Assimilation de l'azote en ammoniac - Principales voies de la synthèse des acides aminés
Catabolisme de la partie azotée des acides aminés : le cycle de l'urée
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A. ASSIMILATION DE L'AZOTE ATMOSPHERIQUE

1. Introduction

2. Assimilation de l'azote par le système nitrogénase

3. Assimilation de l'azote par la nitrate réductase et la nitrite réductase

4. Rôle de la ferrédoxine

B. PRINCIPALES VOIES DE LA SYNTHESE DES ACIDES AMINES

1. Introduction

2. 1ère incorporation d'ammoniac : formation du glutamate par la glutamate déshydrogénase (EC 1.4.1.4)

3. Rôle prépondérant du glutamate dans les réactions de transamination

4. 2ème incorporation d'ammoniac : formation de la glutamine à partir du glutamate par la glutamine synthétase

5. La proline est synthétisée à partir du glutamate

6. Le glutathion : cofacteur issu du glutamate

 

7. Synthèse de la glycine à partir de la sérine : rôle du tétrahydrofolate

8. Synthèse de la cystéine à partir de la sérine ou à partir de la méthionine : rôle de la S-adénosylméthionine

9. Aperçu de la synthèse des acides aminés aromatiques

C. CATABOLISME DE LA PARTIE AZOTEE DES ACIDES AMINES : LE CYCLE DE L'UREE

1. Aperçu du devenir de la chaîne carbonée

2. Formes d'excrétion des déchets azotés

3. Présentation générale de l'ammoniogénèse et du transport de l'ammoniac

3a. La désamination directe

3b. La désamidation

3c. L'ammoniac

4. Le cycle de l'urée

5. Bilan de la synthèse de l'urée et conclusion

 

A. Assimilation de l'azote atmosphérique

1. Introduction - Voir le schéma général

a. Les acides aminés sont tous constitués :

  • d'une chaîne carbonée (figure ci-contre) : le squelette carboné des acides aminés est fourni par des intermédiaires des voies métaboliques (glycolyse, voie des pentoses phosphate et cycle de Krebs).
  • d'un groupement α-aminé et, en fonction de la chaîne latérale, de 1 ou 2 groupement(s) aminé(s) supplémentaire(s). Ces groupements aminés trouve leur origine dans l'ammoniac : NH3. L'ammoniac résulte elle-même de la fixation de l'azote de l'atmosphère (et de dérivés oxydés de l'azote) par des micro-organismes en symbiose ou non avec certaines plantes.

Amino acid synthesis degradation ammonia nitrogen assimilation azote nitrite nitrate reductase urea cycle glutamine biochimej

b. Les protéines sont continuellement synthétisées et dégradées à une très grande vitesse. Cette dégradation aboutit aux acides aminés, mais ces acides aminés ne sont pas ou peu ré-utilisés pour synthétiser de nouvelles protéines.

c. Le produit de dégradation des groupements aminés des protéines est une molécule capitale dans l'élimination de l'ammoniac, initialement introduit dans les acides aminés : il s'agit de l'urée, fabriquée au cours d'un cycle qui porte son nom.

d. Enfin, les excréments de toutes sortes et les cadavres animaux et végétaux sont décomposés par des bactéries dites dénitrifiantes, qui vont reformer de l'azote gazeux que l'on retrouve dans l'atmosphère.

L'azote N2 représente 80% des gaz de l'atmosphère.

C'est un gaz extrémement stable dont l'énergie libre de la triple liaison entre les atomes d'azote est de 225 kcal.mol-1, ce qui explique le coût élevé de la fabrication d'engrais chimique du fait que le procédé utilisé qui est la réduction directe de N2 par H2, nécessite beaucoup d'énergie

La réaction est :    N2 + 3 H2  <===>  2 NH3      ΔG'  =  + 147 kcal.mol-1

Dans l'industrie, les conditions sont : température = 500°C / pression = 300 atm / fer = catalyseur 

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2. Assimilation de l'azote par le système nitrogénase

La réduction de l'azote gazeux en ammoniac s'appelle la fixation de l'azote.

Certaines plantes (notamment les légumineuses) vivent en symbiose avec des micro-organismes procaryotes, qui sont seuls capables de fixer l'azote atmosphérique.

Ces micro-organismes, par exemple les bactéries Rhizobium, possèdent un ensemble de gènes qui codent pour un système que l'on appelle le système nitrogénase.

L'assimilation de l'azote atmosphérique par les organismes s'effectue donc par ce système.

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Source figure : "Physiologie végétale I - Nutrition et métabolisme" D. Laval-Martin & P. Mazliak (1995) - Ed. Hermann, coll. Méthodes

Le système nitrogénase est un assemblage de 3 protéines

1. la nitrogénase proprement dite qui est un tétramère de 220 kDa (2 x 51 kDa et 2 x 59 kDa) :

  • chaque monomère contient un centre [4 Fe - 4 S]
  • ce tétramère est associé à un cofacteur protéïque qui contient 8 Fe et 2 atomes de molybdène (Mo)
  • en conséquence, la nitrogénase fonctionnelles contient : 5 sous-unités ; 24 Fe ; 32 S et 2 Mo

2. une réductase qui est un dimère de 60 kDa (2 x 30 kDa), le dimère contenant un centre [4 Fe - 4 S]

3. la ferrédoxine chez les bactéries symbiotiques ou une flavodoxine à FAD chez les bactéries libres. C'est la protéine transporteuse des électrons du fer vers le molybdène.

Ci-dessous : mécanisme supposé de la réduction de l'azote en ammoniac par le système nitrogénase.

Amino acid synthesis degradation ammonia nitrogen assimilation azote nitrite nitrate reductase urea cycle glutamine systeme nitrogenase biochimej

Le mécanisme de transfert des électrons (figure ci-contre) entre les protéines du système nitrogénase met en jeu des états réduits et oxydés de ces protéines.

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Source : "Physiologie végétale I" - Laval-Martin & Mazliak (1995)

La réaction globale , irréversible, catalysée par le système nitrogénase, est la suivante :

N2 + (6 H+ + 6 e-) + 6 ferrédoxine réduite + (2 H+ + 2 e-) + 2 ferrédoxine réduite + 12 ATP + 12 H2O

-------->   2 NH3 + H2 + 8 ferrédoxine oxydée + 12 ADP + 12 Pi

On constate que cette réaction est très coûteuse en énergie puisque 12 molécules d'ATP sont consommées par molécule d'azote réduit. Le rôle de l'ATP est le suivant : 

  • l'association de la réductase avec la nitrogénase ne peut se faire que si la réductase subit un changement de conformation quand elle est dans l'état réduit
  • ce changement de conformation, induit par la fixation de l'ATP à la réductase, entraîne une diminution du potentiel rédox dans les conditions standard de la réductase : E0' passe de - 0,29 V à - 0,40 V
  • cette augmentation du pouvoir réducteur permet à la réductase de transférer les électrons à la nitrogénase

Voir "Réactions d'oxydo-réduction - Potentiel de réduction"

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3. Assimilation de l'azote par la nitrate réductase et la nitrite réductase

L'autre mode d'assimilation de l'azote est indirect puisque en premier lieu, les décharges à haut potentiel électrique de la foudre catalysent l'oxydation de N2 par l'oxygène atmosphérique et l'on aboutit à la formation d'oxyde d'azote : les ions nitrate NO3- ou nitrite NO2-. Ces ions sont ensuite ramenés au sol par les pluies.

Puis deux enzymes interviennent :

- une nitrate réductase qui catalyse la réaction :

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- une nitrite réductase qui catalyse la réduction du nitrite en ammoniac selon le mécanisme supposé :

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4. Rôle de la ferrédoxine

La ferrédoxine intervient dans les deux modes d'assimilation précédents comme donneur - accepteur d'électrons :

  • elle les échange avec le NAD+ ou NADP (selon le micro-organisme) dans le cas de la nitrate réductase
  • elle a l'un des potentiels rédox dans les conditions standard le plus faible : E0' = - 0,43 V (rappel : E0'(2H+ / H2) = - 0,41 V)
  • elle est composée de 97 acides aminés, de masse molaire 10,7 kDa
  • elle est aussi impliquée dans les transferts d'électrons qui ont lieu lors de la photosynthèse

Visualisation de la ferrédoxine [2Fe - 2S] de Aphanothece sacrum à une résolution de 1,46 Å (2012).

PDB : 3AV8

Une seule des 4 chaînes de l'homotétramère est représentée.

La réaction de transfert des électrons des deux atomes de fer des centres [Fe - S] est :

Fe3+ + e- ---> Fe2+

Comment l'ammoniac est-il relargué des organismes ?

Si l'on revient au schéma général, le relarguage d'azote gazeux est effectué par des bactéries qui transforment l'ammoniac (issus des produits d'excrétion et des cadavres) en nitrite puis celui-ci en nitrate : c'est ce que l'on appelle la nitrification.

Enfin, d'autres bactéries réduisent le nitrate en azote gazeux, c'est la dénitrification et le cycle de l'azote est fini

La conclusion de ce chapitre sur l'origine de l'azote dans les biomolécules est que la plupart des plantes dépendent de l'azote qui a déjà été fixé.

a. Les plantes prélèvent donc l'azote dans leur environnement soit :

  • à partir de micro organismes avec lesquels elles vivent en symbiose
  • à partir de tissus animaux ou végétaux en décomposition
  • à partir d'engrais
b. Pour leur part, les animaux trouvent exclusivement l'azote dont ils ont besoin par leur alimentation en ingérant des tissus animaux ou végétaux.

Cet aspect souligne la dépendance des animaux, et en particulier de l'homme, à leur environnement.

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B. Principales voies de la synthèse des acides aminés

1. Introduction

Les acides aminés sont au nombre de 20 et l'on pourrait s'attendre à un nombre extrèmement grand de voies de biosynthèse de ces composés :

  • en fait, la cellule a adopté une stratégie qui repose sur des mécanismes communs à plusieurs acides aminés : ainsi, l'on a des branchements à partir d'un intermédiaire commun
  • par ailleurs, les acides aminés ont pour précurseurs des métabolites issus des voies métaboliques comme la glycolyse, le cycle des acides tricarboxyliques, ou la voie des pentoses phosphates
  • enfin, une autre caractéristique de la synthèse des acides aminés est la rétroinhibition par les produits finaux des enzymes intermédiaires et le plus souvent de l'enzyme qui catalyse la première étape commune à un groupe d'acides aminés

Voir un développement sur les acides aminés

La plupart des chimiotrophes, et les mammifères en particulier, ne peuvent synthétiser que 10 des 20 acides aminés : ces acides aminés sont dits non-essentiels (ne - figure ci-dessous).

Pour les 10 autres acides aminés, soit ils ne possèdent pas les enzymes qui les catalysent, soit ceux-ci sont synthétisés en quantité trop minime pour le bon fonctionnement de l'organisme. Ces 10 acides aminés sont dits essentiels (e - figure ci-dessous) et doivent être apportés par l'alimentation.

Acide amine essentiel non essentiel amino acid synthesis degradation ammonia nitrogen assimilation azote nitrite nitrate reductase urea cycle glutamine glycolyse krebs pentose phosphate biochimej

A l'inverse, les plantes et un bon nombre de microorganismes sont eux capables de synthétiser les 20 acides aminés en utilisant, comme on l'a vu, les oxydes d'azote ou l'ammoniac comme source d'azote.

Enfin, contrairement aux sucres at aux acides gras dont la finalité est essentiellement de servir de combustible à la cellule pour fournir de l'énergie, le but premier des acides aminés est la synthèse de protéines.

On peut même souligner que la synthèse des acides aminés nécessite beaucoup d'ATP, comme le résume le tableau suivant.

acides  aminés non essentiels moles d'ATP consommées par mole d'acide aminé formé acides  aminés essentiels   moles d'ATP consommées par mole d'acide aminé formé
glycine  12  thréonine  31 
sérine  18  valine  39 
cystéine  19  histidine  42 
alanine  20  arginine  44 
aspartate  21  méthionine 44 
asparagine 22 leucine 47
glutamate 30  lysine  50 ou 51
glutamine  31  isoleucine  55 
proline 39  phénylalanine  65 
tyrosine  62  tryptophane  78 

Ces chiffres incluent l'ATP consommé pour la synthèse des précurseurs et leur conversion en produit.

Source : Atkinson (1977) "Cellular energy metazbolism and its regulation" NY Acadamic Press

De ce tableau, on ne peut rien conclure de particulier, si ce n'est que la synthèse de la glycine qui est l'acide aminé le plus simple consomme le moins d'énergie, et qu'à l'inverse la synthèse des acides aminés aromatiques qui ont des structures cycliques complexes correspondent aux voies les plus gourmandes en ATP.

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2. 1ère incorporation d'ammoniac : formation du glutamate par la glutamate DH

La première étape de la synthèse des acides aminés est l'assimilation de NH4+.

L'une des principales portes d'entrée utilisée par la cellule pour introduire l'ammoniac au coeur du métabolisme des acides aminés est l'amination réductrice de l'a-cétoglutarate en glutamate catalysée par la glutamate déshydrogénase :

  • la réaction d'incorporation de la 1ère molécule d'ammoniac correspond à la condensation d'ammoniac avec le groupe carbonyle de l'α-cétoglutarate pour former un intermédiaire α-iminium glutarate qui est fixé temporairement à l'enzyme pour être ensuite réduit en glutamate
  • l'α-cétoglutarate provient de l'isocitrate dans le cycle de Krebs
  • le pKa de l'ammoniac est de 9,2 et il existe donc sous forme d'ion ammonium NH4+ au pH physiologique
  • cependant c'est la forme déprotonnée NH3 (qui est fortement nucléophile du fait du doublet porté par l'atome d'azote) qui est l'espèce réactionnelle
Selon les organismes, cette réaction est catalysée principalement dans un sens ou dans l'autre et utilise un coenzyme particulier :
  • chez les plantes et les microorganismes, il y a essentiellement synthèse du glutamate avec utilisation du NADPH
  • chez les animaux, il y a essentiellement synthèse de l'α-cétoglutarate avec utilisation du NADH

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3. Rôle prépondérant du glutamate dans les réactions de transamination

Nous avons commencé par la synthèse du glutamate car :

  • c'est l'une des réactions qui permet d'introduire un groupement aminé au sein du métabolisme des acides aminés
  • ce composé va servir de donneur de groupement aminé à un grand nombre d'autres acides aminés, par des réactions de transamination
En effet, le groupe aminé du glutamate peut être transféré à divers acides α-cétoniques en formant les acides aminés correspondants. Le tableau suivant résume les acides aminés que l'on obtient :
  • à partir du glutamate comme acide aminé 1 et d'un acide α-cétonique 1
  • avec formation d'un acide aminé 2 et d'α-cétoglutarate comme acide α-cétonique 2
acide α-cétonique 1 acide aminé 2
oxaloacétate Asp
pyruvate Ala
α-céto-β-méthyl valérate Ile
α-céto isovalérate Val
phénylpyruvate Phe
4-hydroxyphényl pyruvate Tyr
préphénate arogénate (précurseur de Phe et Tyr)
3-phosphohydroxy pyruvate 3-phosphosérine

Le coenzyme de toutes les transaminases est le phosphate de pyridoxal qui forme une base de Schiff avec une lysine du site actif.

Ces réactions de transamination permettent donc de fabriquer un grand nombre d'acide aminés courants.

Cependant, dans le cas :

  • de la lysine : l'acide α-cétonique est instable et la lysine est synthétisée par une autre voie.
  • de la thréonine : le rendement de la réaction est trés faible car l'acide α-cétonique correspondant est un trés mauvais substrat de la thréonine transaminase. 
Lors de la dégradation des acides aminés, un petit nombre de réactions de transamination produisent du glutamate et de l'aspartate dont le groupe aminé parvient aux voies capable d'éliminer l'azote comme le cycle de l'urée.

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4. 2ème incorporation d'ammoniac : formation de la glutamine à partir du glutamate par la glutamine synthétase

Une seconde réaction clé dans l'assimilation d'ammoniac correspond à la formation de glutamine à partir de glutamate et d'ammoniac, réaction catalysée par la glutamine synthétase.

Cette réaction illustre le couplage de l'hydrolyse de l'ATP à la biosynthèse d'une molécule :

  • dans le cas de la glutamine, le carboxylate du glutamate est phosphorylé en γ-glutamyl phosphate, qui est beaucoup plus réactif que le glutamate
  • l'attaque du groupement phosphate par un puissant nucléophile comme l'atome d'azote porté par l'ammoniac aboutit à la formation de la glutamine

La glutamine synthétase de Escherichia Coli est un excellent exemple pour souligner la régulation à laquelle sont soumises la plupart des enzymes qui interviennent dans la synthèse des acides aminés. En effet cette enzyme est un oligomère de 12 sous-unités identiques qui porte chacune non seulement un site actif mais également des sites de fixation d'inhibiteurs allostériques :

  • parmi ces inhibiteurs, six possèdent un atome d'azote qui provient du groupement aminé de la glutamine
  • par ailleurs, l'effet inhibiteur est additif, le degré d'inhibition étant d'autant plus élevé que le nombre d'inhibiteur fixé est grand : il s'agit là de rétro-inhibition cumulative
On comprend plus aisément l'extrème sophistication de la glutamine synthètase en regard des divers rôles de la glutamine au sein de la cellule :
  • d'une part la formation de la glutamine permet l'assimilation d'un nouvel atome d'azote
  • en second lieu cet atome d'azote du groupement amide porté par la chaîne latérale est le précurseur direct de plusieurs atomes d'azote contenus dans les noyaux des bases puriques et pyrimidiques
  • enfin, chez les mammifères, la glutamine qui est l'acide aminé le plus concentré dans le sang (450 à 600 µM) est le principal transporteur d'ion ammonium dans le système circulatoire. La glutamine permet donc de baisser le taux de ce composé extrèmement toxique

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5. La proline est synthétisée à partir du glutamate

La synthèse de la proline est une voie qui tout en n'étant pas la plus complexe souligne le nombre important d'étapes que peut nécessiter la synthèse de certains acides aminés, à fortiori si ceux-ci sont cycliques :

  • la première réaction est catalysée par la γ-glutamate kinase qui phosphoryle le glutamate en γ-glutamylphosphate, ce qui correspond à la première réaction de synthèse de la glutamine
  • la seconde réaction fait intervenir le NADH et déphosphoryle le γ-glutamylphosphate en glutamate γ-semialdéhyde, qui est un intermédiaire du cycle de l'urée
  • la troisième réaction est spontanée, ne faisant intervenir aucune enzyme : c'est la cyclisation du glutamate γ-semialdéhyde en base de Schiff interne
  • enfin, une réductase forme la proline qui, selon les organismes, utilise le NADH ou le NADPH

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6. Le glutathion : cofacteur issu du glutamate

a. Le glutathion est un tripeptide formé de glycine, de cystéine et de glutamate.

Amino acid synthesis degradation ammonia nitrogen assimilation azote nitrite nitrate reductase urea cycle glutamine glutathion biochimej

Cependant, il a une particularité : c'est le groupement carboxylique en position γ de la chaîne latérale du glutamate qui établit la liaison peptidique avec la cystéine. C'est donc le γ-glutamyl-cystéinyl-glycine.

b. Le glutathion existe sous forme réduite ou oxydée. La forme oxydée correspond à l'association de 2 molécules de glutathion reliées par un pont disulfure (G-S-S-G).

L'enzyme qui catalyse cette réaction est la glutathion réductase : G-S-S-G + NADPH + H+ <===> 2 G-SH + NADP+

c. L'une de ses fonctions biologiques est l'élimination de produits dérivés de l'oxygène qui sont hautement réactionnels et donc toxiques pour la cellule :

  • l'anion superoxyde O2°- est transformé en oxygène et péroxyde d'hydrogène par la superoxyde dismutase
  • puis le péroxyde d'hydrogène (H2O2) est éliminé par la catalase ou la glutathion peroxydase selon la réaction : 2 glutathion-SH + H-O-OH -----> glutathion-S-S-glutathion + 2 H2O

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7. Synthèse de la glycine à partir de la sérine : rôle du tétrahydrofolate

La glycine est synthétisée à partir du 3-phosphoglycérate, lui-même issu de la voie de la glycolyse.

Le groupe hydroxyle est transformé en cétone pour donner le 3-phospho-hydroxypyruvate qui à son tour subit une transamination avec le glutamate pour former la 3-phosphosérine.

Enfin la sérine est formée par la 3-phosphosérine phosphatase.

La sérine est le précurseur direct de la glycine : celle-ci est formée via une réaction réversible catalysée par la sérine hydroxy-méthyltransférase. Cette enzyme ne fonctionne qu'en présence de deux cofacteurs : le phosphate de pyridoxal et un co-substrat, le tétrahydrofolate.

Amino acid synthesis degradation ammonia nitrogen assimilation azote nitrite nitrate reductase urea cycle glutamine folate tetrahydrofolate biochimej

Le folate est composé de la ptérine, d'un résidu acide p-aminobenzoïque et d'un résidu glutamate (à droite dans la structure).

Le tétrahydrofolate dérive du folate par addition d'atomes d'hydrogène en position 5, 6, 7 et 8 de la ptérine.

On peut noter que la glycine est à l'origine de la chlorophylle et de l'hème.

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8. Synthèse de la cystéine à partir de la sérine ou à partir de la méthionine : rôle de la S-adénosylméthionine

La sérine est le précurseur de la cystéine.

Chez les plantes et les bactéries, la cystéine est formée en deux étapes :

Synthese cysteine acetylserine methyl adenosylmethionine amino acid synthesis degradation ammonia nitrogen assimilation azote nitrite nitrate reductase urea cycle glutamine biochimej

  • dans un premier temps, le groupe acétyle d'une molécule d'acétyl CoA est transféré au groupement hydroxyle de la sérine pour former la O-acétylsérine
  • ensuite, un groupe sulfure inorganique (S2-) déplace le substituant acétyle pour former la cystéine

Chez les autres organismes, la cystéine est synthétisée à partie d'un dérivé de la méthionine extrèmement important : la S-adénosylméthionine.

La réaction est la suivante : 

  • un groupement adénosyle (adénosine + ribose) de l'ATP est transféré à l'atome de soufre de la méthionine : cette synthèse est particulière car le groupe triphosphate de l'ATP est hydrolysé en phosphate inorganique et en orthophosphate
  • toutes les liaisons phosphore - oxygène de l'ATP étant hydrolysées, la réactivité du groupe méthyle de l'intermédiaire obtenu, la S-adénosylméthionine, est très grande : la S-adénosylméthionine est donc le principal donneur de groupe méthyle dans la cellule
  • ce groupe méthyle est ensuite transféré à un accepteur de groupe méthyle (X) tel que la phosphatidyl éthanolamine pour former la S-adénosylhomocystéine
  • celle-ci est hydrolysée pour former l'homocystéine avec relarguage de l'adénosine
  • enfin, la cystéine est formée (conjointement à l'α-cétobutyrate) par condensation de la sérine avec l'homocystéine

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9. Aperçu de la synthèse des acides aminés aromatiques

La synthèse des autres acides aminés, notamment celle des acides aminés aromatiques, est extrèmement complexe, entre autre du fait qu'à partir d'un squelette carboné linéaire, il y a cyclisation ou bien ramification.

La première étape de la synthèse de ces acides aminés fait intervenir :

  • un précurseur issu de la glycolyse : le phosphoénolpyruvate
Il s'ensuit une voie commune qui aboutit à la formation du shikimate puis du chorismate. C'est à partir de ce dernier intermédiaire commun que les voies se séparent pour former :
  • d'autre part le tryptophane. La synthèse de ce dernier est sans doute la plus complexe de tous les acides aminés. Elle fait intervenir une molécule impliquée dans la synthèse de nombreuses autres molécules dont l'histidine : le 5-phosphoribosyl 1-pyrophosphate (PRPP)
On remarquera que la glutamine et/ou le glutamate interviennent dans la synthèse des 3 acides aminés aromatiques.

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C. Catabolisme de la partie azotée des acides aminés : le cycle de l'urée

Synthese cysteine acetylserine methyl adenosylmethionine amino acid synthesis degradation ammonia nitrogen assimilation azote nitrite nitrate reductase urea cycle glutamine biochimej

1. Aperçu du devenir de la chaîne carbonée

Les caractéristiques principales de la dégradation du squelette carboné sont les suivantes : 

amino acid synthesis degradation ammonia nitrogen assimilation azote nitrite nitrate reductase urea cycle glutamine biochimej

a. Cette dégradation est un exemple remarquable d'économie des transformations métaboliques. En effet, le catabolisme de l'ensemble des squelettes carbonés des 20 acides aminés est canalisé en seulement 7 molécules :

b. Les acides aminés dégradés en acétyl CoA, en acéto-acétyl CoA ou en d'autres dérivés du coenzyme A, sont dits cétogènes puisqu'ils contribuent à former des corps cétoniques.

Ceux qui aboutissent au pyruvate ou à un intermédiaire du cycle de Krebs sont dits glucogènes. En effet, ils peuvent être convertis en phosphoénolpyruvate et alimenter la voie de la néoglucogénèse.

Cette classification n'est pas absolue puisqu'elle dépend du devenir réel d'un métabolite considéré.

c. Quelques exemples caractéristiques du catabolisme du squelette carboné :

  • certains acides aminés sont dégradés en une seule réaction de transamination réverse (figure ci-dessous) : ainsi Ala donne du pyruvate, Asp du fumarate ou de l'oxaloacétate et Glu de l'α-cétoglutarate

Transamination reverse alpha cetonique cetoglutarate amino acid synthesis degradation ammonia nitrogen assimilation azote nitrite nitrate reductase urea cycle glutamine biochimej

  • la proline et la glutamine subissent des transformations qui sont en fait quasiment les réactions réverses de celles qui permettent de les synthétiser (décrites dans les chapitres précédents). Il y a donc formation intermédiaire de Glu, qui subit une transamination pour aboutir à l'α-cétoglutarate
  • deux acides aminés sont purement cétogènes : Leu et Lys
  • la méthionine et les acides aminés à chaîne ramifiée (Val et Ile) peuvent être considérés comme plutôt cétogènes puisqu'ils aboutissent à l'acétyl CoA ou au propionyl CoA
  • le tryptophane forme, en une quinzaine de réactions, deux molécules d'acétyl CoA. Par ailleurs, le cycle benzène du noyau indole du Trp est le précurseur du noyau nicotinamide du NAD+

d. Le monoxyde d'azote

Les mamifères possèdent une enzyme cytosolique, la NO synthase qui catalyse la formation de NO à partir de l'arginine :

Synthese monoxyde azote NO amino acid synthesis degradation ammonia nitrogen assimilation azote nitrite nitrate reductase urea cycle glutamine biochimej

  • c'est un dérivé instable de l'azote et il porte un nombre impair d'électrons, c'est donc une molécule radicalaire : .N=O
  • il est moins réactionnel que d'autres composés à radical libre, mais il présente une certaine toxicité
  • en solution, il réagit trés vite pour former des ions nitrate et nitrite
On admet que le NO joue un rôle de médiateur dans plusieurs fonctions physiologiques comme :

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2. Formes d'excrétion des déchets azotés

a. Du fait de la petite taille et de la grande solubilité de l'ammoniac, les poissons et beaucoup d'animaux aquatiques éliminent l'azote aminé sous cette forme, par diffusion au travers des membranes.

Ils sont dits ammoniotéliques.

Forme excretion dechet azote uree urique amino acid synthesis degradation ammonia nitrogen assimilation azote nitrite nitrate reductase urea cycle glutamine biochimej

b. L'excrétion d'ammoniac pour un animal terrestre, donc ne baignant pas dans un grand volume d'eau, est extrèmement difficile car il lui faudrait uriner énormément pour arriver à diluer suffisamment l'ammoniac.

En conséquence, l'homme et les mammifères éliminent l'azote sous forme d'urée, dont la toxicité est environ 100.000 fois plus faible que celle de l'ammoniac. Ils sont dits uréotéliques.

L'urée est synthétisée dans le foie et le système circulatoire transporte l'urée jusqu'aux reins. Cependant, toute l'urée n'est pas éliminée par les reins : une partie, en effet, y est retenue où elle contribue à la régulation de l'osmolarité qui joue un rôle extrèmement important dans la réabsorption d'eau.

c. Les oiseaux et les reptiles terrestres éliminent l'azote sous forme d'acide urique. Ils sont dits uricotéliques.

L'acide urique est des milliers de fois moins soluble dans l'eau que ne le sont l'ammoniac et l'urée. Aussi, l'acide urique est-il éliminé sous forme de pâte (par exemple la fiente d'oiseau) après réabsorption totale de l'eau de l'urine.

d. Des expériences utilisant des précurseurs marqués par des isotopes radioactifs ont permis de déterminer l'origine des atomes de carbone et d'azote constitutifs de l'acide urique.

Ces expériences ont montré que l'acide urique et les purines qui entrent dans la composition des acides nucléiques sont issus des mêmes précurseurs et de la même voie métabolique.

acide urique amino acid synthesis degradation ammonia nitrogen assimilation azote nitrite nitrate reductase urea cycle glutamine biochimej

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3. Présentation générale de l'ammoniogénèse et du transport de l'ammoniac

La formation de l'ammoniac à partir des acides aminés s'effectue selon deux voies :

desamination desamidation cetoglutarate glutamate cetonique amino acid synthesis degradation ammonia nitrogen assimilation azote nitrite nitrate reductase urea cycle glutamine biochimej

a. De manière prédominante, par désamiNation directe qui libère un acide α-cétonique et de l'ammoniac. Dans le cas de l'Asn et de la Gln, il existe une réaction supplémentaire de désamiDation.

b. L'autre voie est une transamination réverse qui aboutit au glutamate. Puis la glutamate déshydrogénase catalyse la réaction de formation de NH3 et d'α-cétoglutarate en présence de NAD+ (phosphorylé ou pas selon les organismes).

 

3a. La désamiNation directe

Entre 1932 et 1935, Hans Krebs et Kurt Henseleit observèrent qu'en incubant des acides aminés en présence d'un homogénat de foie et d'oxygène, ils obtenaient de l'ammoniac avec consommation de l'oxygène et disparition des acides aminés.

Cette réaction est une désamiNation oxydative puisqu'il y a perte d'un groupement aminé accompagné d'un processus oxydatif. Ces réactions sont catalysées par des amino-acides oxydases.

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Il existe 2 cas particuliers : il s'agit des 2 acides aminés à fonction alcool (Ser et Thr), pour lesquels la perte du groupement aminé se fait par désamiNation non oxydative, catalysée par la sérine déshydratase et la thréonine déshydratase.

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3b. La désamiDation

L'asparagine et la glutamine contiennent une fonction amide portée par leur chaîne latérale.

Il existe 2 enzymes trés répandues, l'asparaginase et la glutaminase qui catalysent la réaction de désamiDation repectivement de l'asparagine et de la glutamine.

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3c. L'ammoniac

L'ammoniac est une molécule extrémement toxique pour la cellule.

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En conséquence, quel que soit le mécanisme par lequel l'ammoniac est libéré (désamination directe, non oxydative et/ou désamidation), celui-ci se condense avec le glutamate pour former la glutamine (réaction catalysée par la glutamine synthétase).

Puis la glutamine, l'acide aminé le plus concentré dans le sang (450 à 600 µM), sert de transporteur de l'ammoniac jusqu'au foie ou jusqu'aux reins.

Dans chacun de ces organes, la glutaminase libére l'ammoniac de la glutamine par désamiDation

Au niveau des reins : l'ammoniac est éliminé dans l'urine sous forme d'ions ammonium. Cette élimination est d'autant plus importante qu'elle permet non seulement d'éliminer l'ammoniac mais aussi une grande quantité d'ions H+ formés au cours de diverses réactions métaboliques. 

Dans le foie : l'ammoniac va être transformé en urée : c'est ce que l'on appelle l'uréogénèse ou cycle de l'urée. L'urée est ensuite véhiculée par la circulation jusqu'aux reins d'où elle est éliminée par l'urine.

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4. Le cycle de l'urée

Présentation générale :

  • le cycle de l'urée prend en charge l'ammoniac issu de la dégradation des groupements azotés des acides aminés
  • il fût élucidé par Hans Krebs et Kurt Henseleit en 1932 peu de temps avant la description du cycle du citrate par Hans Krebs
  • chez les Mammifères ce cycle se déroule uniquement dans le foie
  • deux des cinq réactions ont lieu dans la mitochondrie, les trois autres se déroulent dans le cytosol
  • ainsi le fonctionnement du cycle de l'urée requiert la présence de deux transporteurs entre la matrice mitochondriale et le cytosol : le transporteur citrulline - ornithine et la translocase glutamate - aspartate

a. formation de carbamylphosphate

  • le groupe phosphate en position γ d'une 1ère molécule d'ATP réagit avec le bicarbonate pour former du carbonyl phosphate
  • l'attaque nucléophile de l'azote de l'ammoniac déplace le phosphate pour former un intermédiaire tétrahédrique
  • cet intermédiaire est déphosphorylé pour former du carbamate
  • enfin, le groupe phosphate γ d'une seconde molécule d'ATP est transféré pour former le carbamylphosphate
  • l'enzyme qui catalyse cette réaction est la carbamyl phosphate synthétase. Cette enzyme est l'une des enzymes prépondérantes des cellules hépatiques
b. synthèse de la citrulline
  • Krebs et Henseleit avaient remarqué que la synthèse d'urée augmentait trés sensiblement en présence d'ornithine : en effet, le groupe carbonyle du carbamyl phosphate subit une attaque nucléophile par l'azote du groupe δ-aminé de l'ornithine
  • par réarrangement interne de l'intermédiaire formé, il y a libération de phosphate inorganique et de citrulline
  • cette réaction est catalysée par l'ornithine transcarbamylase
c. synthèse de l'arginosuccinate
  • le carbonyle du groupement amide de la citrulline se condense avec la partie AMP d'une molécule d'ATP pour former la cytrullyl-AMP
  • cet AMP est chassé par l'attaque nucléophile de l'azote du groupement aminé de l'aspartate. Il en résulte la formation d'arginosuccinate
  • l'aspartate provient essentiellement de l'alanine formée dans le muscle par transamination du pyruvate
  • cette réaction est catalysée par l'arginosuccinate synthétase
d. synthèse de l'arginine
  • cette réaction correspond à la scission de l'arginosuccinate en arginine et fumarate
  • le fumarate est converti en glucose et CO2
  • la réaction est catalysée par l'arginosuccinate lyase
e. synthèse de l'urée
  • la dernière réaction correspond à l'hydrolyse du groupement guanidinium de l'arginine qui forme l'urée
  • l'ornithine libérée entre dans un nouveau cycle pour réagir avec le carbamyl phosphate
  • la réaction est catalysée par l'arginase

5. Bilan de la synthèse de l'urée et conclusion

CO2 + NH4+ + 3 ATP + Asp + 2 H2O   ------->   UREE + 2 ADP + 2 Pi + AMP + PPi + fumarate 

  • un atome d'azote de l'urée provient de l'ammoniac, l'autre de l'aspartate
  • presque tous les acides aminés servent de donneurs de groupe aminé en formant du glutamate par transamination
  • chez l'homme, il est extrèmement important qu'il y ait un apport d'arginine par l'alimentation. En effet, la quantité qu'il est capable de synthétiser est insuffisante pour entrer dans la composition des protéines et servir à la production d'urée

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