (glutamate…). Muscles : AA ramifiés (Val, Leu, Ile) captés particulièrement. Les protéines futures nécessitent la présence de ces AA en majorité. ramifiés=aliphatiques

Reins : 90% AA réabsorbés pour une réutilisation (glutamine). Les acides aminés servent à l’élaboration via la néoglucogénèse : glucose, AA dérivés (arginine) Elaboration de protéines indispensables pour les tissus.

Production de métabolites énergétiques (à partir du squelette….)

IV. Protéines 1. Structures supérieures : - quatre niveaux maximum d’organisation structurale - structure primaire, secondaire, tertiaire, quaternaire

1.a. Structure secondaire

- chaîne polypeptidique qui acquérit une configuration spatiale par des liaisons non covalentes (H)

- 2 configurations type : hélice α, feuillet β - structure secondaire aléatoire : pelote statistique (ni hélices, ni feuillets). Hélice α : - le polypeptide s’enroule Nt-Ct autour d’un axe virtuel - 1 tour d’hélice = 3.6 résidus - diamètre = 0.5 nm - stabilité permise par des liaisons non covalentes (H) intrachaînes, parallèles à l’axe, entre O porté par le C d’une liaison peptidique et le H porté par le N d’une autre liaison peptidique - formation favorisée par des résidus grâce à leur nature : ex : - Glu, Ala, Leu, His, Met, Gln, Trp, Val, Phe, Lys, Ile - destruction favorisée par des résidus : ex : - Pro, Gly, Tyr, Asn AA couleurs vives = rouge, apolaire // bleu, polaire AA noir&blanc = noir, apolaire // blanc, polaire représentation de Wenxiang

Feuillet β : - un brin β linéaire, par la nature des AA le constituant, forme un accordéon - les radicaux sont au-dessus, en-dessous du plan - 2 brins β forment un feuillet plissé β, par une courbure sur une même chaîne polypeptidique - stabilité permise par des liaisons non covalentes (H) intrachaînes s’établissant entre l’O du C d’une liaison peptidique et le H porté par le N d’un autre liaison peptidique - 2 configurations possibles : - anti-parallèle par une petite boucle : stabilité + importante car les 2 brins sont en face. - parallèle, selon la nature des acides aminés qui se placent au milieu du feuillet, grâce à un long coude - fortes quantités en Ala, Gly

Coude β : - constitué d’au moins quatre résidus d’AA, liés par les liaisons pep. - stabilité permise par liaisons hydrogènes entre O et H de 2 liaisons peptidiques, à l’intérieur. - les 2 résidus à l’extrémité : Gly (H peut encombrant), Pro (cycle permettant la courbure de la chaîne polypeptidique)

1.b. Structure tertiaire = correspond au repliement sur elle-même de la chaîne polypeptidique impliquant l’établissement de liaisons covalentes et non covalentes. Les liaisons s’établissent au niveau des fonctions portées par les chaînes latérales. Liaisons : - H - nc interactions ioniques/électrostatiques : grâce aux fonctions ionisées - nc interactions hydrophobes : entre les AA aux R apolaires (AA aliphatiques: Val,Phe,Leu…) noyau d’interaction - c ponts disulfures intrachaînes : 2 cystéines voir poly

1.c Structure quaternaire = correspond à l’association d’au moins 2 chaînes polypeptidiques ayant déjà leur propre structure tertiaire. 1 chaîne polypeptidique dans l’association = sous-unité, ou protomère Caractérisation : - nombre de sous-unités (2 = ptn dimérique) - nature des sous-unités - identiques : homopolymérique - différentes : hétéropolymérique - sous-unités reliées par des liaisons non covalentes (important pour la régulation) - symétrie des sous-unités dans l’agencement spatial 3 configurations de la structure quaternaire : - protéines exclusivement constituées d’hélices alpha - protéines exclusivement constituées de feuillets B - protéines constituées d’hélices alpha, de feuillets B exemple de l’Hémoglobine : - 4 sous-unités : têtramère, 2 sous-unités identiques α1, α2 141AA // β1, β2 146AA Caractéristique : - structure qui n’est pas figée Cette capacité à s’associer, à se dissocier au niveau des sous unités permet de réguler l’activité des protéines. Cette asso/disso est sous l’influence d’un facteur exogène, qui est un effecteur allostérique. exemple : Une protéine inactive Kynase A, à la fonction régulatrice, va s’associer à de l’AMPc et va permettre à ses 2 sous-unités catalytiques de se libérer et d’agir. La protéine Kynase activée permet la phosphorylation d’autres molécules.

2. Protéines fibreuses Caractéristiques : - ni structure tertiaire, ni structure quaternaire - sa structure secondaire est particulière : formation d’agrégats polypeptidiques ordonnés où chacun possède sa propre structure secondaire. - insolubles donc élaboration de structure, rôle de protection

2.a Kératine constituées de chaînes polypeptidiques constituées d’hélices α qui se complexifient entre elles et forment des superhélices. 2 Superhélices = protofibrille Protofibrille puis microfibrille. Les microfibrilles sont réticulées par des ponts dissulfures interchaînes, et forment des fibres de Kératine. La kératine = à base d’hélices α

2.b Collagène

- hélices α - au moins 1000 résidus - motif récurrent : Gly - X - Y - X, Y : Pro et HydroxyPro, HydroxyLys glycosylé - pas de cystéine Fabrication de l’hydroxyproline : - rajout d’un groupement hydroxyl à la place d’un hydrogène (C3)

Triple hélice = tropocollagène Maintenues par des liaisons H

1.5nm

La fibre de collagène : - 50 nm diamètre - composée de microfibrilles reliées entre elles par des pontages covalents entre 2 lysines. - 2 lysines reliées grâce à une LysylOxydase qui désamine une des fonctions Lys et qu’elle remplace par une fonction carboxylique = création d’une fonction amide. La nouvelle molécule est une allysine.

2.c Fibroïnes : toiles d’araignées, cocons

- feuillets β - motif récurrent : Gly + (Val ou Ser)

3. Protéines globulaires (ou globulines) - forme sphérique +/- compacte - +/- flexible grâce à ses sous-unités = relation structure/fonction - solubles, donc véhiculées par le sang Polarité des AA et localisation : - AA hydrophiles surface externe Asp, Asn, Glu, Gln, Lys, Arg, His… - AA hydrophobes surface interne Phe, Trp, Leu, Ile, Met, Val coeur hydrophobe - AA amphiphiles surfaces interne et externe Pro, Thr, Ser, Cys..

1.a. Protéines à domaines α Myoglobine : - 153 AA - monomérique - liaisons hydrogènes (S. IV) - 8 hélices α (A et H) - 75% hélicité, sinon coudes ou chaînes linéaires

1.b. Protéines à domaines β Immunoglobines : - 5 classes : Ig G, A, M, D, E - Ig G et Ig D : diffèrent au nombre de ponts dissulfures maintenant la structure - Ig A et Ig M : plusieurs Ig D reliées entre elles différemment Caractéristiques : - 4 chaînes polypeptidiques = 2 chaînes lourdes et 2 chaînes légères - extrémité Nt chaîne variable = sites de liaisons à l’antigène - extrémité Ct = liaison à la membrane des CB - ponts disulfures interchaînes entre les chaînes lourdes, entre chaînes lourdes et légères - ponts disulfures intrachaînes au sein même d’une chaîne tous les 70 résidus = boucle permettant le maintien de la structure

1.c. Protéines à domaines α et β Enzyme Glycéraldéhyde 3P-déshydrogénase : - 4 protomères identiques = homotêtramère - chaque sous-unité possède 2 domaines : - côté Nt : 1 Feuillet β = fixation du substrat - côté Ct : Hélices α et feuillets β = fixation du Co-enzyme NAD+

1.d. Facteurs dénaturant les structures III et IV

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température élevée pH extrêmes : modification des interactions ioniques = protéine dépliée concentration en détergeants ioniques élevée solvants organiques substances chimiques (urée 8M, chlorure de guanidium 6M, 2 mercaptoéthanol 1mM, SDS 1%)

Urée = liaisons H et hydrophobes Chlorure de Guanidine = NH2-CNH-NH2 Mercaptoéthanol rompt les ponts disulfures CH2OH-CH2SH

SDS Sodium Dodécyl Sulfate, détergeant anionique s’associant avec les chaînes aliphatiques, formation d’un complexe, protéine linéarisée = CH3-(CH2)11-O-SOO-OSDS + mercapto = séparation des sous-unités

Sous l’action d’un facteur dénaturant, la protéine se dénature en fonction du temps et de la quantité, mais si le facteur est retiré trop rapidement, les liaisons peuvent se rétablir correctement et au bon endroit pour rétablir la protéine native. Si le facteur est laissé trop longtemps, état de protéine dénaturé, c’...