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Title stringclasses 18 values	Content stringlengths 30 5k ⌀
Biochimie_Lippincott	ph re uniquement par diffusion limite consid rablement la taille des organismes. Les syst mes circulatoires surmontent ce ph nom ne, mais les mol cules de transport telles que l'h moglobine sont galement n cessaires car l'O2 n'est que l g rement soluble dans les solutions aqueuses telles que le sang. 1. Structure quaternaire : Le t tram re d'h moglobine peut tre envisag comme compos de deux dim res identiques, ( )1 et ( )2. Les deux cha nes polypeptidiques l'int rieur de chaque dim re sont maintenues troitement ensemble principalement par des interactions hydrophobes (Fig. 3.4). [Remarque : Dans ce cas, les r sidus d'acides amin s hydrophobes sont localis s non seulement l'int rieur de la mol cule, mais galement dans une r gion la surface de chaque sous-unit . De multiples interactions hydrophobes intercha nes forment de fortes associations entre les sous-unit s et les sous-unit s dans les dim res.] En revanche, les deux dim res sont maintenus ensemble principalement par des liaisons polaires. Les interactions plus faibles entre les dim res leur permettent de se d placer les uns par rapport aux autres. Ce mouvement fait que les deux dim res occupent des positions relatives diff rentes dans la d soxyh moglobine par rapport l'oxyh moglobine (voir Fig. 3.4). un. Forme T : La forme d soxy de l'h moglobine est appel e forme T ou forme tendue (tendue). Dans la forme T, les deux dim res interagissent par le biais d'un r seau de liaisons ioniques et de liaisons hydrog ne qui contraignent le mouvement des cha nes polypeptidiques. La conformation T est la forme de l'h moglobine faible affinit d'oxyg ne. b. Forme R : La liaison de l'O2 l'h moglobine provoque la rupture d'une partie des liaisons polaires entre les deux dim res , permettant le mouvement. Plus pr cis ment, la liaison de l'O2 l'h me Fe2+ tire le fer dans le plan de l'h me (Fig. 3.5). Parce que le fer est galement li l'histidine proximale (F8), le mouvement r sultant des cha nes de globine modifie l'interface entre les dim res . Cela conduit une structure appel e R , ou forme d tendue (voir Fig. 3.4). La conformation R est la forme de l'h moglobine haute affinit d'oxyg ne. l'oxyg ne (O2) n'est pas li . B. Dans le plan de l'h me lors de la liaison l'O2. D. Liaison de l'oxyg ne la myoglobine et l'h moglobine La myoglobine ne peut lier qu'une seule mol cule d'O2, car elle ne contient qu'un seul groupe h me. En revanche, l'h moglobine peut se lier quatre mol cules d'O2, une chacun de ses quatre groupes h mes. Le degr de saturation (Y) de ces sites de liaison l'oxyg ne sur toutes les mol cules de myoglobine ou d'h moglobine peut varier entre z ro (tous les sites sont vides) et 100 % (tous les sites sont pleins), comme le montre la figure 3.6. [Remarque : L'oxym trie de pouls est une m thode ind pendante et non invasive de mesure de la saturation en oxyg ne du sang art riel en fonction des diff rences d'absorption de la lumi re par l'oxyh moglobine et la d soxyh moglobine.] 1. Courbe de dissociation de l'oxyg ne : Un graphique de Y mesur diff rentes pressions partielles d'oxyg ne (pO2) est appel courbe de dissociation de l'oxyg ne. [Remarque : la pO2 peut galement tre repr sent e par la PO2.] Les courbes de la myoglobine et de l'h moglobine montrent des diff rences importantes (voir Fig. 3.6). Ce graphique illustre que la myoglobine a une affinit pour l'oxyg ne plus lev e toutes les valeurs de pO2 que l'h moglobine. La pression partielle d'oxyg ne n cessaire pour atteindre la moiti de la saturation des sites de liaison (P50) est de ~1 mm Hg pour la myoglobine et de 26 mm Hg pour l'h moglobine. Plus l'affinit pour l'oxyg ne est lev e (c'est- -dire plus l'O2 se lie troitement), plus le P50 est faible. a. Myoglobine : La courbe de dissociation de l'oxyg ne de la myoglobine a une forme hyperbolique (voir Fig. 3.6). Cela refl te le fait que la myoglobine se lie de mani re r versible une seule mol cule d'O2. Ainsi, la myoglobine oxyg n e (MbO2) et d soxyg n e (Mb) existe dans un quilibre simple : L' quilibre est d plac vers la droite ou vers la gauche lorsque l'O2 est ajout ou retir du syst me. [Remarque : La myoglobine est con ue pour lier l'O2 lib r par l'h moglobine la faible pO2 trouv e dans le muscle. La myoglobine, son tour, lib re de l'O2 dans la cellule musculaire en r ponse la demande en oxyg ne.] b. H moglobine : La courbe de dissociation de l'oxyg ne pour l'h moglobine est de forme sigmo dale (voir Fig. 3.6), indiquant que les sous-unit s coop rent dans la liaison O2. La liaison coop rative de l'O2 par les quatre sous-unit s de l'h moglobine signifie que la liaison d'une mol cule d'oxyg ne une sous-unit augmente l'affinit pour l'oxyg ne des sous-unit s restantes dans le m me t tram re d'h moglobine (Fig. 3.7). Bien qu'il soit plus difficile pour la premi re mol cule d'oxyg ne de se lier l'h moglobine, la liaison ult rieure des mol cules d'oxyg ne se produi
Biochimie_Lippincott	t avec une grande affinit , comme le montre la courbe ascendante abrupte dans la r gion proche de 20-30 mm Hg (voir Fig. 3.6). E. Effecteurs allost riques La capacit de l'h moglobine se lier de mani re r versible l'O2 est affect e par la pO2, le pH de l'environnement, la pression partielle du dioxyde de carbone (pCO2) et la disponibilit du 2,3-bisphosphoglyc rate (2,3-BPG). Ceux-ci sont collectivement appel s effecteurs allost riques ( autres sites ), car leur interaction un site sur la mol cule d'h moglobine t tram re provoque des changements structurels qui affectent la liaison de l'O2 au fer h minique d'autres sites de la mol cule. [Remarque : La liaison de l'O2 la myoglobine monom re n'est pas influenc e par les effecteurs allost riques.] 1. Oxyg ne : La courbe de dissociation de l'oxyg ne sigmo dal refl te des changements structurels sp cifiques qui sont initi s une sous-unit et transmis d'autres sous-unit s du t tram re d'h moglobine. L'effet net de cette coop rativit est que l'affinit de l'h moglobine pour la derni re mol cule d'oxyg ne li e est ~300 fois sup rieure son affinit pour la premi re mol cule d'oxyg ne li e. L'oxyg ne est donc un effecteur allost rique de l'h moglobine. Il stabilise la forme R. un. Chargement et d chargement de l'oxyg ne : La liaison coop rative de l'O2 permet l'h moglobine de fournir plus d'O2 aux tissus en r ponse des changements relativement faibles de la pO2. On peut le voir sur la figure 3.6, qui indique la pO2 dans les alv oles du poumon et les capillaires des tissus. Par exemple, dans les poumons, la concentration d'oxyg ne est lev e et l'h moglobine devient pratiquement satur e (ou charg e ) d'O2. En revanche, dans les tissus p riph riques, l'oxyh moglobine lib re (ou d charge ) une grande partie de son O2 pour l'utiliser dans le m tabolisme oxydatif des tissus (Fig. 3.8). b. Importance de la courbe de dissociation de l'oxyg ne sigmo dale : La pente abrupte de la courbe de dissociation de l'oxyg ne sur la plage des concentrations d'oxyg ne qui se produisent entre les poumons et les tissus permet l'h moglobine de transporter et de d livrer efficacement l'O2 des sites de pO2 lev s aux sites de faible pO2. Une mol cule avec une courbe hyperbolique de dissociation de l'oxyg ne, telle que la myoglobine, ne pourrait pas atteindre le m me degr de lib ration d'O2 dans cette plage de pO2. Au lieu de cela, il aurait une affinit maximale pour l'O2 dans toute cette plage de pression d'oxyg ne et, par cons quent, ne fournirait pas d'O2 aux tissus. 2. Effet Bohr : La lib ration d'O2 par l'h moglobine est augment e lorsque le pH est abaiss (la concentration de protons [H+] est augment e) ou lorsque l'h moglobine est en pr sence d'une pCO2 accrue. Les deux entra nent une diminution de l'affinit de l'h moglobine pour l'oxyg ne et, par cons quent, un d calage vers la droite de la courbe de dissociation de l'oxyg ne (Fig. 3.9). Les deux stabilisent alors la forme T (d soxy). Ce changement dans la liaison de l'oxyg ne s'appelle l'effet Bohr. l'inverse, l'augmentation du pH ou la baisse de la concentration de CO2 entra ne une plus grande affinit pour l'oxyg ne, un d calage vers la gauche de la courbe de dissociation de l'oxyg ne et une stabilisation de la forme R (oxy). un. Source des protons qui abaissent le pH : La concentration de H+ et Le CO2 dans les capillaires des tissus m taboliquement actifs est plus lev que celui observ dans les capillaires alv olaires des poumons, o le CO2 est lib r dans l'air expir . Dans les tissus, le CO2 est converti par l'anhydrase carbonique contenant du zinc en acide carbonique : qui perd spontan ment un H+, devenant du bicarbonate (le principal tampon sanguin) : Le H+ produit par cette paire de r actions contribue l'abaissement du pH. Ce gradient de pH diff rentiel (c'est- -dire que les poumons ont un pH plus lev et les tissus un pH plus bas) favorise la d charge d'O2 dans les tissus p riph riques et la charge d'O2 dans les poumons. Ainsi, l'affinit pour l'oxyg ne de la mol cule d'h moglobine r pond de petits changements de pH entre les poumons et les tissus consommateurs d'oxyg ne, ce qui fait de l'h moglobine un transporteur plus efficace de l'O2. b. M canisme de l'effet Bohr : L'effet Bohr refl te le fait que la forme d soxy de l'h moglobine a une plus grande affinit pour H+ que l'oxyh moglobine. Ceci est caus par des groupes ionisables tels que des cha nes lat rales d'histidine sp cifiques qui ont un pKa plus lev (voir p. 6) dans la d soxyh moglobine que dans l'oxyh moglobine. Par cons quent, une augmentation de la concentration de H+ (entra nant une diminution du pH) fait que ces groupes deviennent proton s (charg s) et capables de former des liaisons ioniques (ponts salins). Ces liaisons stabilisent pr f rentiellement la forme d soxy de l'h moglobine, produisant une diminution de l'affinit pour l'oxyg ne. [Remarque : L'h moglobine est donc un tampon sanguin important.] L'ef
Biochimie_Lippincott	fet de Bohr peut tre repr sent sch matiquement comme suit : o une augmentation de H+ (ou une pO2 plus faible) d place l' quilibre vers la droite (favorisant la d soxyh moglobine), tandis qu'une augmentation de la pO2 (ou une diminution de H+) d place l' quilibre vers la gauche. 3. Effet du 2,3-BPG sur l'affinit de l'oxyg ne : Le 2,3-BPG est un r gulateur important de la liaison de l'O2 l'h moglobine. C'est le phosphate organique le plus abondant dans les globules rouges, o sa concentration est approximativement celle de l'h moglobine. Le 2,3-BPG est synth tis partir d'un interm diaire de la voie glycolytique (Fig. 3.10 ; voir p. 101 pour une discussion sur la synth se du 2,3-BPG dans la glycolyse). un. Liaison du 2,3-BPG la d soxyh moglobine : Le 2,3-BPG diminue l'affinit de l'hh moglobine pour l'oxyg ne en se liant la d soxyh moglobine, mais pas l'oxyh moglobine. Cette liaison pr f rentielle stabilise la conformation T de la d soxyh moglobine. L'effet de la liaison du 2,3-BPG peut tre repr sent sch matiquement comme suit : b. Site de liaison du 2,3-BPG : Une mol cule de 2,3-BPG se lie une poche, form e par les deux cha nes de -globine, au centre du t tram re de d soxyh moglobine (Fig. 3.11). Cette poche contient plusieurs acides amin s charg s positivement qui forment des liaisons ioniques avec les groupes phosphate charg s n gativement du 2,3-BPG. [Remarque : Le remplacement de l'un de ces acides amin s peut entra ner des variantes de l'h moglobine avec une affinit anormalement lev e pour l'oxyg ne qui peut tre compens e par une augmentation de la production de globules rouges ( rythrocytose).] L'oxyg nation de l'h moglobine r tr cit la poche et provoque la lib ration de 2,3-BPG. c. D calage de la courbe de dissociation de l'oxyg ne : L'h moglobine dont le 2,3-BPG a t retir a une affinit lev e pour l'oxyg ne. Cependant, comme on l'a vu dans le GR, la pr sence de 2,3-BPG r duit significativement l'affinit de l'h moglobine pour l'oxyg ne, en d pla ant la courbe de dissociation de l'oxyg ne vers la droite (Fig. 3.12). Cette affinit r duite permet l'h moglobine de lib rer efficacement l'O2 aux pressions partielles trouv es dans les tissus. d. Taux de 2,3-BPG dans l'hypoxie ou l'an mie chronique : La concentration de 2,3-BPG dans les globules rouges augmente en r ponse l'hypoxie chronique, comme celle observ e dans la bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO) comme l'emphys me, ou haute altitude, o l'h moglobine circulante peut avoir du mal recevoir suffisamment d'O2. Les niveaux intracellulaires de 2,3-BPG sont galement lev s dans l'an mie chronique, dans laquelle moins de globules rouges que la normale sont disponibles pour r pondre aux besoins en oxyg ne du corps. Des taux lev s de 2,3-BPG r duisent l'affinit de l'h moglobine pour l'oxyg ne, ce qui permet une plus grande d charge d'O2 dans les capillaires des tissus (voir Fig. 3.12). e. 2,3-BPG dans le sang transfus : Le 2,3-BPG est essentiel la fonction normale de transport de l'oxyg ne de l'h moglobine. Cependant, le stockage du sang dans les milieux actuellement disponibles entra ne l' puisement progressif du 2,3BPG. Par cons quent, le sang stock pr sente une affinit anormalement lev e pour l'oxyg ne et ne parvient pas d charger correctement son O2 li dans les tissus. Ainsi, l'h moglobine d ficiente en 2,3-BPG agit comme un pi ge oxyg ne plut t que comme un syst me d'administration d'oxyg ne. Les globules rouges transfus s sont en mesure de r tablir leurs r serves puis es de 2,3-BPG en 6 24 heures. Cependant, les patients gravement malades peuvent tre compromis s'ils sont transfus s avec de grandes quantit s de sang appauvri en 2,3-BPG. Le sang stock est donc trait avec une solution de rajeunissement qui restaure rapidement le 2,3-BPG. [Remarque : le rajeunissement restaure galement l'ATP perdu pendant le stockage.] 4. Liaison au CO2 : La majeure partie du CO2 produit dans le m tabolisme est hydrat e et transport e sous forme d'ion bicarbonate (voir Fig. 1.12 p. 9). Cependant, une partie du CO2 est transport e sous forme de carbamate li aux groupes amin s terminaux de l'h moglobine (formant la carbaminoh moglobine comme le montre la figure 3.8), qui peuvent tre repr sent s sch matiquement comme suit : La liaison du CO2 stabilise la forme T, ou d soxy, de l'h moglobine, ce qui entra ne une diminution de son affinit pour l'oxyg ne (voir p. 28) et un d calage vers la droite de la courbe de dissociation de l'oxyg ne. Dans les poumons, le CO2 se dissocie de l'h moglobine et est lib r dans l'haleine. 5. Liaison au CO : Le monoxyde de carbone (CO) se lie troitement (mais de mani re r versible) l'h moglobine fer, formant de la carboxyh moglobine. Lorsque le CO se lie un ou plusieurs des quatre sites h mes, l'h moglobine se d place vers la conformation R, ce qui fait que les sites h mes restants se lient l'O2 avec une grande affinit . Cela d place la courbe de disso
Biochimie_Lippincott	ciation de l'oxyg ne vers la gauche et modifie la forme sigmo dale normale vers une hyperbole. En cons quence, l'h moglobine affect e est incapable de lib rer de l'O2 dans les tissus (Fig. 3.13). [Remarque : L'affinit de l'h moglobine pour le CO est 220 fois sup rieure celle de l'O2. Par cons quent, m me des concentrations infimes de CO dans l'environnement peuvent produire des concentrations toxiques de carboxyh moglobine dans le sang. Par exemple, des niveaux accrus de CO sont trouv s dans le sang des fumeurs de tabac. La toxicit du CO semble r sulter d'une combinaison d'hypoxie tissulaire et de dommages directs m di s par le CO au niveau cellulaire.] L'intoxication au CO est trait e avec 100% d'O2 haute pression (oxyg noth rapie hyperbare), ce qui facilite la dissociation du CO de l'h moglobine. [Remarque : Le CO inhibe le complexe IV de la cha ne de transport d' lectrons (voir p. 76).] En plus de l'O2, du CO2 et du CO, le monoxyde d'azote (NO) est galement transport par l'h moglobine. Le NO est un vasodilatateur puissant (voir p. 151). Il peut tre r cup r (r cup r ) ou lib r des globules rouges, ce qui permet de moduler la disponibilit du NO et d'influencer le diam tre du r cipient. F. H moglobines mineures Il est important de se rappeler que l'h moglobine A humaine (HbA) n'est qu'un membre d'une famille de prot ines fonctionnellement et structurellement apparent es, les h moglobines (Fig. 3.14). Chacune de ces prot ines transportant l'oxyg ne est un t tram re, compos de deux polypeptides de -globine (ou de type ) et de deux polypeptides de globine (ou de type ). Certaines h moglobines, comme l'HbF, ne sont normalement synth tis es qu'au cours du d veloppement f tal, tandis que d'autres, comme l'HbA2, sont synth tis es chez l'adulte, bien qu' des niveaux faibles par rapport l'HbA. L'HbA peut galement tre modifi e par l'ajout covalent d'un hexose (voir 3. ci-dessous). 1. H moglobine f tale : L'HbF est un t tram re compos de deux cha nes identiques celles trouv es dans l'HbA, plus deux cha nes ( 2 2 ; voir Fig. 3.14). Les cha nes sont membres de la famille des g nes de la -globine (voir p. 34). un. Synth se de l'HbF au cours du d veloppement : Au cours du premier mois suivant la conception, les h moglobines embryonnaires telles que Hb Gower 1, compos es de deux cha nes z ta ( ) de type et de deux cha nes epsilon ( ) de type ( 2 2), sont synth tis es par le sac vitellin embryonnaire. Au cours de la cinqui me semaine de gestation, le site de synth se de la globine se d place, d'abord vers le foie, puis vers la moelle osseuse, et le produit principal est l'HbF. L'HbF est la principale h moglobine trouv e chez le f tus et le nouveau-n , repr sentant ~60% de l'h moglobine totale dans les globules rouges au cours des derniers mois de la vie f tale (Fig. 3.15). La synth se de l'HbA commence dans la moelle osseuse vers le huiti me mois de la grossesse et remplace progressivement l'HbF. La figure 3.15 montre la production relative de chaque type de cha ne d'h moglobine au cours de la vie f tale et postnatale. [Remarque : L'HbF repr sente <2 % de l'h moglobine chez la plupart des adultes et est concentr e dans les globules rouges connus sous le nom de cellules F.] b. Liaison du 2,3-BPG l'HbF : Dans des conditions physiologiques, l'HbF a une affinit pour l'oxyg ne plus lev e que l'HbA, car l'HbF ne se lie que faiblement au 2,3-BPG. [Remarque : Les cha nes de globine de HbF manquent de certains des acides amin s charg s positivement qui sont responsables de la liaison du 2,3BPG dans les cha nes de globine .] tant donn que le 2,3-BPG sert r duire l'affinit de l'hammoglobine pour l'oxyg ne, l'interaction plus faible entre le 2,3BPG et l'HbF entra ne une affinit pour l'oxyg ne plus lev e pour l'HbF par rapport l'HbA. En revanche, si l'HbA et l'HbF sont toutes deux d pouill es de leur 2,3-BPG, elles ont alors une affinit similaire pour l'oxyg ne. L'affinit plus lev e de l'HbF pour l'oxyg ne facilite le transfert de l'O2 de la circulation maternelle travers le placenta vers les globules rouges du f tus. 2. H moglobine A2 : L'HbA2 est un composant mineur de l'h moglobine adulte normale, apparaissant pour la premi re fois peu de temps avant la naissance et, finalement, constituant ~2 % de l'h moglobine totale. Il est compos de deux cha nes -globine et de deux cha nes -globine ( 2 2 ; voir Fig. 3.14). 3. H moglobine A1c : Dans des conditions physiologiques, l'HbA est lentement glyqu e (condens e de mani re non enzymatique avec un hexose), l' tendue de la glycation d pendant de la concentration plasmatique de l'hexose. La forme la plus abondante d'h moglobine glyqu e est l'HbA1c. Il a des r sidus de glucose attach s principalement aux groupes amin s des valines N-terminales des cha nes globine (Fig. 3.16). Des quantit s accrues d'HbA1c sont observ es dans les globules rouges des patients atteints de diab te sucr , car leur HbA est en contact avec des concen
Biochimie_Lippincott	trations de glucose plus lev es au cours de la vie de 120 jours de ces cellules. (Voir p. 340 pour une discussion sur l'utilisation des taux d'HbA1c dans l' valuation de la glyc mie moyenne chez les patients diab tiques.) III. ORGANISATION DU G NE DE LA GLOBINE Pour comprendre les maladies r sultant d'alt rations g n tiques de la structure ou de la synth se de l'h moglobine, il est n cessaire de comprendre comment les g nes de l'h moglobine, qui dirigent la synth se des diff rentes cha nes de globine, sont structurellement organis s en familles de g nes et comment ils sont exprim s. A. Famille -Gene Les g nes codant pour les sous-unit s -globine et -globine des cha nes d'h moglobine se trouvent dans deux groupes de g nes distincts (ou familles) situ s sur deux chromosomes diff rents (Fig. 3.17). Le groupe de g nes sur le chromosome 16 contient deux g nes pour les cha nes de globine . Il contient galement le g ne qui est exprim au d but du d veloppement en tant que composant de type -globine de l'h moglobine embryonnaire. [Remarque : Les familles de g nes de la globine contiennent galement des g nes semblables la globine qui ne sont pas exprim s, c'est- -dire que leur information g n tique n'est pas utilis e pour produire des cha nes de globine. On les appelle des pseudog nes.] B. Famille des g nes Un seul g ne de la cha ne -globine est situ sur le chromosome 11 (voir Fig. 3.17). Il existe quatre autres g nes de type -globine : le g ne (qui, comme le g ne , est exprim t t dans le d veloppement embryonnaire), deux g nes (G et A qui sont exprim s en HbF) et le g ne qui code pour la cha ne de globine trouv e dans l'h moglobine adulte mineure HbA2. C. tapes de la synth se de la cha ne de globine L'expression d'un g ne de la globine commence dans le noyau des pr curseurs des globules rouges, o la s quence d'ADN codant pour le g ne est transcrite. L'acide ribonucl ique (ARN) produit par transcription est en fait un pr curseur de l'ARN messager (ARNm) qui est utilis comme matrice pour la synth se d'une cha ne de globine. Avant qu'il puisse remplir cette fonction, deux tron ons non codants d'ARN (introns) doivent tre retir s de la s quence pr curseur de l'ARNm et les trois fragments restants (exons) assembl s de mani re lin aire. L'ARNm mature qui en r sulte p n tre dans le cytosol, o son information g n tique est traduite, produisant une cha ne de globine. (La figure 3.18 pr sente un r sum de ce processus. Une description plus d taill e de l'expression des g nes est pr sent e dans l'Unit VII, chapitres 30 32.) IV. H MOGLOBINOPATHIES Les h moglobinopathies sont d finies comme un groupe de troubles g n tiques caus s par la production d'une mol cule d'h moglobine structurellement anormale, la synth se de quantit s insuffisantes d'h moglobine normale ou, rarement, les deux. La dr panocytose (HbS), la maladie de l'h moglobine C (HbC), la maladie de l'h moglobine SC (HbS + HbC = HbSC) et les thalass mies sont des h moglobinopathies repr sentatives qui peuvent avoir des cons quences cliniques graves. Les trois premi res affections r sultent de la production d'h moglobine avec une s quence d'acides amin s alt r e (h moglobinopathie qualitative), tandis que les thalass mies sont caus es par une diminution de la production d'h moglobine normale (h moglobinopathie quantitative). A. Dr panocytose (maladie de l'h moglobine S) L'an mie falciforme, la plus fr quente des maladies falciformes des globules rouges, est une maladie g n tique caus e par une substitution nucl otidique unique (une mutation ponctuelle, voir p. 449) dans le g ne de la -globine. C'est la maladie sanguine h r ditaire la plus courante aux tats-Unis, affectant 50 000 Am ricains. Il se produit principalement dans la population afro-am ricaine, affectant 1 nouveau-n afro-am ricain sur 500. L'an mie falciforme est une maladie autosomr cessive. Elle se produit chez les individus qui ont h rit de deux g nes mutants (un de chaque parent) qui codent pour la synth se des cha nes des mol cules de globine. [Remarque : La cha ne -globine mutante est appel e S, et l'h moglobine r sultante, 2 S2, est appel e HbS.] Un nourrisson ne commence pas pr senter des sympt mes de la maladie tant qu'une quantit suffisante d'HbF a t remplac e par de l'HbS pour que la dr panocytose puisse survenir (voir p. 36). L'an mie falciforme se caract rise par des pisodes de douleur tout au long de la vie ( crises ), une an mie h molytique chronique associ e une hyperbilirubin mie (voir p. 284) et une susceptibilit accrue aux infections, commen ant g n ralement dans la petite enfance. [Remarque : La dur e de vie d'un globule rouge dans le cas de l'an mie falciforme est de <20 jours, comparativement 120 jours pour le globule rouge normal, d'o l'an mie.] D'autres sympt mes comprennent le syndrome thoracique aigu, l'accident vasculaire c r bral, la dysfonction spl nique et r nale et les modifications osseuses dues l'hyperpla
Biochimie_Lippincott	sie de la moelle osseuse. L'esp rance de vie est r duite. Les h t rozygotes, qui repr sentent 1 Afro-Am ricain sur 12, ont un g ne normal et un g ne de la dr panocytose. Les cellules sanguines de ces h t rozygotes contiennent la fois de l'HbS et de l'HbA, et ces individus ont un trait dr panocytaire. Ils ne pr sentent g n ralement pas de sympt mes cliniques (mais peuvent dans des conditions d'effort physique extr me avec d shydratation) et peuvent avoir une dur e de vie normale. 1. Substitution d'acides amin s dans les cha nes de l'HbS : Une mol cule d'HbS contient deux cha nes normales de -globine et deux cha nes -globine mutantes ( S), dans lesquelles le glutamate en position six a t remplac par de la valine (Fig. 3.19). Par cons quent, lors de l' lectrophor se pH alcalin, l'HbS migre plus lentement vers l'anode ( lectrode positive) que l'HbA (Fig. 3.20). Cette mobilit alt r e de l'HbS est le r sultat de l'absence de la Des r sidus de glutamate charg s n gativement dans les deux cha nes , rendant ainsi l'HbS moins n gative que l'HbA. [Remarque : L' lectrophor se de l'h moglobine obtenue partir de globules rouges lys s est couramment utilis e dans le diagnostic de la dr panocytose et de l'an mie falciforme (ou dr panocytose). L'analyse de l'ADN est galement utilis e (voir p. 493).] 2. Fauciforme et anoxie tissulaire : Le remplacement du glutamate charg par la valine non polaire forme une protub rance sur la cha ne qui s'ins re dans un site compl mentaire sur la cha ne d'une autre mol cule d'h moglobine dans la cellule (Fig. 3.21). faible tension d'oxyg ne, la d soxyh moglobine S polym rise l'int rieur du GR, formant un r seau de polym res fibreux insolubles qui rigidifient et d forment la cellule, produisant des GRC rigides et difformes. Ces cellules falciformes bloquent fr quemment la circulation sanguine dans les capillaires troits. Cette interruption de l'apport d'O2 entra ne une anoxie localis e (privation d'oxyg ne) dans les tissus, provoquant des douleurs et ventuellement la mort isch mique (infarctus) des cellules proximit du blocage. L'anoxie entra ne galement une augmentation de l'HbS d soxyg n e. [Remarque : Le diam tre moyen des globules rouges est de 7,5 m, tandis que celui de la microvascularisation est de 3 4 m. Par rapport aux globules rouges normaux, les cellules falciformes ont une capacit r duite se d former et une tendance accrue adh rer aux parois des vaisseaux. Cela rend difficile le d placement travers les petits vaisseaux, provoquant ainsi une occlusion microvasculaire.] 3. Variables qui augmentent la dr panocytose : L' tendue de la dr panocytose et, par cons quent, la gravit de la maladie sont renforc es par toute variable qui augmente la proportion d'HbS l' tat d soxy (c'est- -dire qui r duit l'affinit de l'HbS pour l'oxyg ne). Ces variables comprennent la diminution de la pO2, l'augmentation de la pCO2, la diminution du pH, la d shydratation et une augmentation de la concentration de 2,3-BPG dans les globules rouges. 4. Traitement : Le traitement implique une hydratation ad quate, des analg siques, une antibioth rapie agressive en cas d'infection et des transfusions chez les patients haut risque d'occlusion mortelle des vaisseaux sanguins. Les transfusions intermittentes de globules rouges garnis r duisent le risque d'accident vasculaire c r bral, mais les avantages doivent tre mis en balance avec les complications de la transfusion, qui comprennent une surcharge en fer pouvant entra ner une h mosid rose (voir p. 404), des infections transmissibles par le sang et des complications immunologiques. L'hydroxyur e (hydroxycarbamide), un m dicament antitumoral, est utile sur le plan th rapeutique car il augmente les taux circulants d'HbF, ce qui diminue la dr panocytose des globules rouges. Cela permet de diminuer la fr quence des crises douloureuses et de r duire la mortalit . La greffe de cellules souches est possible. [Remarque : La morbidit et la mortalit associ es l'an mie falciforme ont conduit son inclusion dans les panels de d pistage n onatal pour permettre l'antibioth rapie prophylactique peu de temps apr s la naissance d'un enfant atteint.] 5. Avantage s lectif possible de l' tat h t rozygote : La fr quence lev e de la mutation S chez les Africains noirs, malgr ses effets n fastes dans l' tat homozygote, sugg re qu'il existe un avantage s lectif pour les individus h t rozygotes. Par exemple, les h t rozygotes pour le g ne de la dr panocytose sont moins sensibles au paludisme s v re caus par le parasite Plasmodium falciparum. Cet organisme passe une partie obligatoire de son cycle de vie dans le GR. Une th orie est que, parce que ces cellules chez les individus h t rozygotes pour l'HbS, comme celles chez les homozygotes, ont une dur e de vie plus courte que la normale, le parasite ne peut pas terminer l' tape intracellulaire de son d veloppement. Cela peut donner un avantage s lectif aux h t rozygotes vivant d
Biochimie_Lippincott	ans des r gions o le paludisme est une cause majeure de d c s. Par exemple, en Afrique, la r partition g ographique de la dr panocytose est similaire celle du paludisme. B. Maladie de l'h moglobine C Comme l'HbS, l'HbC est une variante de l'h moglobine qui a une substitution d'un seul acide amin en sixi me position de la cha ne -globine (voir Fig. 3.19). Dans l'HbC, cependant, une lysine est substitu e au glutamate (par rapport une substitution de valine dans l'HbS). [Remarque : Cette substitution fait que l'HbC se d place plus lentement vers l'anode que l'HbA ou l'HbS (voir Fig. 3.20).] Les rares patients homozygotes pour l'HbC pr sentent g n ralement une an mie h molytique chronique relativement b nigne. Ils ne souffrent pas de crises d'infarctus et aucune th rapie sp cifique n'est n cessaire. C. Maladie de l'h moglobine SC L'HbSC est une autre dr panocytose des globules rouges. Dans cette maladie, certaines cha nes de -globine ont la mutation de la dr panocytose, tandis que d'autres cha nes de -globine portent la mutation trouv e dans la maladie HbC. [Remarque : Les patients atteints d'HbSC sont doublement h t rozygotes. Ils sont appel s h t rozygotes compos s parce que leurs deux g nes de globine sont anormaux, bien que diff rents l'un de l'autre.] Les taux d'h moglobine ont tendance tre plus lev s dans la maladie HbSC que dans l'an mie falciforme et peuvent m me se situer l'extr mit inf rieure de la fourchette normale. L' volution clinique de l'an mie HbSC chez l'adulte diff re de celle de l'an mie falciforme en ce que les sympt mes tels que les crises douloureuses sont moins fr quents et moins graves. Cependant, il existe une variabilit clinique importante. D. M th moglobin mies L'oxydation du fer h minique dans l'h moglobine de Fe2+ Fe3+ produit de la m th moglobine, qui ne peut pas lier l'O2. Cette oxydation peut tre acquise et provoqu e par l'action de certains m dicaments, tels que les nitrates, ou de produits endog nes tels que les esp ces r actives de l'oxyg ne (voir p. 148). L'oxydation peut galement r sulter de d fauts cong nitaux, par exemple, un d ficit en NADH-cytochrome b5 r ductase ( galement appel NADH-m th moglobine r ductase), l'enzyme responsable de la conversion de la m th moglobine (Fe3+) en h moglobine (Fe2+), entra ne l'accumulation de m th moglobine (Fig. 3.22). [Remarque : Les globules rouges des nouveau-n s ont environ la moiti de la capacit de ceux des adultes r duire la m th moglobine.] De plus, des mutations rares dans la cha ne de la ou de la -globine peuvent provoquer la production d'HbM, une h moglobine anormale r sistante la r ductase. Les m th moglobin mies sont caract ris es par une cyanose chocolat (une coloration bleue de la peau et des muqueuses et un sang de couleur brune) la suite de la m th moglobine de couleur fonc e. Les sympt mes sont li s au degr d'hypoxie tissulaire et comprennent l'anxi t , les maux de t te et la dyspn e. Dans de rares cas, le coma et la mort peuvent survenir. Le traitement se fait au bleu de m thyl ne, qui est oxyd mesure que le Fe3+ est r duit. E. Thalass mies Les thalass mies sont des maladies h molytiques h r ditaires dans lesquelles un d s quilibre se produit dans la synth se des cha nes de globine. En tant que groupe, il s'agit des maladies monog niques les plus courantes chez l'homme. Normalement, la synth se des cha nes et -globine est coordonn e, de sorte que chaque cha ne -globine a un partenaire de cha ne globine. Cela conduit la formation de 2 2 (HbA). Dans les thalass mies, la synth se de la cha ne ou -globine est d fectueuse et la concentration d'h moglobine est r duite. Une thalass mie peut tre caus e par une vari t de mutations, y compris des d l tions de g nes entiers, ou des substitutions ou des d l tions de l'un des nombreux nucl otides de l'ADN. [Remarque : Chaque thalass mie peut tre class e soit comme un trouble dans lequel aucune cha ne de globine n'est produite (thalass mie 0 ou 0), soit comme un trouble dans lequel certaines cha nes sont synth tis es mais un niveau r duit (thalass mie +-ou +-).] 1. -thalass mies : Dans ces troubles, la synth se des cha nes de -globine est diminu e ou absente, g n ralement la suite de mutations ponctuelles qui affectent la production d'ARNm fonctionnel. Cependant, la synth se de la cha ne de globine est normale. Les cha nes de globine en exc s ne peuvent pas former de t tram res stables et pr cipitent donc, provoquant la mort pr matur e des cellules initialement destin es devenir des globules rouges matures. Une augmentation de 2 2 (HbA2) et d' 2 2 (HbF) se produit galement. Il n'y a que deux copies du g ne de la -globine dans chaque cellule (une sur chaque chromosome 11). Par cons quent, les individus pr sentant des anomalies du g ne de la -globine ont soit un trait de -thalass mie ( -thalass mie mineure) s'ils n'ont qu'un seul g ne de la -globine d fectueux, soit une -thalass mie majeure (an mi
Biochimie_Lippincott	e de Cooley) si les deux g nes sont d fectueux (Fig. 3.23). Parce que le g ne de la -globine n'est exprim que tard dans le d veloppement pr natal, les manifestations physiques des -thalass mies n'apparaissent que plusieurs mois apr s la naissance. Les personnes atteintes de -thalass mie mineure fabriquent des cha nes et ne n cessitent g n ralement pas de traitement sp cifique. Cependant, les nourrissons n s avec une -thalass mie majeure semblent en bonne sant la naissance, mais deviennent gravement an miques, g n ralement au cours de la premi re ou de la deuxi me ann e de vie, en raison d'une rythropo se inefficace. Des modifications squelettiques r sultant d'une h matopo se extram dullaire sont galement observ es. Ces patients n cessitent des transfusions sanguines r guli res. [Remarque : Bien que ce traitement sauve des vies, l'effet cumulatif des transfusions est une surcharge en fer. Utilisation du fer La th rapie par ch lation a am lior la morbidit et la mortalit .] La seule option curative disponible est la greffe de cellules souches h matopo tiques. 2. -thalass mies : Dans ces troubles, la synth se des cha nes de -globine est diminu e ou absente, g n ralement la suite de mutations d l tionnelles. tant donn que le g nome de chaque individu contient quatre copies du g ne de la -globine (deux sur chaque chromosome 16), il existe plusieurs niveaux de d ficiences de la cha ne de -globine (Fig. 3.24). Si l'un des quatre g nes est d fectueux, l'individu est qualifi de porteur silencieux de la -thalass mie, car aucune manifestation physique de la maladie ne se produit. Si deux g nes de la -globine sont d fectueux, l'individu est d sign comme ayant un trait de -thalass mie. Si trois g nes de la -globine sont d fectueux, l'individu est atteint d'une maladie de l'h moglobine H ( 4), une an mie h molytique de gravit variable. Si les quatre g nes de la -globine sont d fectueux, il en r sulte une maladie de l'h moglobine Bart ( 4) avec un hydrops f tal et une mort f tale, car des cha nes de -globine sont n cessaires la synth se de l'HbF. [Remarque : L'avantage h t rozygote contre le paludisme est observ dans les -thalass mies et .] V. R SUM DU CHAPITRE L'h moglobine A (HbA), la principale h moglobine chez l'adulte, est compos e de quatre cha nes polypeptidiques (deux cha nes et deux cha nes , 2 2) maintenues ensemble par des interactions non covalentes (Fig. 3.25). Les sous-unit s occupent des positions relatives diff rentes dans la d soxyh moglobine par rapport l'oxyh moglobine. La forme d soxy de Hb est appel e conformation en T ou tendue (tendue). Il a une structure contrainte qui limite le mouvement des cha nes polypeptidiques. La forme T est la forme de l'Hb faible affinit pour l'oxyg ne. La liaison de l'oxyg ne (O2) au fer h minique provoque la rupture de certaines liaisons ioniques et hydrog ne, ainsi que le mouvement des dim res. Cela conduit une structure appel e R , ou conformation d tendue. La forme R est la forme de Hb haute affinit d'oxyg ne. La courbe de dissociation de l'oxyg ne pour l'Hb est de forme sigmo dale (contrairement celle de la myoglobine, qui est hyperbolique), indiquant que les sous-unit s coop rent dans la liaison O2. La liaison d'une mol cule d'oxyg ne un groupe h me augmente l'affinit pour l'oxyg ne des groupes h miques restants dans la m me mol cule d'Hb (coop rativit ). La capacit de l'Hb se lier de mani re r versible l'O2 est affect e par la pression partielle de l'oxyg ne (pO2), le pH de l'environnement, la pression partielle du dioxyde de carbone (pCO2) et la disponibilit du 2,3-bisphosphoglyc rate (2,3-BPG). Par exemple, la lib ration d'O2 par l'Hb est augment e lorsque le pH est abaiss ou que la pCO2 est augment e (l'effet Bohr), comme lors de l'exercice musculaire, et la courbe de dissociation de l'oxyg ne de l'Hb est d cal e vers la droite. Pour faire face long terme aux effets de l'hypoxie chronique ou de l'an mie, la concentration de 2,3-BPG dans les globules rouges augmente. Le 2,3-BPG se lie l'Hb et diminue son affinit pour l'oxyg ne. Il d place donc galement la courbe de dissociation de l'oxyg ne vers la droite. L'h moglobine f tale (HbF) se lie moins troitement au 2,3-BPG que l'HbA et a une affinit plus lev e pour l'oxyg ne. Le monoxyde de carbone (CO) se lie troitement (mais de mani re r versible) au fer Hb, formant de la carboxyh moglobine. Les h moglobinopathies sont des troubles principalement caus s soit par la production d'une mol cule d'Hb structurellement anormale, comme dans l'an mie falciforme, soit par la synth se de quantit s insuffisantes de sous-unit s normales de l'Hb, comme dans les thalass mies (Fig. 3.26). Choisissez UNE meilleure r ponse. .1. Laquelle des affirmations suivantes concernant les h moglobines est correcte ? L'HbA est l'h moglobine la plus abondante chez les adultes normaux. Le sang f tal a une affinit plus faible pour l'oxyg ne que le sang adu
Biochimie_Lippincott	lte, car l'HbF a une affinit accrue pour le 2,3-bisphosphoglyc rate. C. La composition de la cha ne globine de l'HbF est 2 2.D. L'HbA1c diff re de l'HbA par une substitution unique d'acides amin s d termin e g n tiquement. E. L'HbA2 appara t t t dans la vie f tale. Bonne r ponse = A. L'HbA repr sente plus de 90 % de l'h moglobine chez un adulte normal. Si l'HbA1c est incluse, le pourcentage passe ~97%. tant donn que le 2,3bisphosphoglyc rate (2,3-BPG) r duit l'affinit de l'h moglobine pour l'oxyg ne, l'interaction plus faible entre le 2,3-BPG et l'HbF entra ne une affinit pour l'oxyg ne plus lev e pour l'HbF par rapport l'HbA. L'HbF est constitu e d' 2 2. L'HbA1c est une forme glyqu e de l'HbA, form e de mani re non enzymatique dans les globules rouges. L'HbA2 est un composant mineur de l'h moglobine normale de l'adulte, apparaissant peu de temps avant la naissance et atteignant les niveaux adultes (~ 2 % de l'h moglobine totale) l' ge de 6 mois. .2. Laquelle des affirmations suivantes concernant la capacit de l'acidose pr cipiter une crise dr panocytaire est correcte ? A. L'acidose diminue la solubilit de l'HbS.B. L'acidose augmente l'affinit de l'h moglobine pour l'oxyg ne.C. L'acidose favorise la conversion de l'h moglobine de la conformation tendue la conformation d tendue. D. L'acidose d place la courbe de dissociation de l'oxyg ne vers la gauche.E. L'acidose diminue la capacit du 2,3-bisphosphoglyc rate se lier l'h moglobine. Bonne r ponse = A. L'HbS est significativement moins soluble dans la forme d soxyg n e que l'oxyh moglobine S. La diminution du pH (acidose) entra ne le d calage de la courbe de dissociation de l'oxyg ne vers la droite, indiquant une diminution de l'affinit de l'oxyg ne (augmentation de l'administration). Cela favorise la formation de la forme d soxy, ou tendue, de l'h moglobine et peut pr cipiter une crise dr panocytaire. La liaison du 2,3bisphosphoglyc rate est augment e, car il ne se lie qu' la forme d soxy de l'h moglobine. .3. Laquelle des affirmations suivantes concernant la fixation de l'oxyg ne par l'h moglobine est correcte ? Un. L'effet Bohr se traduit par une affinit pour l'oxyg ne plus faible des valeurs de pH plus lev es. Le dioxyde de carbone augmente l'affinit de l'h moglobine pour l'oxyg ne en se liant aux groupes C-terminaux des cha nes polypeptidiques. C. L'affinit de l'h moglobine pour l'oxyg ne augmente mesure que le pourcentage de saturation augmente. D. Le t tram re d'h moglobine se lie quatre mol cules de 2,3bisphosphoglyc rate.E. L'oxyh moglobine et la d soxyh moglobine ont la m me affinit pour les protons. Bonne r ponse = C. La liaison de l'oxyg ne un groupe h mique augmente l'affinit pour l'oxyg ne des groupes h miques restants dans la m me mol cule. Une augmentation du pH entra ne une augmentation de l'affinit pour l'oxyg ne. Le dioxyde de carbone diminue l'affinit pour l'oxyg ne car il abaisse le pH. De plus, la liaison du dioxyde de carbone aux N-terminus stabilise la forme d soxy tendue. L'h moglobine se lie une mol cule de 2,3-bisphosphoglyc rate. La d soxyh moglobine a une plus grande affinit pour les protons que l'oxyh moglobine. .4. La -lysine 82 contenue dans l'HbA est importante pour la liaison du 2,3-bisphosphoglyc rate. Hb Helsinki, cet acide amin a t remplac par la m thionine. Laquelle des affirmations suivantes devrait tre vraie en ce qui concerne Hb Helsinki ? Un. Il doit tre stabilis dans la forme tendue, plut t que d tendue. B. Il devrait avoir une affinit accrue pour l'oxyg ne et, par cons quent, une diminution de l'apport d'oxyg ne aux tissus. C. Sa courbe de dissociation de l'oxyg ne doit tre d cal e vers la droite par rapport l'HbA.D. Il en r sulte une an mie. R ponse correcte = B. La substitution de la lysine par la m thionine diminue la capacit des groupes phosphate charg s n gativement dans le 2,3-bisphosphoglyc rate (2,3-BPG) se lier aux sous-unit s de l'h moglobine. tant donn que le 2,3-BPG diminue l'affinit de l'hammoglobine pour l'oxyg ne, une r duction du 2,3-BPG devrait entra ner une augmentation de l'affinit pour l'oxyg ne et une diminution de l'apport d'oxyg ne (O2) aux tissus. La forme d tendue est la forme de l'h moglobine haute affinit pour l'oxyg ne. L'augmentation de l'affinit pour l'oxyg ne (diminution de l'administration) entra ne un d calage vers la gauche de la courbe de dissociation de l'oxyg ne. La diminution de l'apport d'O2 est compens e par l'augmentation de la production de globules rouges. .5. Un homme de 67 ans s'est pr sent au service des urgences avec des ant c dents d'angine de poitrine et d'essoufflement depuis 1 semaine. Il se plaignit que son visage et ses extr mit s avaient pris une couleur bleue. Ses ant c dents m dicaux comprenaient une angine de poitrine chronique stable trait e au dinitrate d'isosorbide et la nitroglyc rine. Le sang pr lev pour l'analyse tait brun. Lequel des diagnostics suivants est le
Biochimie_Lippincott	plus probable ? A. Carboxyh moglobin mie B. Maladie de l'h moglobine SC C. M th moglobin mieD. An mie falciforme E. -Thalass mie Bonne r ponse = C. L'oxydation du fer ferreux (Fe2+) l' tat ferrique (Fe3+) dans le groupe proth tique h mique de l'h moglobine forme la m th moglobine. Cela peut tre caus par l'action de certains m dicaments tels que les nitrates. Les m th moglobin mies sont caract ris es par une cyanose chocolat e (une coloration bleue de la peau et des muqueuses et un sang de couleur chocolat) r sultant de la m th moglobine de couleur fonc e. Les sympt mes sont li s l'hypoxie tissulaire et comprennent l'anxi t , les maux de t te et la dyspn e. Dans de rares cas, le coma et la mort peuvent survenir. [Remarque : La benzoca ne, une amine aromatique utilis e comme anesth sique topique, est une cause de m th moglobin mie acquise.] .6. Pourquoi la maladie de l'h moglobine C est-elle une maladie non falciforme ? Dans l'HbC, le glutamate polaire est remplac par de la lysine polaire plut t que par de la valine non polaire comme dans l'HbS. .7. Qu'est-ce qui serait vrai sur l'ampleur de la dr panocytose des globules rouges chez les individus atteints d'HbS et de persistance h r ditaire de l'HbF ? Elle serait diminu e car l'HbF r duit la concentration en HbS. Il inhibe galement la polym risation du d soxy-HbS. Pour obtenir d'autres documents auxiliaires relatifs ce chapitre, veuillez consulter le site thePoint. I. APER U Le collag ne et l' lastine sont des exemples de prot ines fibreuses courantes et bien caract ris es de la matrice extracellulaire (MEC) qui remplissent des fonctions structurelles dans le corps. Par exemple, le collag ne et l' lastine se trouvent comme composants de la peau, du tissu conjonctif, des parois des vaisseaux sanguins, de la scl rotique et de la corn e de l' il. Chaque prot ine fibreuse pr sente des propri t s m caniques particuli res, r sultant de sa structure unique, qui est obtenu en combinant des acides amin s sp cifiques en l ments structurels secondaires r guliers. Cela contraste avec les prot ines globulaires (discut es au chapitre 3), dont les formes sont le r sultat d'interactions complexes entre des l ments structurels secondaires, tertiaires et, parfois, quaternaires. II. COLLAG NE Le collag ne est la prot ine la plus abondante dans le corps humain. Une mol cule de collag ne typique est une structure longue et rigide dans laquelle trois polypeptides (appel s cha nes ) sont enroul s les uns autour des autres dans une triple h lice en forme de corde (Fig. 4.1). Bien que ces mol cules soient pr sentes dans tout le corps, leurs types et leur organisation sont dict s par le r le structurel que joue le collag ne dans un organe particulier. Dans certains tissus, le collag ne peut tre dispers sous forme de gel qui soutient la structure, comme dans l'ECM ou l'humeur vitr e de l' il. Dans d'autres tissus, le collag ne peut tre regroup en fibres serr es et parall les qui offrent une grande force, comme dans les tendons. Dans la corn e de l' il, le collag ne est empil de mani re transmettre la lumi re avec un minimum de diffusion. Le collag ne de l'os se pr sente sous la forme de fibres dispos es un angle les unes par rapport aux autres de mani re r sister au cisaillement m canique de n'importe quelle direction. A. Types La superfamille de prot ines de collag ne comprend >25 types de collag ne ainsi que des prot ines suppl mentaires qui ont des domaines similaires au collag ne. Les trois cha nes polypeptidiques sont maintenues ensemble par des liaisons hydrog ne intercha nes. Les variations dans la s quence d'acides amin s des cha nes de aboutissent des composants structurels qui ont peu pr s la m me taille (~1 000 acides amin s de long) mais avec des propri t s l g rement diff rentes. Ces cha nes sont combin es pour former les diff rents types de collag ne pr sents dans les tissus. Par exemple, le collag ne le plus courant, de type I, contient deux cha nes appel es 1 et une cha ne appel e 2 ( 12 2), tandis que le collag ne de type II contient trois cha nes 1 ( 13). Les collag nes peuvent tre organis s en trois groupes, en fonction de leur emplacement et de leurs fonctions dans le corps (Fig. 4.2). 1. Collag nes fibrillaires : Les types I, II et III sont les collag nes fibrillaires et ont la structure en forme de corde d crite ci-dessus pour une mol cule de collag ne typique. Au microscope lectronique, ces polym res lin aires de fibrilles ont des motifs de bandes caract ristiques, refl tant l'empilement chelonn r gulier des mol cules de collag ne individuelles dans la fibrille (Fig. 4.3). Les fibres de collag ne de type I (compos es de fibrilles de collag ne) se trouvent dans les l ments de support haute r sistance la traction (par exemple, les tendons et les corn es), tandis que les fibres form es partir de mol cules de collag ne de type II sont limit es aux structures cartilagineuses. Les fibres d riv es du collag
Biochimie_Lippincott	ne de type III sont r pandues dans les tissus plus distensibles tels que les vaisseaux sanguins. 2. Collag nes formant des r seaux : Les types IV et VIII forment un maillage tridimensionnel, plut t que des fibrilles distinctes (Fig. 4.4). Par exemple, les mol cules de type IV s'assemblent en une feuille ou un r seau qui constitue une partie importante des membranes basales. Les membranes basales sont de minces structures en forme de feuille qui fournissent un support m canique aux cellules adjacentes et fonctionnent comme une barri re de filtration semi-perm able pour les macromol cules dans des organes tels que le rein et le poumon. 3. Collag nes associ s aux fibrilles : Les types IX et XII se lient la surface des fibrilles de collag ne, liant ces fibrilles les unes aux autres et d'autres composants de l'ECM (voir Fig. 4.2). B. Structure Contrairement la plupart des prot ines globulaires qui sont repli es en structures compactes, le collag ne, une prot ine fibreuse, a une structure allong e trois h lices qui est stabilis e par des liaisons hydrog ne intercha nes. 1. S quence d'acides amin s : Le collag ne est riche en proline et en glycine, deux l ments importants dans la formation de l'h lice triple brin. La proline facilite la formation de la conformation h lico dale de chaque cha ne car sa structure cyclique provoque des plis dans la cha ne peptidique. [Remarque : La pr sence de proline dicte que la conformation h lico dale de la cha ne ne peut pas tre une h lice (voir p. 16).] La glycine, le plus petit acide amin , se trouve chaque troisi me position de la cha ne polypeptidique. Il s'ins re dans les espaces restreints o les trois cha nes de l'h lice se rejoignent. Les r sidus de glycine font partie d'une s quence r p titive, Gly X Y , o X est souvent de la proline, et Y est souvent de l'hydroxyproline (mais peut tre de l'hydroxylysine, Fig. 4.5). Ainsi, la majeure partie de la cha ne peut tre consid r e comme un polytripeptide dont la s quence peut tre repr sent e par ( Gly Pro Hyp )333. 2. Hydroxyproline et hydroxylysine : Le collag ne contient de l'hydroxyproline et de l'hydroxylysine, qui sont des acides amin s non standard (voir p. 1) non pr sents dans la plupart des autres prot ines. Ils r sultent de l'hydroxylation d'une partie des r sidus de proline et de lysine apr s leur incorporation dans des cha nes polypeptidiques (Fig. 4.6). Par cons quent, l'hydroxylation est une modification post-traductionnelle (voir p. 460). [Remarque : La g n ration d'hydroxyproline maximise la formation de liaisons hydrog ne intercha nes qui stabilisent la structure triple h lice.] 3. Glycosylation : Le groupe hydroxyle des r sidus hydroxylysine du collag ne peut tre glycosyl enzymatiquement. Le plus souvent, le glucose et le galactose sont attach s s quentiellement la cha ne polypeptidique avant la formation d'une triple h lice (Fig. 4.7). C. Biosynth se Les pr curseurs polypeptidiques de la mol cule de collag ne sont synth tis s dans les fibroblastes (ou dans les ost oblastes apparent s de l'os et les chondroblastes du cartilage). Ils sont modifi s enzymatiquement et forment la triple h lice, qui est s cr t e dans l'ECM. Apr s une modification enzymique suppl mentaire, les fibrilles de collag ne extracellulaire matures s'agr gent et se r ticulent pour former des fibres de collag ne. 1. Formation de la cha ne pro- : Le collag ne est l'une des nombreuses prot ines qui fonctionnent normalement l'ext rieur des cellules. Comme la plupart des prot ines produites pour l'exportation, les pr curseurs polypeptidiques nouvellement synth tis s des cha nes (cha nes pr pro- ) contiennent une s quence sp ciale d'acides amin s leurs extr mit s amino-terminales. Cette s quence agit comme un signal qui, en l'absence de signaux suppl mentaires, cible le polypeptide synth tis pour la s cr tion partir de la cellule. La s quence du signal facilite la liaison des ribosomes au r ticulum endoplasmique rugueux (RER) et dirige le passage de la cha ne pr pro- dans la lumi re du RER. La s quence de signal est rapidement cliv e dans la lumi re pour produire un pr curseur de collag ne appel cha ne pro- (voir Fig. 4.7). 2. Hydroxylation : Les cha nes pro- sont trait es par un certain nombre d' tapes enzymatiques dans la lumi re du RER pendant que les polypeptides sont encore en cours de synth se (voir Fig. 4.7). Les r sidus de proline et de lysine pr sents en position Y de la s quence -Gly-X-Y- peuvent tre hydroxyl s pour former des r sidus d'hydroxyproline et d'hydroxylysine. Ces r actions d'hydroxylation n cessitent de l'oxyg ne mol culaire, du fer ferreux (Fe2+) et de la vitamine C, un agent r ducteur, (acide ascorbique, voir p. 381), sans lesquels les enzymes hydroxylantes, la prolyl hydroxylase et la lysyl hydroxylase, sont incapables de fonctionner (voir Fig. 4.6). Dans le cas d'une carence en acide ascorbique (et, par cons quent, d'un manque d'hydroxylation de la proline
Biochimie_Lippincott	et de la lysine), la formation de la liaison H intercha ne est alt r e, tout comme Formation d'une triple h lice stable. De plus, les fibrilles de collag ne ne peuvent pas tre r ticul es (voir 7. ci-dessous), ce qui diminue consid rablement la r sistance la traction de la fibre assembl e. La maladie de carence qui en r sulte est connue sous le nom de scorbut. Les patients atteints de scorbut pr sentent souvent des ecchymoses (d colorations ressemblant des ecchymoses) sur les membres la suite d'une extravasation sous-cutan e (fuite) de sang due une fragilit capillaire (Fig. 4.8). 3. Glycosylation : Certains r sidus d'hydroxylysine sont modifi s par glycosylation avec du glucose ou du glucosylgalactose (voir Fig. 4.7). 4. Assemblage et s cr tion : Apr s l'hydroxylation et la glycosylation, trois cha nes pro- forment le procollag ne, un pr curseur du collag ne qui a une r gion centrale de triple h lice flanqu e des extensions N-terminales non h lico dales et carboxyles (C) appel es propeptides (voir Fig. 4.7). La formation du procollag ne commence par la formation de liaisons disulfure intercha nes entre les extensions C-terminales des cha nes pro- . Cela am ne les trois cha nes dans un alignement favorable la formation de trois h lices. Les mol cules de procollag ne se d placent dans l'appareil de Golgi, o elles sont emball es dans des v sicules s cr toires. Les v sicules fusionnent avec la membrane cellulaire, provoquant la lib ration de mol cules de procollag ne dans l'espace extracellulaire. 5. Clivage extracellulaire des mol cules de procollag ne : Apr s leur lib ration, les mol cules de procollag ne triple h lice sont cliv es par les peptidases N et Cprocollag ne, qui liminent les propeptides terminaux, produisant des mol cules de tropocollag ne. 6. Formation des fibrilles de collag ne : Les mol cules de tropocollag ne s'associent spontan ment pour former des fibrilles de collag ne. Ils forment un r seau ordonn et parall le, avec des mol cules de collag ne adjacentes dispos es en quinconce, chacune chevauchant sa voisine d'une longueur d'environ trois quarts d'une mol cule (voir Fig. 4.7). 7. Formation de r ticulation : Le r seau fibrillaire de mol cules de collag ne sert de substrat la lysyl oxydase. Cette enzyme extracellulaire contenant du cuivre d samine par oxydation une partie des r sidus de lysine et d'hydroxylysine dans le collag ne. Les ald hydes r actifs qui en r sultent (allysine et hydroxyallysine) peuvent se condenser spontan ment avec les r sidus de lysine ou d'hydroxylysine dans les mol cules de collag ne voisines pour former des r ticulations covalentes et, par cons quent, des fibres de collag ne matures (Fig. 4.9). [Remarque : Des r ticulations peuvent se former entre deux r sidus d'allysine.] peroxyde. La lysyl oxydase est l'une des enzymes contenant du cuivre. D'autres comprennent la c ruloplasmine (voir p. 404), la cytochrome c oxydase (voir p. 76), la dopamine hydroxylase (voir p. 286), la superoxyde dismutase (voir p. 148) et la tyrosinase (voir p. 273). La perturbation de l'hom ostasie du cuivre provoque une carence en cuivre (syndrome de Menkes li l'X) ou une surcharge (maladie de Wilson) (voir p. 402). D. D gradation Les collag nes normaux sont des mol cules tr s stables, ayant des demi-vies pouvant durer jusqu' plusieurs ann es. Cependant, le tissu conjonctif est dynamique et est constamment remodel , souvent en r ponse la croissance ou la l sion du tissu. La d gradation des fibres de collag ne d pend de l'action prot olytique des collag nases, qui font partie d'une grande famille de m talloprot inases matricielles. Pour le collag ne de type I, le site de clivage est sp cifique, g n rant des fragments de trois quarts et un quart de longueur. Ces fragments sont encore d grad s par d'autres prot inases matricielles. E. Collag nopathies Des d fauts dans l'une des nombreuses tapes de la synth se des fibres de collag ne peuvent entra ner une maladie g n tique impliquant une incapacit du collag ne former correctement les fibres et, par cons quent, une incapacit fournir aux tissus la r sistance la traction n cessaire normalement fournie par le collag ne. Plus de 1 000 mutations ont t identifi es dans 23 g nes codant pour 13 des types de collag ne. Voici des exemples de maladies (collag nopathies) qui r sultent d'une synth se d fectueuse du collag ne. 1. Syndrome d'Ehlers-Danlos : Le syndrome d'Ehlers-Danlos (SED) est un groupe h t rog ne de troubles du tissu conjonctif qui r sultent de d fauts h r ditaires dans le m tabolisme des mol cules de collag ne fibrillaires. Le SED peut tre caus par une d ficience des enzymes de traitement du collag ne (par exemple, la lysyl hydroxylase ou la N-procollag ne peptidase) ou par des mutations dans les s quences d'acides amin s du collag ne de types I, III et V. La forme classique du SED, caus e par des d fauts de collag ne de type V, est caract ris e par une extensibilit et une fragilit
Biochimie_Lippincott	de la peau et une hypermobilit articulaire (Fig. 4.10). La forme vasculaire, due des d fauts de collag ne de type III, est la forme la plus grave de SED car elle est associ e une rupture art rielle potentiellement mortelle. [Remarque : Les formes classiques et vasculaires montrent une h r dit autosomique.] Le collag ne qui contient des cha nes mutantes peut avoir une structure, une s cr tion ou une distribution modifi es, et il est fr quemment d grad . [Remarque : L'incorporation d'une seule cha ne mutante peut entra ner la d gradation de la triple h lice. C'est ce qu'on appelle un effet dominant-n gatif.] 2. Ost ogen se imparfaite : Ce syndrome, connu sous le nom de maladie des os fragiles , est une maladie g n tique de fragilit osseuse caract ris e par des os qui se fracturent facilement, avec un traumatisme mineur ou sans traumatisme (Fig. 4.11). Plus de 80 % des cas d'ost ogen se imparfaite (OI) sont caus s par des mutations dominantes des g nes qui codent pour les cha nes 1 ou 2 du collag ne de type I. Les mutations les plus courantes provoquent le remplacement de la glycine (dans Gly X Y ) par des acides amin s cha nes lat rales volumineuses. Les cha nes de structurellement anormales qui en r sultent emp chent la formation de la conformation en triple h lice requise. La gravit ph notypique varie de l g re mortelle. L'OI de type I, la forme la plus courante, se caract rise par une l g re fragilit osseuse, une perte auditive et des scl rotiques bleues. Le type II, la forme la plus grave, est g n ralement l tal pendant la p riode p rinatale la suite de complications pulmonaires. Des fractures in utero sont observ es (voir Fig. 4.11). Le type III est galement une forme s v re et se caract rise par de multiples fractures la naissance, une petite taille, une courbure de la colonne vert brale conduisant une apparence bossue (cyphotique) et des scl rotiques bleues. La dentinogen se imparfaite, un trouble du d veloppement dentaire, peut tre observ e dans l'OI. III. LASTINE Contrairement au collag ne, qui forme des fibres dures et haute r sistance la traction, l' lastine est une prot ine fibreuse du tissu conjonctif aux propri t s caoutchouteuses. Les fibres lastiques compos es de microfibrilles d' lastine et de glycoprot ine se trouvent dans les poumons, les parois des grosses art res et les ligaments lastiques. Ils peuvent tre tir s jusqu' plusieurs fois leur longueur normale, mais reculent jusqu' leur forme d'origine lorsque la force d' tirement est rel ch e. A. Structure L' lastine est un polym re prot ique insoluble g n r partir d'un pr curseur, la tropo lastine, qui est un polypeptide soluble compos de ~700 acides amin s principalement petits et non polaires (par exemple, la glycine, l'alanine et la valine). L' lastine est galement riche en proline et en lysine, mais contient peu d'hydroxyproline et d'hydroxylysine. La tropo lastine est s cr t e par la cellule dans l'ECM. L , il interagit avec des microfibrilles glycoprot iques sp cifiques, telles que la fibrilline, qui fonctionnent comme un chafaudage sur lequel la tropo lastine est d pos e. Certaines des cha nes lat rales lysyliques des polypeptides de la tropo lastine sont d samin es par oxydation par la lysyl oxydase, formant des r sidus d'allysine. Trois des cha nes lat rales allysyliques plus une cha ne lat rale lysyle non alt r e provenant des m mes polypeptides ou des polypeptides voisins forment une r ticulation de desmosine (Fig. 4.12). Cela produit de l' lastine, un r seau caoutchouteux largement interconnect qui peut s' tirer et se plier dans n'importe quelle direction lorsqu'il est sollicit . donnant de l' lasticit au tissu conjonctif (Fig. 4.13). Des mutations de la prot ine fibrilline-1 sont responsables du syndrome de Marfan, une maladie du tissu conjonctif caract ris e par une alt ration de l'int grit structurelle du squelette, de l' il et du syst me cardiovasculaire. Avec cette maladie, la prot ine de fibrilline anormale est incorpor e dans les microfibrilles avec la fibrilline normale, inhibant la formation de microfibrilles fonctionnelles. [Remarque : Les patients atteints du syndrome de Marfan, OI ou EDS peuvent avoir des scl rotiques bleues en raison de l'amincissement des tissus qui laisse transpara tre le pigment sous-jacent.] B. L' 1-antitrypsine dans la d gradation de l' lastine Le sang et d'autres fluides corporels contiennent une prot ine, l' 1-antitrypsine (AAT), qui inhibe un certain nombre d'enzymes prot olytiques (appel es peptidases, prot ases ou prot inases) qui hydrolysent et d truisent les prot ines. [Remarque : L'inhibiteur a t nomm l'origine AAT parce qu'il inhibe l'activit de la trypsine, une enzyme prot olytique synth tis e sous forme de trypsinog ne par le pancr as (voir p. 248).] L'AAT a le r le physiologique important d'inhiber l' lastase des neutrophiles, une prot ase puissante qui est lib r e dans l'espace extracellulaire et d grade l' lastine des p
Biochimie_Lippincott	arois alv olaires ainsi que d'autres prot ines structurelles dans une vari t de tissus (Fig. 4.14). La majeure partie de l'AAT pr sent dans le plasma est synth tis e et s cr t e par le foie. Une synth se extrah patique se produit galement. 1. 1-Antitrypsine dans les poumons : Dans les poumons normaux, les alv oles sont expos es de mani re chronique de faibles niveaux d' lastase neutrophile lib r e par les neutrophiles activ s et en d g n rescence. L'activit prot olytique de l' lastase peut d truire l' lastine dans les parois alv olaires si elle n'est pas oppos e par l'action de l'AAT, l'inhibiteur le plus important de l' lastase des neutrophiles (voir Fig. 4.14). Parce que le tissu pulmonaire ne peut pas se r g n rer, la destruction du tissu conjonctif des parois alv olaires caus e par un d s quilibre entre la prot ase et son inhibiteur entra ne une maladie pulmonaire. 2. D ficit en 1-antitrypsine et emphys me : Aux tats-Unis, ~2 % 5 % des patients atteints d'emphys me sont pr dispos s la maladie par des anomalies h r ditaires de l'AAT. On sait qu'un certain nombre de mutations diff rentes dans le g ne de l'AAT provoquent une d ficience de la prot ine, mais une seule mutation de la base purique (GAG AAG, entra nant la substitution de la lysine l'acide glutamique en position 342 de la prot ine) est cliniquement la plus r pandue et la plus grave. [Remarque : La prot ine mut e est appel e la variante Z.] La mutation provoque le mauvais repliement, la polym risation et l'agr gation de l'AAT normalement monom re dans le RER des h patocytes, ce qui entra ne une diminution de la s cr tion d'AAT par le foie. Le d ficit en AAT est donc une maladie prot ique mal repli e. Par cons quent, les taux sanguins d'AAT sont r duits, ce qui diminue la quantit qui atteint les poumons. Le polym re qui s'accumule dans le foie peut entra ner une cirrhose (cicatrisation du foie). Aux tats-Unis, la mutation AAT est plus fr quente chez les Caucasiens d'ascendance nord-europ enne. Un individu doit h riter de deux all les AAT anormaux pour tre risque de d velopper un emphys me. Chez un h t rozygote, avec un g ne normal et un g ne d fectueux, les niveaux d'AAT sont suffisants pour prot ger les alv oles contre les dommages. [Remarque : La m thionine 358 contenue dans l'AAT est n cessaire la liaison de l'inhibiteur ses prot ases cibles. Le tabagisme provoque l'oxydation et l'inactivation ult rieure de la m thionine, rendant ainsi l'inhibiteur impuissant neutraliser l' lastase. Les fumeurs atteints d'un d ficit en AAT ont donc un taux consid rablement lev de destruction des poumons et un taux de survie plus faible que les non-fumeurs atteints d'une carence.] Le d ficit en inhibiteur de l' lastase peut tre trait par un traitement d'augmentation hebdomadaire, c'est- -dire l'administration intraveineuse d'AAT. L'AAT se diffuse du sang dans les poumons, o il atteint des niveaux th rapeutiques dans le liquide entourant les cellules pith liales pulmonaires. IV. R SUM DU CHAPITRE Le collag ne et l' lastine sont des prot ines fibreuses structurelles de la matrice extracellulaire (Fig. 4.15). Le collag ne contient une abondance de proline, de lysine et de glycine, cette derni re se produisant toutes les trois positions dans le primaire structure. Il contient galement de l'hydroxyproline, de l'hydroxylysine et de l'hydroxylysine glycosyl e, chacune form e par une modification post-traductionnelle. Le collag ne fibrillaire a une structure longue et rigide, dans laquelle trois cha nes polypeptidiques de collag ne sont enroul es l'une autour de l'autre dans une triple h lice en forme de corde stabilis e par des liaisons hydrog ne intercha nes. Les maladies de la synth se fibrillaire du collag ne affectent les os, les articulations, la peau et les vaisseaux sanguins. L' lastine est une prot ine du tissu conjonctif avec des propri t s caoutchouteuses dans des tissus tels que le poumon. L' 1-antitrypsine (AAT), produite principalement par le foie, inhibe la d gradation de l' lastine catalys e par l' lastase dans les parois alv olaires. Une carence en AAT augmente la d gradation de l' lastine et peut provoquer un emphys me et, dans certains cas, une cirrhose du foie. Choisissez UNE meilleure r ponse. .1. Une femme de 30 ans d'origine nord-europ enne pr sente une dyspn e progressive (essoufflement). Elle nie l'usage de la cigarette. Les ant c dents familiaux r v lent que sa s ur a galement des probl mes pulmonaires. Laquelle des tiologies suivantes explique le plus probablement les sympt mes pulmonaires de ce patient ? A. Carence en vitamine C alimentaire B. Carence en 1-antitrypsineC. Carence en prolylhydroxylase D. Diminution de l'activit de l' lastase E. Augmentation de l'activit de la collag nase Bonne r ponse = B. Le d ficit en 1-antitrypsine (AAT) est une maladie g n tique qui peut causer des l sions pulmonaires et de l'emphys me m me en l'absence de cigarette. Une carence en AAT permet une acti
Biochimie_Lippincott	vit accrue de l' lastase pour d truire l' lastine dans les parois alv olaires. Un d ficit en AAT doit tre suspect lorsque la bronchopneumopathie chronique obstructive se d veloppe chez un patient de moins de 45 ans qui n'a pas d'ant c dents de bronchite chronique ou de tabagisme ou lorsque plusieurs membres de la famille d veloppent une maladie pulmonaire obstructive un ge pr coce. Les choix A, C et E font r f rence au collag ne et non l' lastine. .3. Un enfant de 7 mois est tomb en rampant et pr sente maintenant une jambe enfl e. L'imagerie r v le une fracture d'un f mur arqu , secondaire un traumatisme mineur, et des os minces (voir radiographie droite). Des scl rotiques bleues sont galement not es. l' ge de 1 mois, le nourrisson pr sentait de multiples fractures dans divers tats de gu rison (clavicule droite, hum rus droit et radius droit). Des ant c dents familiaux attentifs ont exclu les traumatismes non accidentels (maltraitance des enfants) comme cause des fractures osseuses. Quel appariement d'une mol cule d fectueuse (ou d ficiente) et de la pathologie qui en r sulte correspond le mieux cette description clinique ? A. lastine et emphys meB. Fibrilline et maladie de MarfanC. Collag ne de type I et ost ogen se imparfaite D. Collag ne de type V et syndrome d'Ehlers-Danlos E. Vitamine C et scorbut Bonne r ponse = C. L'enfant est tr s probablement atteint d'ost ogen se imparfaite. La plupart des cas r sultent d'un d faut dans les g nes codant pour le collag ne de type I. Les os des patients atteints sont minces, ost oporotiques, souvent arqu s et extr mement sujets aux fractures. Les probl mes pulmonaires ne sont pas observ s chez cet enfant. Particuliers avec Marfan ont alt r l'int grit structurelle du squelette, des yeux et du syst me cardiovasculaire. Les d fauts de collag ne de type V sont l'origine de la forme classique du syndrome d'Ehlers-Danlos, caract ris e par une extensibilit et une fragilit de la peau et une hypermobilit articulaire. Le scorbut caus par une carence en vitamine C se caract rise par une fragilit capillaire. .2. Quelle est la base diff rentielle de la pathologie h patique et pulmonaire observ e dans le d ficit en 1antitrypsine ? Dans le cas d'un d ficit en 1-antitrypsine (AAT), la cirrhose qui peut en r sulter est due la polym risation et la r tention de l'AAT dans le foie, son site de synth se. Les l sions alv olaires sont dues la carence en AAT (un inhibiteur de la prot ase s rine) dans le poumon, de sorte que l' lastase (une prot ase s rine) n'est pas oppos e. .4. Comment et pourquoi la proline est-elle hydroxyl e dans le collag ne ? La proline est hydroxly e par la prolylhydroxylase, une enzyme du r ticulum endoplasmique qui n cessite de l'oxyg ne, du fer ferreux et de la vitamine C. L'hydroxylation augmente la formation de liaisons hydrog ne intercha nes, renfor ant la triple h lice du collag ne. Une carence en vitamine C alt re l'hydroxylation. Pour obtenir d'autres documents auxiliaires relatifs ce chapitre, veuillez consulter le site thePoint. I. APER U Pratiquement toutes les r actions dans le corps sont m di es par des enzymes, qui sont des catalyseurs prot iques qui augmentent le taux de r actions sans tre modifi s dans le processus global. Parmi les nombreuses r actions biologiques qui sont nerg tiquement possibles, les enzymes canalisent s lectivement les r actifs (appel s substrats) vers des voies utiles. Ainsi, les enzymes dirigent tous les v nements m taboliques. Ce chapitre examine la nature de ces mol cules catalytiques et leurs m canismes d'action. II. NOMENCLATURE Chaque enzyme se voit attribuer deux noms. Le premier est son nom court et recommand , pratique pour un usage quotidien. Le second est le nom syst matique plus complet, qui est utilis lorsqu'une enzyme doit tre identifi e sans ambigu t . A. D nomination recommand e Les noms d'enzymes les plus couramment utilis s ont le suffixe -ase attach au substrat de la r action (par exemple, glucosidase et ur ase) ou une description de l'action effectu e (par exemple, lactate d shydrog nase et ad nylyl cyclase). [Remarque : Certaines enzymes conservent leurs noms triviaux d'origine, qui ne donnent aucune indication de la r action enzymique associ e, par exemple, la trypsine et la pepsine.] B. Nom syst matique Dans le syst me de d nomination syst matique, les enzymes sont divis es en six grandes classes (Fig. 5.1), chacune avec de nombreux sous-groupes. Pour une enzyme donn e, le suffixe ase est attach une description assez compl te de la r action chimique catalys e, y compris les noms de tous les substrats, par exemple, lactate :nicotinamide ad nine dinucl otide (NAD+) oxydor ductase. [Remarque : Chaque enzyme se voit galement attribuer un num ro de classification. Lactate :NAD+ oxydor ductase est 1.1.1.27.] Les noms syst matiques sont sans ambigu t et informatifs, mais sont souvent trop lourds pour tre d'usage g n ral. phosphate
Biochimie_Lippincott	inorganique. La nomenclature enzymatique potentiellement d routante comprend la synth tase (n cessite l'ATP), la synthase (pas d'ATP requise), la phosphatase (utilise de l'eau pour liminer un groupe phosphate), la phosphorylase (utilise le phosphate inorganique pour rompre une liaison et g n rer un produit phosphoryl ), la d shydrog nase (le NAD+ ou flavine ad nine dinucl otide [FAD] est un accepteur d' lectrons dans une r action d'oxydor duction), l'oxydase (l'oxyg ne est l'accepteur et les atomes d'oxyg ne ne sont pas incorpor s dans le substrat) et l'oxyg nase (l'un ou les deux atomes d'oxyg ne sont incorpor s). III. PROPRI T S Les enzymes sont des catalyseurs prot iques qui augmentent la vitesse d'une r action chimique et ne sont pas consomm s pendant la r action. [Remarque : Certains acides ribonucl iques (ARN) peuvent catalyser des r actions qui affectent les liaisons phosphodiester et peptidiques. Les ARN activit catalytique sont appel s ribozymes (voir p. 434) et sont beaucoup moins fr quents que les catalyseurs prot iques.] A. Site actif Les mol cules enzymatiques contiennent une poche ou une fente sp ciale appel e site actif. Le site actif, form par le repliement de la prot ine, contient des cha nes lat rales d'acides amin s qui participent la liaison du substrat et la catalyse (Fig. 5.2). Le substrat se lie l'enzyme de mani re non covalente, formant un complexe enzyme-substrat (ES). On pense que la liaison provoque un changement conformationnel de l'enzyme (mod le d'ajustement induit) qui permet la catalyse. Le SE est converti en un complexe enzyme-produit (PE) qui se dissocie ensuite en enzyme et en produit. B. Efficience Les r actions catalys es par des enzymes sont tr s efficaces, proc dant de 103 108 fois plus vite que les r actions non catalys es. Le nombre de mol cules de substrat converties en produit par mol cule d'enzyme par seconde est appel nombre de renouvellement, ou kcat, et est g n ralement de 102 104 s 1 . [Remarque : kcat est la constante de vitesse pour la conversion de ES en E + P (voir p. 58).] C. Sp cificit Les enzymes sont tr s sp cifiques, interagissant avec un ou quelques substrats et ne catalysant qu'un seul type de r action chimique. L'ensemble des enzymes produites dans une cellule d termine les r actions qui se produisent dans cette cellule. D. Holoenzymes, apoenzymes, cofacteurs et coenzymes Certaines enzymes n cessitent des non-prot ines pour leur activit enzymique. Le terme holoenzyme fait r f rence l'enzyme active avec son composant non prot ique, tandis que l'enzyme sans sa fraction non prot ique est appel e apoenzyme et est inactive. Si la fraction non prot ique est un ion m tallique, tel que le zinc (Zn2+) ou le fer (Fe2+), on l'appelle un cofacteur (voir chapitre 29). S'il s'agit d'une petite mol cule organique, on parle de coenzyme. Les coenzymes qui ne s'associent que transitoirement l'enzyme sont appel es cosubstrats. Les cosubstrats se dissocient de l'enzyme dans un tat alt r (le NAD+ en est un exemple ; voir p. 101). Si la coenzyme est associ e de mani re permanente l'enzyme et renvoy e sa forme originale, on parle de groupe proth tique (par exemple, voir p. 110). Les coenzymes sont g n ralement d riv es des vitamines. Par exemple, le NAD+ contient de la niacine et le FAD contient de la riboflavine (voir le chapitre 28). E. R glementation L'activit enzymatique peut tre r gul e, c'est- -dire augment e ou diminu e, de sorte que le taux de formation du produit r pond aux besoins cellulaires. F. Emplacement dans la cellule De nombreuses enzymes sont localis es dans des organites sp cifiques de la cellule (Fig. 5.3). Une telle compartimentation sert isoler le substrat ou le produit de la r action des autres r actions concurrentes. Cela fournit un environnement favorable la r action et organise les milliers d'enzymes pr sentes dans la cellule en voies cibl es. IV. M CANISME D'ACTION ENZYMATIQUE Le m canisme d'action des enzymes peut tre consid r sous deux angles diff rents. Le premier traite la catalyse en termes de changements d' nergie qui se produisent au cours de la r action. C'est- -dire que les enzymes fournissent une voie de r action alternative, nerg tiquement favorable, diff rente de la r action non catalys e. La deuxi me perspective d crit comment le site actif facilite chimiquement la catalyse. A. Changements d' nergie se produisant au cours de la r action Pratiquement toutes les r actions chimiques ont une barri re d' nergie s parant les r actifs et les produits. Cette barri re, appel e nergie d'activation (Ea), est la diff rence d' nergie entre celle des r actifs et un interm diaire de haute nergie, l' tat de transition (T*), qui se forme lors de la conversion du r actif en produit. La figure 5.4 montre les changements d' nergie lors de la conversion d'une mol cule du r actif A en produit B au fur et mesure qu'elle passe par l' tat de transition. 1. nergie d'activation : Le pic d' nergie
Biochimie_Lippincott	de la Figure 5.4 est la diff rence d' nergie libre entre le r actif et T, dans laquelle l'interm diaire haute nergie et courte dur e de vie se forme lors de la conversion du r actif en produit. En raison de la forte Ea, les taux de r actions chimiques non catalys es sont souvent lents. 2. Vitesse de r action : Pour que les mol cules r agissent, elles doivent contenir suffisamment d' nergie pour surmonter la barri re d' nergie de l' tat de transition. En l'absence d'une enzyme, seule une petite proportion d'une population de mol cules peut poss der suffisamment d' nergie pour atteindre l' tat de transition entre le r actif et le produit. La vitesse de r action est d termin e par le nombre de ces mol cules nergis es. En g n ral, plus l'Ea est faible, plus les mol cules ont suffisamment d' nergie pour passer par l' tat de transition et, par cons quent, plus la vitesse de r action est rapide. 3. Voie de r action alternative : Une enzyme permet une r action de se d rouler rapidement dans les conditions pr valant dans la cellule en fournissant une voie de r action alternative avec un Ea plus faible (voir Fig. 5.4). L'enzyme ne modifie pas les nergies libres des r actifs (substrats) ou des produits et, par cons quent, ne modifie pas l' quilibre de la r action (voir p. 70). Cependant, il acc l re la vitesse laquelle l' quilibre est atteint. B. Chimie du site actif Le site actif n'est pas un r ceptacle passif pour lier le substrat, mais plut t une machine mol culaire complexe employant une diversit de m canismes chimiques pour faciliter la conversion du substrat en produit. Un certain nombre de facteurs sont responsables de l'efficacit catalytique des enzymes, notamment les exemples suivants. 1. Stabilisation de l' tat de transition : Le site actif agit souvent comme un mod le mol culaire flexible qui se lie au substrat et initie sa conversion l' tat de transition, une structure dans laquelle les liaisons ne sont pas comme celles du substrat ou du produit (voir T en haut de la courbe sur la figure 5.4). En stabilisant l' tat de transition, l'enzyme augmente consid rablement la concentration de l'interm diaire r actif qui peut tre converti en produit et, ainsi, acc l re la r action. [Remarque : L' tat de transition ne peut pas tre isol .] 2. Catalyse : Le site actif peut fournir des groupes catalytiques qui augmentent la probabilit que l' tat de transition se forme. Dans certaines enzymes, ces groupes peuvent participer la catalyse acide-base g n rale dans laquelle les r sidus d'acides amin s fournissent ou acceptent des protons. Dans d'autres enzymes, la catalyse peut impliquer la formation transitoire d'un complexe ES covalent. [Remarque : Le m canisme d'action de la chymotrypsine, une enzyme de la digestion des prot ines dans l'intestin, comprend la catalyse basique g n rale, acide g n rale et covalente. Une histidine au site actif de l'enzyme gagne et perd des protons (acide g n ral), m di s par le pK de l'histidine dans les prot ines proches du pH physiologique. La s rine au site actif forme une liaison covalente transitoire avec le substrat.] 3. Visualisation de l' tat de transition : La conversion du substrat en produit catalys e par une enzyme peut tre visualis e comme tant similaire au retrait d'un pull d'un nourrisson non coop ratif (Fig. 5.5). Le processus a un Ea lev parce que la seule strat gie raisonnable pour enlever le v tement ( moins de l'arracher) exige que le battement al atoire du b b entra ne l'extension compl te des deux bras au-dessus de la t te, une posture improbable. Cependant, nous pouvons imaginer qu'un parent agit comme une enzyme, entrant d'abord en contact avec le b b (formant un ES), puis guidant les bras du b b dans une position verticale tendue, analogue l' tat de transition. Cette posture (conformation) du b b facilite le retrait du pull, formant le b b d shabill , qui repr sente ici le produit. [Remarque : Le substrat li l'enzyme (ES) a une nergie l g rement inf rieure celle du substrat non li (S) et explique le petit creux de la courbe ES.] V. FACTEURS INFLUANT SUR LA VITESSE DE R ACTION Les enzymes peuvent tre isol es partir de cellules et leurs propri t s peuvent tre tudi es dans un tube essai (c'est- -dire in vitro). Diff rentes enzymes r agissent diff remment aux changements de concentration du substrat, de temp rature et de pH. Cette section d crit les facteurs qui influencent la vitesse de r action des enzymes. Les r ponses enzymatiques ces facteurs nous donnent des indices pr cieux sur le fonctionnement des enzymes dans les cellules vivantes (c'est- -dire in vivo). A. Concentration du substrat 1. Vitesse maximale : La vitesse d'une r action (v) est le nombre de mol cules de substrat converties en produit par unit de temps. La vitesse est g n ralement exprim e en mol de produit form par minute. La vitesse d'une r action catalys e par une enzyme augmente avec la concentration du substrat jusqu' ce qu'une
Biochimie_Lippincott	vitesse maximale (Vmax) soit atteinte (Fig. 5.6). La stabilisation de la vitesse de r action des concentrations lev es de substrat refl te la saturation en substrat de tous les sites de liaison disponibles sur les mol cules enzymatiques pr sentes. 2. Forme de la courbe cin tique enzymatique : La plupart des enzymes pr sentent une cin tique de Michaelis-Menten (voir p. 58), dans laquelle le graphique de la vitesse de r action initiale (vo) en fonction de la concentration du substrat est hyperbolique (de forme similaire celle de la courbe de dissociation de l'oxyg ne de la myoglobine ; voir p. 29). En revanche, les enzymes allost riques ne suivent pas la cin tique de Michaelis-Menten et pr sentent une courbe sigmo dale (voir Fig. 5.6) dont la forme est similaire la courbe de dissociation de l'oxyg ne de l'h moglobine (voir p. 29). B. Temp rature 1. Augmentation de la vitesse avec la temp rature : La vitesse de r action augmente avec la temp rature jusqu' ce qu'une vitesse maximale soit atteinte (Fig. 5.7). Cette augmentation est le r sultat de l'augmentation du nombre de mol cules de substrat ayant suffisamment d' nergie pour passer par-dessus la barri re d' nergie et former les produits de la r action. 2. Diminution de la vitesse avec une temp rature plus lev e : Une augmentation suppl mentaire de la temp rature entra ne une diminution de la vitesse de r action en raison de la d naturation de l'enzyme induite par la temp rature (voir Fig. 5.7). La temp rature optimale pour la plupart des enzymes humaines se situe entre 35 C et 40 C. Les enzymes humaines commencent se d naturer (voir p. 20) des temp ratures sup rieures 40 C, mais les bact ries thermophiles pr sentes dans les sources chaudes ont des temp ratures optimales de 70 C. C. pH 1. Effet du pH sur l'ionisation du site actif : La concentration de protons ([H+]) affecte la vitesse de r action de plusieurs fa ons. Tout d'abord, le processus catalytique exige g n ralement que l'enzyme et le substrat aient des groupes chimiques sp cifiques l' tat ionis ou unionis afin d'interagir. Par exemple, l'activit catalytique peut exiger qu'un groupe amino de l'enzyme soit sous la forme proton e ( NH3+). Parce que ce groupe est d proton un pH alcalin, la vitesse de la r action diminue. 2. Effet du pH sur la d naturation de l'enzyme : Des pH extr mes peuvent galement entra ner une d naturation de l'enzyme, car la structure de la mol cule de prot ine catalytiquement active d pend du caract re ionique des cha nes lat rales d'acides amin s. 3. pH optimal variable : Le pH auquel l'activit enzymatique maximale est atteinte est diff rent pour diff rentes enzymes et refl te souvent le [H+] auquel l'enzyme fonctionne dans le corps. Par exemple, la pepsine, une enzyme digestive de l'estomac, est active au maximum un pH de 2, tandis que d'autres enzymes, con ues pour fonctionner un pH neutre, sont d natur es par un environnement aussi acide (Fig. 5.8). VI. CIN TIQUE DE MICHAELIS-MENTEN Leonor Michaelis et Maude Menten ont propos un mod le simple qui rend compte de la plupart des caract ristiques de nombreuses r actions catalys es par des enzymes. Dans ce mod le, l'enzyme se combine de mani re r versible avec son substrat pour former un complexe ES qui produit ensuite un produit, r g n rant l'enzyme libre. Le mod le de r action, impliquant une mol cule de substrat, est repr sent ci-dessous : o S est le substrat. E est l'enzyme. ES est le complexe enzyme-substrat. P est le produit. K1, K 1 et K2 (ou, kcat) sont des constantes de vitesse. A. quation de Michaelis-MentenL' quation de Michaelis-Menten d crit comment la vitesse de r action varie avec la concentration du substrat : Les hypoth ses suivantes sont faites pour calculer l' quation de vitesse de Michaelis-Menten.1. Concentrations relatives de l'enzyme et du substrat : La concentration du substrat ([S]) est beaucoup plus lev e que la concentration de l'enzyme, de sorte que le pourcentage du substrat total li par l'enzyme un moment donn est faible. 2. Hypoth se l' tat stationnaire : La concentration du complexe ES ne change pas avec le temps (hypoth se l' tat stationnaire), c'est- -dire que le taux de formation des ES est gal celui de la d composition des ES (en E + S et en E + P). En g n ral, on dit qu'un interm diaire dans une s rie de r actions est l' tat stationnaire lorsque sa vitesse de synth se est gale sa vitesse de d gradation. 3. Vitesse initiale : Les vitesses de r action initiales (vo) sont utilis es dans l'analyse des r actions enzymatiques. Cela signifie que la vitesse de la r action est mesur e d s que l'enzyme et le substrat sont m lang s. ce moment-l , la concentration de produit est tr s faible et, par cons quent, le taux de r action inverse du produit au substrat peut tre ignor . B. Conclusions importantes 1. Caract ristiques de Km : Km, la constante de Michaelis, est caract ristique d'une enzyme et de son substrat particulier et ref
Biochimie_Lippincott	l te l'affinit de l'enzyme pour ce substrat. Km est num riquement gal la concentration du substrat laquelle la vitesse de r action est gale un demi-Vmax. Km ne varie pas avec la concentration enzymatique. a. Petit Km : Un Km num riquement petit (faible) refl te une grande affinit de l'enzyme pour le substrat, car une faible concentration de substrat est n cessaire pour saturer moiti l'enzyme, c'est- -dire pour atteindre une vitesse gale un demi-Vmax (Fig. 5.9). b. Grand km : Un Km num riquement grand ( lev ) refl te une faible affinit de l'enzyme pour le substrat, car une forte concentration de substrat est n cessaire pour semi-saturer l'enzyme. 2. Relation entre la vitesse et la concentration enzymatique : La vitesse de la r action est directement proportionnelle la concentration enzymatique car [S] n'est pas limitant. Par exemple, si la concentration enzymatique est r duite de moiti , les vitesses initiales de la r action (vo) et celle de Vmax sont r duites de moiti celles de l'original. 3. Ordre de r action : Lorsque [S] est beaucoup plus petit (<<) que Km, la vitesse de la r action est approximativement proportionnelle la concentration du substrat (Fig. 5.10). On dit alors que la vitesse de r action est de premier ordre par rapport au substrat. Lorsque [S] est beaucoup plus grand (>>) que Km, le vecteur vitesse est constant et gal Vmax. La vitesse de r action est alors ind pendante de la concentration du substrat (l'enzyme est satur e de substrat) et est dite d'ordre z ro par rapport la concentration du substrat (voir Fig. 5.10). D. Parcelle Lineweaver-Burk Lorsque vo est trac en fonction de [S], il n'est pas toujours possible de d terminer quand Vmax a t atteint en raison de la pente ascendante progressive de la courbe hyperbolique des concentrations lev es de substrat. Cependant, si 1/vo est trac en fonction de 1/[S], une ligne droite est obtenue (Fig. 5.11). Cette intrigue, la Le trac de Lineweaver-Burk ( galement appel graphique double r ciprocit ) peut tre utilis pour calculer Km et Vmax ainsi que pour d terminer le m canisme d'action des inhibiteurs d'enzymes. L' quation d crivant le trac de Lineweaver-Burk est la suivante : o l'ordonn e l'origine sur l'axe des x est gale 1/Km, et l'ordonn e l'origine sur l'axe des y est gale 1/Vmax. [Remarque : La pente = Km/Vmax.] VII. INHIBITION ENZYMATIQUE Toute substance qui peut diminuer la vitesse d'une r action catalys e par une enzyme est appel e inhibiteur. Les inhibiteurs peuvent tre r versibles ou irr versibles. Les inhibiteurs irr versibles se lient aux enzymes par des liaisons covalentes. Le plomb, par exemple, forme des liaisons covalentes avec la cha ne lat rale sulfhydryle de la cyst ine dans les prot ines. La ferrochelatase, enzyme impliqu e dans la synth se de l'h me (voir p. 279), est inhib e de mani re irr versible par le plomb. [Remarque : Un groupe important d'inhibiteurs irr versibles sont les inhibiteurs bas s sur le m canisme qui sont convertis par l'enzyme elle-m me en une forme qui se lie de mani re covalente l'enzyme, l'inhibant ainsi. Ils sont galement appel s inhibiteurs du suicide .] Les inhibiteurs r versibles se lient aux enzymes par des liaisons non covalentes et, par cons quent, la dilution du complexe enzyme-inhibiteur entra ne la dissociation de l'inhibiteur li de mani re r versible et la r cup ration de l'activit enzymatique. Les deux types d'inhibition r versible les plus fr quemment rencontr s sont comp titifs et non comp titifs. A. Inhibition concurrentielle Ce type d'inhibition se produit lorsque l'inhibiteur se lie de mani re r versible au m me site que le substrat occuperait normalement et, par cons quent, entre en comp tition avec le substrat pour ce site. 1. Effet sur la Vmax : L'effet d'un inhibiteur comp titif est invers par l'augmentation de la concentration du substrat. un [S] suffisamment lev , le 2. Effet sur Km : Un inhibiteur comp titif augmente le Km apparent pour un substrat donn . Cela signifie qu'en pr sence d'un inhibiteur comp titif, il faut plus de substrat pour atteindre un demi-Vmax. 3. Effet sur le graphique de Lineweaver-Burk : L'inhibition comp titive montre un graphique de Lineweaver-Burk caract ristique dans lequel les graphiques des r actions inhib es et non inhib es se coupent sur l'axe des y 1/Vmax (Vmax est la vitesse de r action qui atteint la Vmax observ e en l'absence d'inhibiteur, c'est- -dire que Vmax est inchang (Fig. 5.12). inchang ). Les r actions inhib es et non inhib es montrent des intersections diff rentes sur l'axe des x, ce qui indique que le Km apparent est augment en pr sence de l'inhibiteur comp titif parce que 1/Km se rapproche de z ro partir d'une valeur n gative (voir Fig. 5.12). [Remarque : Un groupe important d'inhibiteurs comp titifs sont les analogues de l' tat de transition, des mol cules stables qui se rapprochent de la structure de l' tat de transition et, par cons quent
Biochimie_Lippincott	, se lient l'enzyme plus troitement que le substrat.] 4. Les statines comme exemples d'inhibiteurs comp titifs : Ce groupe d'agents antihyperlipid miques inhibe de mani re comp titive l' tape limitante (la plus lente) de la biosynth se du cholest rol. Cette r action est catalys e par l'hydroxym thylglutaryl coenzyme A r ductase (HMG CoA r ductase ; voir p. 221). Les statines, telles que l'atorvastatine (Lipitor) et la pravastatine (Pravachol), sont des analogues structurels du substrat naturel de cette enzyme et entrent en comp tition efficacement pour inhiber l'HMG CoA r ductase. Ce faisant, ils inhibent la synth se de novo du cholest rol, abaissant ainsi le taux de cholest rol plasmatique (Fig. 5.13). B. Inhibition non comp titive Ce type d'inhibition est reconnu par son effet caract ristique sur la Vmax (Fig. 5.14). L'inhibition non comp titive se produit lorsque l'inhibiteur et le substrat se lient diff rents endroits de l'enzyme. L'inhibiteur non comp titif peut se lier soit l'enzyme libre, soit au complexe enzyme-substrat, emp chant ainsi la r action de se produire (Fig. 5.15). 1. Effet sur la Vmax : L'inhibition non comp titive ne peut pas tre surmont e en augmentant la concentration du substrat. Par cons quent, les inhibiteurs non comp titifs diminuent la Vmax apparente de la r action. 2. Effet sur Km : Les inhibiteurs non comp titifs n'interf rent pas avec la liaison du substrat l'enzyme. Par cons quent, l'enzyme pr sente le m me Km en pr sence ou en absence de l'inhibiteur non comp titif, c'est- -dire que Km est inchang . 3. Effet sur le graphique de Lineweaver-Burk : L'inhibition non comp titive est facilement diff renci e de l'inhibition comp titive en tra ant 1/vo en fonction de 1/[S] et en notant que la Vmax apparente diminue en pr sence d'un inhibiteur non comp titif, tandis que Km est inchang (voir Fig. 5.14). [Remarque : L'oxypurinol, un m tabolite du prom dicament allopurinol, est un inhibiteur non comp titif de la xanthine oxydase, une enzyme de d gradation de la purine (voir p. 301).] C. Inhibiteurs d'enzymes en tant que m dicaments Au moins la moiti des dix m dicaments les plus couramment prescrits aux tats-Unis agissent comme des inhibiteurs d'enzymes. Par exemple, les antibiotiques lactamines largement prescrits, tels que la p nicilline et l'amoxicilline, agissent en inhibant les enzymes impliqu es dans la synth se de la paroi cellulaire bact rienne. Les m dicaments peuvent galement agir en inhibant les r actions extracellulaires. Ceci est illustr par les inhibiteurs de l'enzyme de conversion de l'angiotensine (ECA). Ils abaissent la tension art rielle en bloquant l'ECA plasmatique qui clive l'angiotensine I pour former le puissant vasoconstricteur, l'angiotensine II. Ces m dicaments, qui comprennent le captopril, l' nalapril et le lisinopril, provoquent une vasodilatation et, par cons quent, une r duction de la pression art rielle. L'aspirine, un m dicament en vente libre, inhibe de mani re irr versible la synth se des prostaglandines et des thromboxanes en inhibant la cyclooxyg nase (voir p. 214). VIII. R GULATION ENZYMATIQUE La r gulation de la vitesse de r action des enzymes est essentielle pour qu'un organisme puisse coordonner ses nombreux processus m taboliques. Les taux de la plupart des enzymes sont r actifs aux changements de concentration du substrat, car le niveau intracellulaire de nombreux substrats est dans la gamme du Km. Ainsi, une augmentation de la concentration du substrat entra ne une augmentation de la vitesse de r action, ce qui tend ramener la concentration du substrat vers la normale. De plus, certaines enzymes ayant des fonctions r gulatrices sp cialis es r pondent aux effecteurs allost riques et/ou la modification covalente ou pr sentent des taux modifi s de synth se (ou de d gradation) des enzymes lorsque les conditions physiologiques sont modifi es. A. Enzymes allost riques Les enzymes allost riques sont r gul es par des mol cules appel es effecteurs qui se lient de mani re non covalente un site autre que le site actif. Ces enzymes sont presque toujours compos es de plusieurs sous-unit s, et le site r gulateur (allost rique) qui se lie l'effecteur est distinct du site de liaison au substrat et peut tre situ sur une sous-unit qui n'est pas elle-m me catalytique. Les effecteurs qui inhibent l'activit enzymatique sont appel s effecteurs n gatifs, tandis que ceux qui augmentent l'activit enzymatique sont appel s effecteurs positifs. Les effecteurs positifs et n gatifs peuvent affecter l'affinit de l'enzyme pour son substrat (K0.5), modifier l'activit catalytique maximale de l'enzyme (Vmax), ou les deux (Fig. 5.16). [Remarque : Les enzymes allost riques catalysent fr quemment l' tape engag e, souvent l' tape limitant le d bit, au d but d'une voie.] 1. Effecteurs homotropes : Lorsque le substrat lui-m me sert d'effecteur, on dit que l'effet est homotrope. Le plus souvent, un substrat allost rique fonctionne comme un
Biochimie_Lippincott	effecteur positif. Dans un tel cas, la pr sence d'une mol cule de substrat un endroit de l'enzyme am liore les propri t s catalytiques des autres sites de liaison au substrat. C'est- -dire que leurs sites de liaison pr sentent une coop rativit . Ces enzymes pr sentent une courbe sigmo dale lorsque vo est trac en fonction de la concentration du substrat, comme le montre la figure 5.16. Cela contraste avec la courbe hyperbolique caract ristique des enzymes suivant la cin tique de Michaelis-Menten, comme nous l'avons vu pr c demment. [Remarque : Le concept de coop rativit de la liaison du substrat est analogue la liaison de l'oxyg ne l'h moglobine (voir p. 29).] 2. Effecteurs h t rotropes : L'effecteur peut tre diff rent du substrat, auquel cas l'effet est dit h t rotrope. Par exemple, consid rons l'inhibition de r troaction illustr e la Figure 5.17. L'enzyme qui convertit D en E a un site allost rique qui se lie au produit final, G. Si la concentration de G augmente (par exemple, parce qu'il n'est pas utilis aussi rapidement qu'il est synth tis ), la premi re tape irr versible propre la voie est g n ralement inhib e. L'inhibition par r troaction fournit la cellule des quantit s appropri es d'un produit dont elle a besoin en r gulant le flux de mol cules de substrat par la voie qui synth tise ce produit. Les effecteurs h t rotropes sont couramment rencontr s. Par exemple, l'enzyme glycolytique phosphofructokinase-1 est inhib e allost riquement par le citrate, qui n'est pas un substrat de l'enzyme (voir p. 99). Figure5.17R troinhibition de la voie m tabolique. B. Modification covalente De nombreuses enzymes sont r gul es par une modification covalente, le plus souvent par l'ajout ou l' limination de groupes phosphate partir de r sidus sp cifiques de s rine, de thr onine ou de tyrosine de l'enzyme. La phosphorylation des prot ines est reconnue comme l'un des principaux moyens par lesquels les processus cellulaires sont r gul s. 1. Phosphorylation et d phosphorylation : Les r actions de phosphorylation sont catalys es par une famille d'enzymes appel es prot ines kinases qui utilisent l'ATP comme donneur de phosphate. Les groupes phosphate sont cliv s des enzymes phosphoryl es par l'action des phosphoprot ines phosphatases (Fig. 5.18). 2. R ponse enzymatique la phosphorylation : Selon l'enzyme sp cifique, la forme phosphoryl e peut tre plus ou moins active que l'enzyme non phosphoryl e. Par exemple, la phosphorylation hormonale de la glycog ne phosphorylase (une enzyme qui d grade le glycog ne) augmente l'activit , tandis que la phosphorylation de la glycog ne synthase (une enzyme qui synth tise le glycog ne) diminue l'activit (voir p. 132). C. Synth se enzymatique Les m canismes de r gulation d crits ci-dessus modifient l'activit des mol cules enzymatiques existantes. Cependant, les cellules peuvent galement r guler la quantit d'enzyme pr sente en modifiant le taux de d gradation de l'enzyme ou, plus g n ralement, le taux de synth se enzymatique. L'augmentation (induction) ou la diminution (r pression) de la synth se enzymatique entra ne une alt ration de la population totale des sites actifs. Les enzymes soumises la r gulation de la synth se sont souvent celles qui sont n cessaires un seul stade de d veloppement ou dans des conditions physiologiques s lectionn es. Par exemple, des niveaux lev s d'insuline en raison d'une glyc mie lev e entra nent une augmentation de la synth se des enzymes cl s impliqu es dans le m tabolisme du glucose (voir p. 105). En revanche, les enzymes qui sont utilis es en permanence ne sont g n ralement pas r gul es en modifiant le taux de synth se des enzymes. Les alt rations des niveaux d'enzymes r sultant de l'induction ou de la r pression de la synth se des prot ines sont lentes (de quelques heures quelques jours), compar es aux modifications de l'activit enzymatique r gul es de mani re allost rique ou covalente, qui se produisent en quelques secondes quelques minutes. Figure La section 5.19 r sume les fa ons courantes dont l'activit enzymatique est r gul e. IX. Les enzymes dans le diagnostic clinique Les enzymes plasmatiques peuvent tre class es en deux grands groupes. Tout d'abord, un groupe relativement petit d'enzymes est activement s cr t dans le sang par certains types de cellules. Par exemple, le foie s cr te des zymog nes (pr curseurs inactifs) des enzymes impliqu es dans la coagulation sanguine. Deuxi mement, un grand nombre d'esp ces enzymatiques sont lib r es des cellules lors du renouvellement cellulaire normal. Ces enzymes fonctionnent presque toujours de mani re intracellulaire et n'ont aucune utilisation physiologique dans le plasma. Chez les individus en bonne sant , les niveaux de ces enzymes sont assez constants et repr sentent un tat stable dans lequel le taux de lib ration des cellules endommag es dans le plasma est quilibr par un taux gal d' limination du plasma. Une augmentation des taux plasmatiques de ces
Biochimie_Lippincott	enzymes peut indiquer des l sions tissulaires (Fig. 5.20). (B) cellules. Le plasma est la partie fluide et non cellulaire du sang. Les tests de laboratoire de l'activit enzymatique utilisent le plus souvent du s rum, qui est obtenu par centrifugation du sang total apr s qu'il a t laiss coaguler. Le plasma est un liquide physiologique, tandis que le s rum est pr par en laboratoire. A. Taux d'enzymes plasmatiques dans les tats pathologiques De nombreuses maladies qui causent des l sions tissulaires entra nent une lib ration accrue d'enzymes intracellulaires dans le plasma. Les activit s de bon nombre de ces enzymes sont r guli rement d termin es des fins de diagnostic dans les maladies du c ur, du foie, des muscles squelettiques et d'autres tissus. Le niveau d'activit enzymatique sp cifique dans le plasma est souvent corr l l' tendue des l sions tissulaires. Par cons quent, il est souvent utile de d terminer le degr d' l vation d'une activit enzymatique particuli re dans le plasma pour valuer le pronostic du patient. B. Les enzymes plasmatiques en tant qu'outils de diagnostic Certaines enzymes montrent une activit relativement lev e dans un seul ou quelques tissus. Par cons quent, la pr sence de niveaux accrus de ces enzymes dans le plasma refl te des dommages aux tissus correspondants. Par exemple, l'enzyme alanine aminotransf rase (ALT ; voir p. 251) est abondante dans le foie. L'apparition de taux lev s d'ALT dans le plasma signale des dommages possibles au tissu h patique. [Remarque : La mesure de l'ALT fait partie du panel de test de la fonction h patique.] L'augmentation des taux plasmatiques d'enzymes ayant une large distribution tissulaire fournit une indication moins sp cifique du site de la l sion cellulaire et limite leur valeur diagnostique. C. Isoenzymes et maladies cardiaques Les isoenzymes ( galement appel es isoenzymes) sont des enzymes qui catalysent la m me r action. Cependant, ils n'ont pas n cessairement les m mes propri t s physiques en raison de diff rences g n tiquement d termin es dans la s quence des acides amin s. Pour cette raison, les isoenzymes peuvent contenir un nombre diff rent d'acides amin s charg s, ce qui permet l' lectrophor se (le mouvement des particules charg es dans un champ lectrique) de les s parer (Fig. 5.21). Diff rents organes contiennent g n ralement des proportions caract ristiques de diff rentes isoenzymes. Le mod le d'isoenzymes pr sent dans le plasma peut donc servir identifier le site de la l sion tissulaire. Par exemple, les taux plasmatiques de cr atine kinase (CK) sont couramment d termin s dans le diagnostic d'infarctus du myocarde (IM). Ils sont particuli rement utiles lorsque l' lectrocardiogramme (ECG) est difficile interpr ter, par exemple lorsqu'il y a eu des pisodes ant rieurs de maladie cardiaque. 1. Structure quaternaire isoenzymatique : De nombreuses isoenzymes contiennent diff rentes sous-unit s dans diverses combinaisons. Pour par exemple, la CK se pr sente sous la forme de trois isoenzymes. Chaque isoenzyme est un dim re compos de deux polypeptides (appel s sous-unit s B et M) associ s dans l'une des trois combinaisons suivantes : CK1 = BB, CK2 = MB et CK3 = MM. Chaque isoenzyme CK pr sente une mobilit lectrophor tique caract ristique (voir Fig. 5.21). [Remarque : Pratiquement tout le CK dans le cerveau est l'isoforme BB, alors que c'est le MM dans le muscle squelettique. Dans le muscle cardiaque, environ un tiers est MB et le reste est MM.] 2. Diagnostic de l'infarctus du myocarde : La mesure des taux sanguins de prot ines ayant une sp cificit cardiaque (biomarqueurs) est utilis e dans le diagnostic de l'infarctus du myocarde. Le muscle myocardique est le seul tissu qui contient >5 % de l'activit totale de la CK sous forme d'isoenzyme CK2 (MB). L'apparition de cette isoenzyme hybride dans le plasma est pratiquement sp cifique de l'infarctus du myocarde. la suite d'un infarctus du myocarde aigu, CK2 appara t dans le plasma dans les 4 8 heures suivant l'apparition de la douleur thoracique, atteint un pic d'activit ~24 heures et revient la ligne de base apr s 48 72 heures (Fig. 5.22). Les troponines T (TnT) et I (TnI) sont des prot ines r gulatrices impliqu es dans la contractilit musculaire. Des isoformes sp cifiques du cancer (cTn) sont lib r es dans le plasma en r ponse des l sions cardiaques. Ils sont tr s sensibles et sp cifiques aux l sions du tissu cardiaque. La cTn appara t dans le plasma dans les 4 6 heures suivant un infarctus du myocarde, atteint un pic dans les 24 36 heures et reste lev e pendant 3 10 jours. Une cTn lev e, associ e la pr sentation clinique et aux modifications caract ristiques de l'ECG, est actuellement consid r e comme la r f rence dans le diagnostic d'un IM. X. R SUM DU CHAPITRE Les enzymes sont des catalyseurs prot iques qui augmentent la vitesse d'une r action chimique en abaissant l' nergie de l' tat de transition (Fig. 5.23). Ils ne sont
Biochimie_Lippincott	pas consomm s pendant la r action. Les mol cules enzymatiques contiennent une fente sp ciale appel e site actif, qui contient des cha nes lat rales d'acides amin s qui participent la liaison du substrat et la catalyse. Le site actif se lie au substrat, formant un complexe enzyme-substrat (ES). On pense que la liaison provoque un changement conformationnel de l'enzyme (ajustement induit) qui permet la catalyse. Le SE est converti en enzyme et en produit. Une enzyme permet une r action de se d rouler rapidement dans les conditions qui pr valent dans la cellule en fournissant une voie de r action alternative avec une nergie d'activation (Ea) plus faible. Parce que l'enzyme ne modifie pas les nergies libres des r actifs ou des produits, elle ne modifie pas l' quilibre de la r action. La plupart des enzymes pr sentent une cin tique de Michaelis-Menten, et un graphique de la vitesse de r action initiale (vo) en fonction de la concentration du substrat ([S]) a une forme hyperbolique similaire la courbe de dissociation de l'oxyg ne de la myoglobine. Un trac Lineweaver-Burk de 1/v et 1/[S] permet de d terminer Vmax (vitesse maximale) et Km (constante de Michaelis, qui refl te l'affinit pour le substrat). Toute substance qui peut diminuer la vitesse d'une r action catalys e par une enzyme est appel e inhibiteur. Les deux types d'inhibition r versible les plus courants sont comp titifs (qui augmentent le Km apparent) et non comp titifs (qui diminuent le Vmax apparent). En revanche, les enzymes allost riques multisous-unitaires pr sentent une courbe sigmo dale de forme similaire la courbe de dissociation de l'oxyg ne de l'h moglobine. Ils catalysent g n ralement l' tape engag e d'un parcours. Les enzymes allost riques sont r gul es par des mol cules appel es effecteurs qui se lient de mani re non covalente un site autre que le site actif. Les effecteurs peuvent tre positifs (augmentation de l'activit enzymatique) ou n gatifs (diminution de l'activit enzymatique). Un effecteur allost rique peut modifier l'affinit de l'enzyme pour son substrat (K0,5), l'activit catalytique maximale de l'enzyme (Vmax), ou les deux. Les enzymes peuvent galement tre r gul es par la modification covalente et par des changements dans le taux de synth se ou de d gradation. Les enzymes ont une valeur diagnostique et th rapeutique en m decine. Choisissez UNE meilleure r ponse. .1. Dans les cas d'intoxication l' thyl ne glycol et de son acidose m tabolique caract ristique, le traitement implique la correction de l'acidose, l' limination de tout thyl ne glycol restant et l'administration d'un inhibiteur de l'alcool d shydrog nase (ADH), l'enzyme qui oxyde l' thyl ne glycol en acides organiques qui causent l'acidose. L' thanol (alcool de grain) est souvent l'inhibiteur administr pour traiter l'intoxication l' thyl ne glycol. Les r sultats d'exp riences utilisant de l'ADH avec et sans thanol sont pr sent s droite. Sur la base de ces donn es, quel type d'inhibition est caus par l' thanol ? A. Comp titifB. Retour d'informationC. Irr versibleD. Non comp titif Bonne r ponse = A. Un inhibiteur comp titif augmente le Km apparent pour un substrat donn . Cela signifie qu'en pr sence d'un inhibiteur comp titif, il faut plus de substrat pour atteindre un demi-Vmax. L'effet d'un inhibiteur comp titif est invers par l'augmentation de la concentration du substrat ([S]). un [S] suffisamment lev , la vitesse de r action atteint la Vmax observ e en l'absence d'inhibiteur. .2. L'alcool d shydrog nase (ADH) n cessite du nicotinamide ad nine dinucl otide oxyd (NAD+) pour son activit catalytique. Dans la r action catalys e par l'ADH, un alcool est oxyd en ald hyde lorsque le NAD+ est r duit en NADH et se dissocie de l'enzyme. Le NAD+ fonctionne comme un : A. apoenzyme.B. coenzyme-cosubstrat.C. groupe coenzyme-proth se. D. cofactor.E. effecteur h t rotrope. Bonne r ponse = B. R Les coenzymes sont de petites mol cules organiques qui s'associent transitoirement une enzyme et quittent l'enzyme sous une forme modifi e. Les groupes coenzyme-proth se sont de petites mol cules organiques qui s'associent de fa on permanente une enzyme et reprennent leur forme originale sur l'enzyme. Les cofacteurs sont des ions m talliques. Les effecteurs h t rotropes ne sont pas des substrats. Pour les questions 5.3 et 5.4, utilisez le graphique ci-dessous qui montre les changements d' nergie libre lorsqu'un r actif est converti en un produit en pr sence et en l'absence d'une enzyme. S lectionnez la lettre qui repr sente le mieux : .3. l' nergie d'activation de la r action directe catalys e. .4. l' nergie libre de la r action. Bonnes r ponses = B ; D. Les enzymes (catalyseurs prot iques) fournissent une voie de r action alternative avec une nergie d'activation plus faible. Cependant, ils ne modifient pas l' nergie libre du r actif ou du produit. A est l' nergie d'activation de la r action non catalys e. C est l' nergie d'activation de la r
Biochimie_Lippincott	action inverse catalys e. Pour obtenir d'autres documents auxiliaires relatifs ce chapitre, veuillez consulter le site thePoint. I. APER U La bio nerg tique d crit le transfert et l'utilisation de l' nergie dans les syst mes biologiques. Il s'agit des tats d' nergie initiaux et finaux des composants de la r action, et non du m canisme de r action ou du temps n cessaire pour que le changement chimique se produise. La bio nerg tique utilise quelques id es de base du domaine de la thermodynamique, en particulier le concept d' nergie libre. Parce que les changements d' nergie libre fournissent une mesure de la faisabilit nerg tique d'une r action chimique, ils permettent de pr dire si une r action ou un processus peut avoir lieu. En bref, la bio nerg tique pr dit si un processus est possible, tandis que la cin tique mesure la vitesse de r action (voir p. 54). II. NERGIE LIBRE La direction et l' tendue du d roulement d'une r action chimique sont d termin es par le degr de changement de deux facteurs au cours de la r action. Il s'agit de l'enthalpie ( H, une mesure de la variation [ ] du contenu thermique des r actifs et des produits) et de l'entropie ( S, une mesure de la variation du caract re al atoire ou du d sordre des r actifs et des produits), comme le montre la figure 6.1. Aucune de ces grandeurs thermodynamiques n'est suffisante elle seule pour d terminer si une r action chimique se d roulera spontan ment dans la direction o elle est crite. Cependant, lorsqu'elles sont combin es math matiquement (voir Fig. 6.1), l'enthalpie et l'entropie peuvent tre utilis es pour d finir une troisi me quantit , l' nergie libre (G), qui pr dit la direction dans laquelle une r action se d roulera spontan ment. III. CHANGEMENT D' NERGIE LIBRE La variation de l' nergie libre est repr sent e de deux mani res, G et G0. Le premier, G (sans l'exposant 0 ), repr sente la variation de l' nergie libre et, par cons quent, la direction d'une r action une concentration sp cifi e de produits et de r actifs. G est donc une variable. Cela contraste avec la variation d' nergie libre standard, G0 (avec l'exposant 0 ), qui est la variation d' nergie lorsque les r actifs et les produits sont une concentration de 1 mol/l. [Remarque : La concentration de protons (H+) est suppos e tre de 10 7 mol/l (c'est- -dire, pH = 7). Cela peut tre d montr par un signe premier ('), par exemple G0'. Bien que G0, une constante, repr sente les changements d' nergie ces concentrations non physiologiques de r actifs et de produits, il est n anmoins utile pour comparer les changements d' nergie de diff rentes r actions. De plus, G0 peut facilement tre d termin partir de la mesure de la constante d' quilibre (voir p. 71). [Remarque : Cette section d crit les utilisations de G, et G0 est d crit la section D. ci-dessous.] A. G et direction de r action Le signe de G peut tre utilis pour pr dire la direction d'une r action temp rature et pression constantes. Consid rons la r action : 1. N gatif G : Si G est n gatif, alors il y a une perte nette d' nergie, et la r action se d roule spontan ment comme crit (c'est- -dire que A est converti en B) comme le montre la Figure 6.2A. On dit que la r action est exergonique. 2. Positif G : Si G est positif, il y a un gain net d' nergie et la r action ne passe pas spontan ment de B A (Fig. 6.2B). Il faut ajouter de l' nergie au syst me pour que la r action aille de B A. On dit que la r action est endergonique. 3. Z ro G : Si G = 0, alors la r action est en quilibre. [Remarque : Lorsqu'une r action se d roule spontan ment (c'est- -dire que G est n gatif), la r action se poursuit jusqu' ce que G atteigne z ro et que l' quilibre soit tabli.] B. G des r actions avant et arri re L' nergie libre de la r action directe (A B) est gale en amplitude mais de signe oppos celle de la r action inverse (B A). Par exemple, si G de la r action directe est de -5 kcal/mol, alors celui de la r action inverse est de +5 kcal/mol. [Remarque : G peut galement tre exprim en kilojoules par mole ou en kJ/mol (1 kcal = 4,2 kJ).] C. G et concentrations du r actif et du produitLa G de la r action A B d pend de la concentration du r actif et du produit. constante temp rature et pression, la relation suivante peut tre d riv e : o G0 est la variation standard de l' nergie libre (voir D. ci-dessous) R est la constante des gaz (1,987 cal/mol K) T est la temp rature absolue (K) [A] et [B] sont les concentrations r elles du r actif et le produit ln repr sente le logarithme n p rien. Une r action avec un G0 positif peut se d rouler vers l'avant si le rapport produits/r actifs ([B]/[A]) est suffisamment petit (c'est- -dire que le rapport produits/produits est grand) pour rendre G n gatif. Par exemple, consid rez la r action : D. Changement standard d' nergie libre La variation d' nergie libre standard, G0, est appel e ainsi parce qu'elle est gale la varia
Biochimie_Lippincott	tion d' nergie libre, G, dans des conditions standard (c'est- -dire lorsque les r actifs et les produits sont des concentrations de 1 mol/l ; Fig. 6.3B). Dans ces conditions, le logarithme n p rien du rapport des produits aux r actifs est nul (ln1 = 0), et, par cons quent, l' quation pr sent e au bas de la page pr c dente devient : 1. G0 et direction de la r action : dans des conditions standard, G0 peut tre utilis pour pr dire la direction de d roulement d'une r action, car, dans ces conditions, G0 est gal G. Cependant, G0 ne peut pas pr dire la direction d'une r action dans des conditions physiologiques car il est compos uniquement de constantes (R, T et Keq [voir 2. ci-dessous]) et n'est donc pas modifi par les changements de concentrations du produit ou du substrat. 2. Relation entre G0 et Keq : Dans une r action A B, un point d' quilibre est atteint auquel aucun autre changement chimique net n'a lieu (c'est- -dire lorsque A est converti en B aussi rapidement que B est converti en A). Dans cet tat, le rapport de [B] [A] est constant, quelles que soient les concentrations r elles des deux compos s : o Keq est la constante d' quilibre, et [A]eq et [B]eq sont les concentrations de A et B l' quilibre. Si l'on laisse la r action A B atteindre l' quilibre temp rature et pression constantes, alors, l' quilibre, le G global est nul (Fig. 6.3C). Par cons quent, o les concentrations r elles de A et B sont gales aux concentrations d' quilibre du r actif et du produit ([A]eq et [B]eq), et leur rapport est gal au Keq. Ainsi Cette quation permet quelques pr dictions simples : 3. G0 de deux r actions cons cutives : Les G0 sont additifs dans n'importe quelle s quence de r actions cons cutives, tout comme les G. Par exemple : 4. G d'une voie : La propri t additive de G est tr s importante dans les voies biochimiques par lesquelles les substrats (r actifs) doivent passer dans une direction particuli re (par exemple, A B C D ...). Tant que la somme des G des r actions individuelles est n gative, la voie peut se d rouler comme crit, m me si certaines des r actions individuelles de la voie ont une G positive. Cependant, les vitesses r elles des r actions d pendent de l'abaissement des nergies d'activation (Ea) par les enzymes qui catalysent les r actions (voir p. 55). IV. L'ATP : UN VECTEUR NERG TIQUE Les r actions ou les processus qui ont une grande G positive, comme le d placement d'ions contre un gradient de concentration travers une membrane cellulaire, sont rendus possibles par le couplage du mouvement endergonique des ions avec un second processus spontan avec une grande G n gative, comme l'hydrolyse exergonique de l'ATP (voir p. 87). [Remarque : En l'absence d'enzymes, l'ATP est une mol cule stable car son hydrolyse a un Ea lev .] La figure 6.4 montre un mod le m canique de couplage d' nergie. L'exemple le plus simple de couplage d' nergie dans les r actions biologiques se produit lorsque les r actions n cessitant de l' nergie et les r actions produisant de l' nergie partagent un interm diaire commun. A. Interm diaires courants Deux r actions chimiques ont un interm diaire commun lorsqu'elles se produisent s quentiellement en ce sens que le produit de la premi re r action est un substrat pour la seconde. Par exemple, compte tenu des r actions D est l'interm diaire commun et peut servir de transporteur d' nergie chimique entre les deux r actions. [Remarque : L'interm diaire peut tre li une enzyme.] De nombreuses r actions coupl es utilisent l'ATP pour g n rer un interm diaire commun. Ces r actions peuvent impliquer le transfert d'un groupe phosphate de l'ATP une autre mol cule. D'autres r actions impliquent le transfert de phosphate d'un interm diaire riche en nergie l'ad nosine diphosphate (ADP), formant de l'ATP. B. nergie transport e par l'ATP L'ATP est constitu d'une mol cule d'ad nosine (ad nine + ribose) laquelle sont attach s trois groupes phosphate (Fig. 6.5). L' limination d'un phosphate produit de l'ADP, et l' limination de deux phosphates produit de l'ad nosine monophosphate (AMP). Pour l'ATP, le G0 de l'hydrolyse est d'environ 7,3 kcal/mol pour chacun des deux groupes phosphat s terminaux. En raison de cette grande G0 n gative de l'hydrolyse, l'ATP est appel un compos phosphate haute nergie. [Remarque : Les nucl otides d'ad nine sont interconvertis (2 ADP ATP + AMP) par l'ad nylate kinase.] V. CHA NE DE TRANSPORT D' LECTRONS Les mol cules riches en nergie, telles que le glucose, sont m tabolis es par une s rie de r actions d'oxydation produisant finalement du dioxyde de carbone et de l'eau (H2O), comme le montre la figure 6.6. Les interm diaires m taboliques de ces r actions donnent des lectrons des coenzymes sp cifiques, le nicotinamide ad nine dinucl otide (NAD+) et la flavine ad nine dinucl otide (FAD), pour former les formes r duites riches en nergie, NADH et FADH2. Ces coenzymes r duites peuvent, l
Biochimie_Lippincott	eur tour, donner chacune une paire d' lectrons un ensemble sp cialis de porteurs d' lectrons, collectivement appel cha ne de transport d' lectrons (CTE), d crit dans cette section. Lorsque les lectrons sont transmis dans l'ETC, ils perdent une grande partie de leur nergie libre. Cette nergie est utilis e pour d placer H+ travers la membrane mitochondriale interne, cr ant un gradient H+ qui entra ne la production d'ATP partir de l'ADP et du phosphate inorganique (Pi), d crit la p. 77. Le couplage du transport d' lectrons avec la synth se de l'ATP est appel phosphorylation oxydative, parfois not e OXPHOS. Il se d roule en continu dans tous les tissus qui contiennent des mitochondries. [Remarque : L' nergie libre qui n'est pas pi g e sous forme d'ATP est utilis e pour entra ner des r actions auxiliaires telles que le transport d'ions calcium dans les mitochondries et pour g n rer de la chaleur.] A. Cha ne de transport d' lectrons mitochondriale L'ETC ( l'exception du cytochrome c, voir p. 75) est situ dans la membrane mitochondriale interne et constitue la derni re voie commune par laquelle les lectrons d riv s de diff rents carburants du corps circulent vers l'oxyg ne (O2), le r duisant H2O (voir Fig. 6.6). 1. Membranes mitochondriales : La mitochondrie contient une membrane externe et une membrane interne s par es par l'espace intermembranaire. Bien que la membrane externe contienne des canaux sp ciaux (form s par la prot ine porine), ce qui la rend librement perm able la plupart des ions et des petites mol cules, la membrane interne est une structure sp cialis e qui est imperm able la plupart des petits ions, y compris H+, et aux petites mol cules telles que l'ATP, l'ADP, le pyruvate et d'autres m tabolites importants pour la fonction mitochondriale (Fig. 6.7). Des transporteurs ou des syst mes de transport sp cialis s sont n cessaires pour d placer les ions ou les mol cules travers cette membrane. La membrane mitochondriale interne est exceptionnellement riche en prot ines, dont plus de la moiti sont directement impliqu es dans la phosphorylation oxydative. Il contient galement des circonvolutions, appel es cr tes, qui augmentent consid rablement sa surface. 2. Matrice mitochondriale : La solution g latineuse de la matrice (int rieure) des mitochondries est galement riche en prot ines. Il s'agit notamment des enzymes responsables de l'oxydation du pyruvate, des acides amin s et des acides gras (par -oxydation) ainsi que ceux du cycle de l'acide tricarboxylique (TCA). La synth se du glucose, de l'ur e et de l'h me se produit partiellement dans la matrice des mitochondries. De plus, la matrice contient du NAD+ et du FAD (les formes oxyd es des deux coenzymes n cessaires aux accepteurs d' lectrons), ainsi que de l'ADP et du Pi, qui sont utilis s pour produire de l'ATP. [Remarque : La matrice contient galement de l'acide d soxyribonucl ique mitochondrial (ADNmt), de l'acide ribonucl ique (ARNmt) et des ribosomes.] B. Organisation La membrane mitochondriale interne contient quatre complexes prot iques distincts, appel s complexes I, II, III et IV, qui contiennent chacun une partie de l'ETC (Fig. 6.8). Ces complexes acceptent ou donnent des lectrons la coenzyme Q (CoQ) et au cytochrome c, un transporteur d' lectrons relativement mobile. Chaque porteur de l'ETC peut recevoir des lectrons d'un donneur d' lectrons et peut ensuite donner des lectrons l'accepteur suivant de la cha ne. Les lectrons finissent par se combiner avec O2 et H+ pour former H2O. Cette exigence en O2 fait du processus de transport d' lectrons la cha ne respiratoire, qui repr sente la plus grande partie de l'utilisation de l'O2 par l'organisme. C. R actions l'exception de la CoQ, qui est une quinone liposoluble, tous les membres de l'ETC sont des prot ines. Ceux-ci peuvent fonctionner comme des enzymes comme c'est le cas avec les d shydrog nases contenant des flavines, peuvent contenir du fer dans le cadre d'un centre fer-soufre (Fe-S), peuvent contenir du fer dans le cadre du groupe proth tique porphyrine de l'h me comme dans les cytochromes, ou peuvent contenir du cuivre (Cu) comme le fait le complexe cytochrome a + a3. 1. Formation du NADH : Le NAD+ est r duit en NADH par des d shydrog nases qui retirent deux atomes d'hydrog ne de leur substrat. [Note : Pour des exemples de ces r actions, voir la discussion sur les d shydrog nases du cycle du TCA, p. 112.] Les deux lectrons, mais un seul H+ (c'est- -dire un ion hydrure [ :H ]) sont transf r s au NAD+, formant du NADH plus un H+ libre. 2. NADH d shydrog nase : L'ion H+ libre plus l'ion hydrure port par le NADH sont transf r s la NADH d shydrog nase, un complexe prot ique (complexe I) int gr dans la membrane mitochondriale interne. Le complexe I a une mol cule troitement li e de flavine mononucl otide (FMN), une coenzyme structurellement apparent e la FAD (voir Fig. 28.15, p. 384) qui accepte les deux atomes d'hydrog ne (2 lectrons
Biochimie_Lippincott	+ 2 H+), devenant FMNH2. La NADH d shydrog nase contient galement des sous-unit s peptidiques avec des centres Fe-S (Fig. 6.9). Au Complexe I, les lectrons se d placent du NADH vers le FMN vers le fer des centres Fe-S puis vers le CoQ. Lorsque les lectrons circulent, ils perdent de l' nergie. Cette nergie est utilis e pour pomper quatre H+ travers la membrane mitochondriale interne, de la matrice l'espace intermembranaire. 3. Succinate d shydrog nase : Au Complexe II, les lectrons de l'oxydation catalys e par la succinate d shydrog nase du succinate en fumarate passent de la coenzyme, FADH2, une prot ine Fe-S, puis la CoQ. [Remarque : Parce qu'aucune nergie n'est perdue dans ce processus, aucun H+ n'est pomp au Complexe II.] 4. Coenzyme Q : La CoQ est un d riv de la quinone avec une longue queue isopr no de hydrophobe. Il est fabriqu partir d'un interm diaire de la synth se du cholest rol (voir p. 221). [Remarque : On l'appelle aussi ubiquinone parce qu'elle est omnipr sente dans les syst mes biologiques.] La CoQ est un vecteur d' lectrons mobile et peut accepter des lectrons du NADH d shydrog nase (complexe I), de la succinate d shydrog nase (complexe II) et d'autres mitochondries d shydrog nases, telles que la glyc rol 3-phosphate d shydrog nase (voir p. 10). 80) et les acyl CoA d shydrog nases (voir p. 192). La CoQ transf re les lectrons au complexe III (cytochrome bc1). Ainsi, une fonction de la CoQ est de lier les flavoprot ines d shydrog nases aux cytochromes. 5. Cytochromes : Les membres restants de l'ETC sont des prot ines cytochromes. Chacun contient un groupe h mique (un cycle porphyrine plus du fer). Contrairement aux groupes h miques de l'h moglobine, le fer cytochrome est converti de mani re r versible de sa forme ferrique (Fe3+) sa forme ferreuse (Fe2+) dans le cadre normal de sa fonction d'accepteur et de donneur d' lectrons. Les lectrons sont transmis le long de la cha ne du cytochrome bc1 (complexe III), au cytochrome c, puis aux cytochromes a + a3 ([Complexe IV] voir Fig. 6.8). Au fur et mesure que les lectrons circulent, quatre H+ sont pomp s travers la membrane mitochondriale interne au Complexe III et deux au Complexe IV. [Remarque : Le cytochrome c est situ dans l'espace intermembranaire, faiblement associ la face externe de la membrane interne. Comme on le voit avec la CoQ, le cytochrome c est un porteur d' lectrons mobile.] 6. Cytochrome a + a3 : Parce que ce complexe cytochrome (complexe IV) est le seul transporteur d' lectrons dans lequel le fer h minique a un site de coordination disponible qui peut r agir directement avec O2, il est galement appel cytochrome c oxydase. Au complexe IV, les lectrons transport s, O2 et H+ libre sont r unis, et O2 est r duit en H2O (voir Fig. 6.8). [Remarque : Quatre lectrons sont n cessaires pour r duire une mol cule d'O2 deux mol cules de H2O.] La cytochrome c oxydase contient des atomes de Cu qui sont n cessaires cette r action compliqu e. Les lectrons se d placent de CuA au cytochrome a puis au cytochrome a3 (en association avec CuB) O2. 7. Inhibiteurs sp cifiques au site : Des inhibiteurs de sites sp cifiques dans le CTE ont t identifi s et sont illustr s la figure 6.10. Ces inhibiteurs respiratoires emp chent le passage des lectrons en se liant un composant de la cha ne, bloquant ainsi la r action d'oxydor duction. Par cons quent, tous les porteurs d' lectrons avant le bloc sont compl tement r duits, tandis que ceux situ s apr s le bloc sont oxyd s. [Remarque : L'inhibition de l'ETC inhibe la synth se de l'ATP parce que ces processus sont troitement coupl s (voir p. 78).] NaN3 = azoture de sodium. La fuite d' lectrons de l'ETC produit des esp ces r actives de l'oxyg ne (ROS), telles que le superoxyde (O2- ), le peroxyde d'hydrog ne (H2O2) et les radicaux hydroxyles (OH ). Les ROS endommagent l'ADN et les prot ines et provoquent une peroxydation lipidique. Des enzymes telles que la superoxyde dismutase (SOD), la catalase et la glutathion peroxydase sont des d fenses cellulaires contre les ROS (voir p. 148). D. Lib ration d' nergie libre pendant le transport d' lectrons L' nergie libre lib r e sous forme d' lectrons est transf r e le long de l'ETC d'un donneur d' lectrons (agent r ducteur ou r ducteur) un accepteur d' lectrons (agent oxydant ou oxydant) est utilis e pour pomper H+ aux complexes I, III et IV. [Remarque : Les lectrons peuvent tre transf r s sous forme d'ions hydrure au NAD+, sous forme d'atomes d'hydrog ne vers la FMN, la CoQ et la FAD, ou sous forme d' lectrons dans les cytochromes.] 1. Paires redox : L'oxydation (perte d' lectrons) d'une substance s'accompagne toujours d'une r duction (gain d' lectrons) d'une seconde. Par exemple, la figure 6.11 montre l'oxydation du NADH en NAD+ par la NADH d shydrog nase au niveau du complexe I, accompagn e de la r duction de FMN, le groupe proth tique, en FMNH2. De telles r actions d'oxydor duction peuvent tre crites co
Biochimie_Lippincott	mme la somme de deux demi-r actions distinctes, l'une tant une oxydation et l'autre une r duction (voir Fig. 6.11). Le NAD+ et le NADH forment une paire redox, tout comme le FMN et le FMNH2. Paires redox diff rent dans leur tendance perdre des lectrons. Cette tendance est une caract ristique d'une paire redox particuli re et peut tre sp cifi e quantitativement par une constante, E0 (le potentiel de r duction standard), avec des unit s en volts. 2. Potentiel de r duction standard : L'E0 de diff rentes paires redox peut tre ordonn de l'E0 le plus n gatif au plus positif. Plus le E0 d'une paire redox est n gatif, plus le membre r ducteur de cette paire a tendance perdre des lectrons. Plus le E0 est positif, plus la tendance du membre oxydant de cette paire accepter des lectrons est grande. Par cons quent, les lectrons s' coulent de la paire avec le plus n gatif E0 cela avec le plus positif E0. Les valeurs E0 pour certains membres du CTE sont illustr es la figure 6.12. [Remarque : Les composants de la cha ne sont dispos s par ordre de valeurs E0 de plus en plus positives.] 3. Relation entre G0 et E0 : Le G0 est directement li l'amplitude de la variation de E0 : o n = nombre d' lectrons transf r s (1 pour un cytochrome, 2 pour le NADH, FADH2 et CoQ) F = constante de Faraday (23,1 kcal/volt mol) E0 = E0 de la paire acceptant l' lectron moins E0 de la paire donneuse d' lectrons G0 = variation de l' nergie libre standard 4. G0 de l'ATP : Le G0 pour la phosphorylation de l'ADP en ATP est de +7,3 kcal/mol. Le transport d'une paire d' lectrons du NADH l'O2 travers l'ETC lib re 52,6 kcal. Par cons quent, l' nergie disponible est plus que suffisante pour produire trois ATP partir de trois ADP et trois Pi (3 7,3 = 21,9 kcal/mol), parfois exprim sous la forme d'un rapport P/O (ATP fabriqu par atome O r duit) de 3:1. Les calories restantes sont utilis es pour les r actions auxiliaires ou lib r es sous forme de chaleur. [Remarque : Le P :O pour FADH2 est de 2:1 car Le complexe I est contourn .]VI. PHOSPHORYLATION DE L'ADP EN ATP Le transfert d' lectrons vers le bas de l'ETC est nerg tiquement favoris car le NADH est un fort donneur d' lectrons et l'O2 est un accepteur d' lectrons avide. Cependant, le flux d' lectrons n'aboutit pas directement la synth se de l'ATP. A. Hypoth se chimiosmotique L'hypoth se chimiosmotique ( galement connue sous le nom d'hypoth se Mitchell) explique comment l' nergie libre g n r e par le transport des lectrons par l'ETC est utilis e pour produire de l'ATP partir d'ADP + Pi. 1. Pompe protons : Le transport d' lectrons est coupl la phosphorylation de l'ADP par le pompage de H+ travers la membrane mitochondriale interne, de la matrice l'espace intermembranaire, aux complexes I, III et IV. Pour chaque paire d' lectrons transf r s du NADH l'O2, 10 H+ sont pomp s. Cela cr e un gradient lectrique (avec plus de charges positives du c t cytosolique de la membrane que du c t de la matrice) et un gradient de pH (chimique) (le c t cytosolique de la membrane a un pH inf rieur celui du c t de la matrice), comme le montre la figure 6.13. L' nergie (force motrice des protons) g n r e par ces gradients est suffisante pour stimuler la synth se de l'ATP. Ainsi, le gradient H+ sert d'interm diaire commun qui couple l'oxydation la phosphorylation. 2. ATP synthase : L'enzyme multisous-unitaire ATP synthase ([Complexe V] Fig. 6.14) synth tise l'ATP en utilisant l' nergie du gradient H+. Il contient un domaine membranaire (Fo) qui s' tend sur la membrane mitochondriale interne et un domaine extramembraneux (F1) qui appara t comme une sph re qui fait saillie dans le matrice mitochondriale (voir Fig. 6.13). L'hypoth se chimiosmotique propose qu'apr s que H+ ait t pomp vers le c t cytosolique de la membrane mitochondriale interne, il rentre dans la matrice en passant par un canal H+ dans le domaine Fo, entra nant la rotation de l'anneau c de Fo et, en m me temps, dissipant le pH et les gradients lectriques. La rotation dans Fo provoque des changements conformationnels dans les trois sous-unit s de F1 qui leur permettent de se lier ADP + Pi, de phosphoryler l'ADP l'ATP et de lib rer de l'ATP. Une rotation compl te de l'anneau C produit trois ATP. [Remarque : L'ATP synthase est galement appel e F1/Fo-ATPase car l'enzyme peut galement catalyser l'hydrolyse de l'ATP en ADP et Pi.] Contient huit sous-unit s. Un tour complet de l'anneau est entra n par huit H+ (protons) se d pla ant dans le domaine Fo. Les changements conformationnels qui en r sultent dans les trois sous-unit s du domaine F1 permettent la phosphorylation de trois ad nosine diphosphates (ADP) en trois ATP.] Pi = phosphate inorganique. un. Couplage dans la phosphorylation oxydative : Dans les mitochondries normales, la synth se de l'ATP est coupl e au transport d' lectrons travers le gradient H+. L'augmentation (ou la diminution) d'un processus a le m me effet sur l
Biochimie_Lippincott	'autre. Par exemple, l'hydrolyse de l'ATP en ADP et Pi dans les r actions n cessitant de l' nergie augmente la disponibilit des substrats pour l'ATP synthase et, par cons quent, augmente le flux H+ travers l'enzyme. Le transport d' lectrons et le pompage de H+ par l'ETC augmentent pour maintenir le gradient H+ et permettre la synth se de l'ATP. b. Oligomycine : Ce m dicament se lie au domaine Fo (d'o la lettre o ) de l'ATP synthase, fermant le canal H+ et emp chant la rentr e de H+ dans la matrice, inhibant ainsi la phosphorylation de l'ADP en ATP. Parce que le pH et les gradients lectriques ne peuvent pas tre dissip s en pr sence de cet inhibiteur de phosphorylation, le transport d' lectrons s'arr te en raison de la difficult de pomper plus de H+ contre le gradient abrupt. Cette d pendance de la respiration cellulaire vis- -vis de la capacit phosphoryler l'ADP en ATP est connue sous le nom de contr le respiratoire et est la cons quence du couplage troit de ces processus. c. Prot ines de d couplage : Les prot ines de d couplage (UCP) se produisent dans la membrane mitochondriale interne des mammif res, y compris les humains. Ces prot ines forment des canaux qui permettent H+ de r int grer la matrice mitochondriale sans que l' nergie ne soit captur e sous forme d'ATP (Fig. 6.15). L' nergie est lib r e sous forme de chaleur, et le processus est appel thermogen se non frissonnante. UCP1, galement appel thermog nine, est responsable de la production de chaleur dans les adipocytes bruns riches en mitochondries des mammif res. [Remarque : Le froid provoque l'activation de l'expression d'UCP1 d pendante des cat cholamines.] Dans la graisse brune, contrairement la graisse blanche plus abondante, ~90% de son nergie respiratoire est utilis e pour la thermogen se chez les nourrissons en r ponse au froid. Ainsi, la graisse brune est impliqu e dans la d pense nerg tique, tandis que la graisse blanche est impliqu e dans le stockage de l' nergie. [Remarque : Il a r cemment t d montr que des d p ts de graisse brune sont pr sents chez les adultes.] d. D coupleurs synth tiques : Le transport d' lectrons et la phosphorylation de l'ADP peuvent galement tre d coupl s par des compos s qui transportent H+ travers la membrane mitochondriale interne, dissipant ainsi le gradient. L'exemple classique est le 2,4-dinitroph nol, un transporteur H+ lipophile (ionophore) qui se diffuse facilement travers la membrane mitochondriale (Fig. 6.16). Ce d coupleur fait que le transport des lectrons se d roule un rythme rapide sans tablir de gradient H+, tout comme le fait l'UCP. Encore une fois, l' nergie est lib r e sous forme de chaleur plut t que d' tre utilis e pour synth tiser l'ATP. [Remarque : fortes doses, l'aspirine et d'autres salicylates d couplent la phosphorylation oxydative. Cela explique la fi vre qui accompagne les surdoses toxiques de ces drogues.] B. Syst mes de transport membranaire La membrane mitochondriale interne est imperm able la plupart des substances charg es ou hydrophiles. Cependant, il contient de nombreuses prot ines de transport qui permettent le passage de certaines mol cules du cytosol la matrice mitochondriale. 1. Transport de l'ATP et de l'ADP : La membrane interne n cessite des transporteurs sp cialis s pour transporter l'ADP et le Pi du cytosol (o l'ATP est hydrolys en ADP dans de nombreuses r actions n cessitant de l' nergie) vers les mitochondries, o l'ATP peut tre resynth tis . Un antiporteur nucl otidique d'ad nine importe un ADP du cytosol dans la matrice, tandis qu'il exporte un ATP de la matrice dans le cytosol (voir Fig. 6.13). Un symporter cotransporte Pi et H+ du cytosol dans la matrice. 2. R duction de l' quivalent du transport : La membrane mitochondriale interne n'a pas de transporteur de NADH, et le NADH produit dans le cytosol (par exemple, dans la glycolyse ; voir p. 101) ne peut pas p n trer directement dans la matrice mitochondriale. Cependant, les quivalents r ducteurs de NADH sont transport s du cytosol dans la matrice l'aide de navettes de substrat. Dans la navette glyc rol 3phosphate (Fig. 6.17A), deux lectrons sont transf r s du NADH au phosphate de dihydroxyac tone par la glyc rol 3-phosphate d shydrog nase cytosolique. Le phosphate de glyc rol 3-produit est oxyd par l'isoenzyme mitochondriale lorsque le FAD est r duit en FADH2. La CoQ de l'ETC oxyde la FADH2. Par cons quent, la navette glyc rol 3-phosphate entra ne la synth se de deux ATP pour chaque NADH cytosolique oxyd . Cela contraste avec la navette malate-aspartate (Fig. 6.17B), qui produit du NADH (plut t que FADH2) dans la matrice mitochondriale, produisant ainsi trois ATP pour chaque NADH cytosolique oxyd par la malate d shydrog nase lorsque l'oxaloac tate est r duit en malate. Une prot ine de transport d place le malate dans la matrice mitochondriale. membrane mitochondriale interne. A. Navette 3-phosphate de glyc rol. B. Navette l'aspartate de malate. DHAP =
Biochimie_Lippincott	phosphate de dihydroxyac tone ; NAD(H) = dinucl otide ; CoQ = coenzyme Q. C. D fauts h r ditaires de phosphorylation oxydative Treize des ~90 polypeptides n cessaires la phosphorylation oxydative sont cod s par l'ADNmt et synth tis s dans les mitochondries, tandis que les prot ines restantes sont cod es par l'ADN nucl aire, synth tis es dans le cytosol, puis transport es dans les mitochondries. Les d fauts de phosphorylation oxydative sont plus probablement le r sultat d'alt rations de l'ADNmt, qui a un taux de mutation environ 10 fois sup rieur celui de l'ADN nucl aire. Les tissus ayant les besoins en ATP les plus lev s (par exemple, le syst me nerveux central, les muscles squelettiques et cardiaques et le foie) sont les plus touch s par les d fauts de phosphorylation oxydative. Les mutations de l'ADNmt sont responsables de plusieurs maladies, notamment de myopathies mitochondriales et de neuropathie optique h r ditaire de Leber, une maladie dans laquelle la perte bilat rale de la vision centrale se produit la suite d'une d g n rescence neuror tinienne, y compris des dommages au nerf optique. [Remarque : l'ADNmt est h rit de la m re parce que les mitochondries du spermatozo de ne p n trent pas dans l'ovule f cond .] D. Mitochondries et apoptose Le processus d'apoptose (mort cellulaire programm e) peut tre initi par la voie intrins que (m di e par les mitochondries) par la formation de pores dans la membrane mitochondriale externe. Ces pores permettent au cytochrome c de quitter l'espace intermembranaire et d'entrer dans le cytosol. L , le cytochrome c, en association avec des facteurs proapoptotiques, active une famille d'enzymes prot olytiques (les caspases), provoquant le clivage de prot ines cl s et entra nant les changements morphologiques et biochimiques caract ristiques de l'apoptose. VII. R SUM DU CHAPITRE La variation de l' nergie libre ( G) qui se produit au cours d'une r action pr dit la direction dans laquelle cette r action se d roulera spontan ment. Si G est n gatif (c'est- -dire que le produit a une nergie libre inf rieure celle du substrat), alors la r action est spontan e comme crit. Si G est positif, la r action n'est pas spontan e. Si G = 0, alors la r action est en quilibre. Le G de la r action directe est d'une amplitude gale mais de signe oppos celui de la r action inverse. Les G sont additives dans n'importe quelle s quence de r actions cons cutives, tout comme les changements d' nergie libre standard ( G0). Par cons quent, les r actions ou les processus qui ont une G positive importante sont rendu possible par le couplage avec ceux qui ont une grande G n gative comme l'hydrolyse de l'ATP. Les coenzymes r duites nicotinamide ad nine dinucl otide (NADH) et flavine ad nine dinucl otide (FADH2) donnent chacune une paire d' lectrons un ensemble sp cialis de porteurs d' lectrons, compos de flavine mononucl otide (FMN), de centres fer-soufre, de coenzyme Q et d'une s rie de cytochromes contenant de l'h me, collectivement appel s cha ne de transport d' lectrons. Cette voie est pr sente dans la membrane mitochondriale interne (imperm able la plupart des substances) et constitue la derni re voie commune par laquelle les lectrons d riv s de diff rents carburants du corps circulent vers l'oxyg ne (O2), qui a un grand potentiel de r duction positif (E0), le r duisant l'eau. Le cytochrome terminal, la cytochrome c oxydase, est le seul cytochrome capable de se lier l'O2. Le transport d' lectrons entra ne le pompage de protons (H+) travers la membrane mitochondriale interne de la matrice l'espace intermembranaire, 10 H+ par NADH oxyd . Ce processus cr e des gradients lectriques et de pH travers la membrane mitochondriale interne. Apr s que H+ ait t transf r vers le c t cytosolique de la membrane, ils r int grent la matrice en passant par le canal Fo H+ dans l'ATP synthase (complexe V), dissipant le pH et les gradients lectriques et provoquant des changements conformationnels dans les sous-unit s F1 de la synthase qui entra nent la synth se de l'ATP partir de l'ADP + phosphate inorganique. Le transport des lectrons et la phosphorylation sont troitement li s dans la phosphorylation oxydative ([OXPHOS] Fig. 6.18). L'inhibition d'un processus inhibe l'autre. Ces processus peuvent tre d coupl s en d couplant la prot ine-1 de la membrane mitochondriale interne des adipocytes bruns et par des compos s synth tiques tels que le 2,4-dinitroph nol et l'aspirine, qui dissipent tous le gradient H+. Dans les mitochondries non coupl es, l' nergie produite par le transport d' lectrons est lib r e sous forme de chaleur plut t que d' tre utilis e pour synth tiser l'ATP. Les mutations de l'ADN mitochondrial, qui est h r ditaire par la m re, sont responsables de certains cas de maladies mitochondriales telles que la neuropathie optique h r ditaire de Leber. La lib ration du cytochrome c dans le cytoplasme et l'activation ult rieure des caspases prot olytiq
Biochimie_Lippincott	ues entra nent la mort cellulaire apoptotique. Choisissez UNE meilleure r ponse. .1. Le 2,4-dinitroph nol (DNP), un d coupleur de la phosphorylation oxydative, a t utilis comme agent de perte de poids dans les ann es 1930. Des rapports faisant tat d'overdoses mortelles ont conduit son arr t en 1939. Laquelle des affirmations suivantes serait probablement vraie concernant les personnes prenant du 2,4-DNP ? A. Les niveaux d'ATP dans les mitochondries sont sup rieurs la normale.B. La temp rature corporelle est lev e en raison de l'hyperm tabolisme.C. Le cyanure n'a aucun effet sur le flux d' lectrons.D. Le gradient de protons travers la membrane mitochondriale interne est sup rieur la normale. E. Le taux de transport d' lectrons est anormalement faible. Bonne r ponse = B. Lorsque la phosphorylation est d coupl e du flux d' lectrons, on s'attend une diminution du gradient de protons travers la membrane mitochondriale interne et, par cons quent, une alt ration de la synth se de l'ATP. Pour tenter de compenser ce d faut de capture d' nergie, le m tabolisme et le flux d' lectrons vers l'oxyg ne sont augment s. Cette hyperm tabolisation s'accompagnera d'une temp rature corporelle lev e, car l' nergie contenue dans les carburants est en grande partie gaspill e, se pr sentant sous forme de chaleur. La cha ne de transport d' lectrons sera toujours inhib e par le cyanure. .2. Lequel des l ments suivants a la plus forte tendance gagner des lectrons ? A. Coenzyme QB. Cytochrome c C. Flavine ad nine dinucl otideD. Nicotinamide ad nine dinucl otide E. Oxyg ne Bonne r ponse = E. L'oxyg ne est l'accepteur terminal des lectrons dans la cha ne de transport d' lectrons (CTE). Les lectrons circulent dans l'ETC jusqu' l'oxyg ne car il a le potentiel de r duction le plus lev (le plus positif) (E0). Les autres choix pr c dent l'oxyg ne dans l'ETC et ont des valeurs E0 plus faibles. .3. Expliquez pourquoi et comment la navette malate-aspartate d place les quivalents r ducteurs de nicotinamide ad nine dinucl otide du cytosol la matrice mitochondriale. Il n'y a pas de transporteur du nicotinamide ad nine dinucl otide (NADH) dans la membrane mitochondriale interne. Cependant, le NADH cytoplasmique peut tre oxyd en NAD+ par la malate d shydrog nase lorsque l'oxaloac tate (OAA) est r duit en malate. Le malate est transport travers la membrane interne jusqu' la matrice o l'isoenzyme mitochondriale de la malate d shydrog nase l'oxyde en OAA lorsque le NAD+ mitochondrial est r duit en NADH. Ce NADH peut tre oxyd par le complexe I de la cha ne de transport d' lectrons, g n rant trois ATP par les processus coupl s de phosphorylation oxydative. .4. Le monoxyde de carbone (CO) se lie au complexe IV de la cha ne de transport d' lectrons et l'inhibe. Quel effet, le cas ch ant, cet inhibiteur respiratoire devrait-il avoir sur la phosphorylation de l'ad nosine diphosphate (ADP) en ATP ? L'inhibition du transport d' lectrons par des inhibiteurs respiratoires tels que le CO entra ne une incapacit maintenir le gradient de protons (H+). Par cons quent, la phosphorylation de l'ADP en ATP est inhib e, tout comme les r actions auxiliaires telles que l'absorption de calcium par les mitochondries, car elles n cessitent galement le gradient H+. Introduction aux glucides 7Pour des informations suppl mentaires sur ce chapitre, veuillez consulter le Point. I. APER U Les glucides (saccharides) sont les mol cules organiques les plus abondantes dans la nature. Ils ont un large ventail de fonctions, notamment fournir une fraction importante des calories alimentaires pour la plupart des organismes, agir comme une forme de stockage d' nergie dans le corps et servir de composants de membrane cellulaire qui m dient certaines formes de communication intercellulaire. Les glucides servent galement de composant structurel de nombreux organismes, notamment les parois cellulaires des bact ries, l'exosquelette des insectes et la cellulose fibreuse des plantes. [Remarque : L'ensemble complet des glucides produits par un organisme est son glycome.] La formule empirique pour la plupart des glucides les plus simples est (CH2O)n, o n 3, d'o le nom d' hydrate de carbone . II. CLASSIFICATION ET STRUCTURE Les monosaccharides (sucres simples) peuvent tre class s en fonction du nombre d'atomes de carbone qu'ils contiennent. Des exemples de certains monosaccharides couramment trouv s chez l'homme sont num r s la figure 7.1. Ils peuvent galement tre class s selon le type de groupe carbonyle qu'ils contiennent. Les glucides avec un ald hyde comme groupe carbonyle sont appel s aldoses, tandis que ceux avec un c to comme groupe carbonyle sont appel s c toses (Fig. 7.2). Par exemple, le glyc rald hyde est une aldose, tandis que la dihydroxyac tone est un c tose. Les glucides qui ont un groupe carbonyle libre ont le suffixe -ose. [Remarque : les c toses ont un ul suppl mentaire dans leur suffixe tel que xylulose. Il
Biochimie_Lippincott	y a des exceptions, comme le fructose, cette r gle.] Les monosaccharides peuvent tre li s par des liaisons glycosidiques pour cr er des structures plus grandes (Fig. 7.3). Les disaccharides contiennent deux unit s monosaccharides, les oligosaccharides contiennent de trois dix unit s monosaccharidiques et les polysaccharides en contiennent plus de dix monosaccharides et peuvent avoir des centaines d'unit s de sucre. A. Isom res et pim res Les compos s qui ont la m me formule chimique mais qui ont des structures diff rentes sont appel s isom res. Par exemple, le fructose, le glucose, le mannose et le galactose sont tous des isom res les uns des autres, ayant la m me formule chimique, C6H12O6. Isom res de glucides dont la configuration diff re autour d'un seul atome de carbone sp cifique ( l'exception du carbone carbonyle, voir C. 1. ci-dessous) sont d finis comme des pim res l'un de l'autre. Par exemple, le glucose et le galactose sont des pim res C-4 parce que leurs structures ne diff rent que par la position du groupe -OH (hydroxyle) au carbone 4. [Remarque : Les carbones dans les sucres sont num rot s en commen ant par la fin qui contient le carbone carbonyle (c'est- -dire le groupe ald hyde ou c to), comme le montre la figure 7.4.] Le glucose et le mannose sont des pim res C-2. Cependant, comme le galactose et le mannose diff rent par la position des groupes -OH sur deux carbones (carbones 2 et 4), ils sont des isom res plut t que des pim res (voir Fig. 7.4). B. nantiom res Un type particulier d'isom rie se trouve dans les paires de structures qui sont des images miroir l'une de l'autre. Ces images miroir sont appel es nantiom res, et les deux membres de la paire sont d sign s par un sucre D et un sucre L (Fig. 7.5). La grande majorit des sucres chez l'homme sont des isom res D. Dans la forme isom re D, le groupe -OH sur le carbone asym trique (un carbone li quatre atomes ou groupes diff rents) le plus loign du carbone carbonyle se trouve droite, tandis que dans l'isom re L, il est gauche. La plupart des enzymes sont sp cifiques de la forme D ou L, mais les enzymes connues sous le nom d'isom rases sont capables d'interconvertir les isom res D et L. comparaison avec un triose, le glyc rald hyde. [Remarque : Les carbones asym triques sont repr sent s en vert.] C. Cyclisation des monosaccharides Moins de 1 % de chacun des monosaccharides cinq atomes de carbone ou plus existe sous forme de cha ne ouverte (acyclique) en solution. Au contraire, ils se trouvent principalement sous une forme cyclique, dans laquelle le groupe ald hyde (ou c to) a r agi avec un groupe hydroxyle sur le m me sucre, rendant le carbone carbonyle (carbone 1 pour un aldose, carbone 2 pour un c tose) asym trique. Ce carbone asym trique est appel carbone anom re. 1. Am res : La cr ation d'un carbone anom re (l'ancien carbone carbonyle) g n re une nouvelle paire d'isom res, la et les configurations du sucre (par exemple, -D-glucopyranose et -D-glucopyranose), comme le montre la figure 7.6, qui sont des anom res l'un de l'autre. [Remarque : Dans la configuration , le groupe OH sur le carbone anom rique se projette du m me c t que l'anneau dans une formule de projection de Fischer modifi e (voir Fig. 7.6A) et est transcrit au groupe CH2OH dans une formule de projection de Haworth (voir Fig. 7.6B). Les formes et ne sont pas des images miroir, et elles sont appel es diast r oisom res.] Les enzymes sont capables de distinguer ces deux structures et d'utiliser l'une ou l'autre de mani re pr f rentielle. Par exemple, le glycog ne est synth tis partir du -D-glucopyranose, tandis que la cellulose est synth tis e partir du -D-glucopyranose. La cyclique et anom res d'un sucre en solution forment spontan ment (mais lentement) un m lange d' quilibre, un processus connu sous le nom de mutarotation (voir Fig. 7.6). [Remarque : Pour le glucose, la forme repr sente 36 % du m lange.] un cycle six cha nons (5 C + 1 O) est appel pyranose, tandis qu'un cycle cinq cha nons (4 C + 1 O) est un furanose. Pratiquement tout le glucose en solution est sous forme pyranose.] 2. Sucres r ducteurs : Si le groupe hydroxyle sur le carbone anom rique d'un sucre cyclis n'est pas li un autre compos par une liaison glycosidique (voir E. ci-dessous), le cycle peut s'ouvrir. Le sucre peut agir comme un agent r ducteur et est appel sucre r ducteur. Ces sucres peuvent r agir avec des agents chromog nes (par exemple, le r actif B n dicte), ce qui entra ne la r duction et la coloration du r actif lorsque le groupe ald hyde du sucre acyclique est oxyd en un groupe carboxyle. Tout Les monosaccharides, mais pas tous les disaccharides, sont des sucres r ducteurs. [Remarque : Le fructose, un c tose, est un sucre r ducteur car il peut tre isom ris en une aldose.] Un test colorim trique permet de d tecter un sucre r ducteur dans l'urine. Un r sultat positif est r v lateur d'une pathologie sous-jacente (car les suc
Biochimie_Lippincott	res ne sont normalement pas pr sents dans l'urine) et peut tre suivi de tests plus sp cifiques pour identifier le sucre r ducteur. D. Assemblage des monosaccharides Les monosaccharides peuvent tre joints pour former des disaccharides, des oligosaccharides et des polysaccharides. Les disaccharides importants comprennent le lactose (galactose + glucose), le saccharose (glucose + fructose) et le maltose (glucose + glucose). Les polysaccharides importants comprennent le glycog ne ramifi (d'origine animale), l'amidon (d'origine v g tale) et la cellulose non ramifi e (d'origine v g tale). Chacun est un polym re de glucose. E. Liaisons glycosidiques Les liaisons qui lient les sucres sont appel es liaisons glycosidiques. Ils sont form s par des enzymes connues sous le nom de glycosyltransf rases qui utilisent des sucres nucl otidiques (sucres activ s) tels que l'uridine diphosphate et le glucose comme substrats. Les liaisons glycosidiques entre les sucres sont nomm es en fonction du nombre de carbones connect s et en fonction de la position du groupe hydroxyle anom rique du premier sucre impliqu dans la liaison. Si cet hydroxyle anom rique se trouve dans la configuration , alors la liaison est une liaison . S'il s'agit de la configuration , la liaison est une liaison . Le lactose, par exemple, est synth tis en formant une liaison glycosidique entre le carbone 1 du -galactose et le carbone 4 du glucose. Par cons quent, la liaison est une liaison glycosidique (1 4) (voir Fig. 7.3). [Remarque : Parce que l'extr mit anom rique du r sidu de glucose n'est pas impliqu e dans la liaison glycosidique, il (et, par cons quent, le lactose) reste un sucre r ducteur.] F. Lien entre les glucides et les non-glucides Les glucides peuvent tre attach s par des liaisons glycosidiques des structures non glucidiques, y compris les bases puriques et pyrimidines (pr sentes dans les acides nucl iques), les cycles aromatiques (tels que ceux trouv s dans les st ro des et la bilirubine), les prot ines (pr sentes dans les glycoprot ines et les prot oglycanes) et les lipides (pr sents dans les glycolipides). Si le groupe de la mol cule non glucidique laquelle le sucre est attach est un groupe -NH2, alors la liaison est appel e une liaison N-glycosidique. Si le groupe est un OH, alors la liaison est une liaison O-glycosidique (Fig. 7.7). [Remarque : Toutes les liaisons glycosidiques sucre-sucre sont des liaisons de type O.] III. DIGESTION DES GLUCIDES ALIMENTAIRES Les principaux sites de digestion des glucides alimentaires sont la bouche et la lumi re intestinale. Cette digestion est rapide et est catalys e par des enzymes appel es glycosides hydrolases (glycosidases) qui hydrolysent les liaisons glycosidiques (Fig. 7.8). Parce que peu de monosaccharides sont pr sents dans les r gimes d'origine animale et v g tale mixtes, les enzymes sont principalement des endoglycosidases qui hydrolysent les polysaccharides et les oligosaccharides et des disaccharidases qui hydrolysent les tri- et disaccharides en leurs composants de sucre r ducteurs. Les glycosidases sont g n ralement sp cifiques de la structure et de la configuration du r sidu glycosyle liminer ainsi que du type de liaison rompre. Les produits finaux de la digestion des glucides sont les monosaccharides glucose, galactose et fructose qui sont absorb s par les cellules (ent rocytes) de l'intestin gr le. A. -amylase salivaire Les principaux polysaccharides alimentaires sont d'origine v g tale (amidon, compos d'amylose et d'amylopectine) et animale (glycog ne). Au cours de la mastication (mastication), la -amylase salivaire agit bri vement sur l'amidon alimentaire et le glycog ne, hydrolysant des liaisons al atoires (1 4). [Remarque : Il existe des endoglucosidases (1 4) et (1 4) dans la nature, mais les humains ne produisent pas ces derni res. Par cons quent, nous sommes incapables de dig rer la cellulose, un glucide d'origine v g tale contenant des liaisons glycosidiques (1 4) entre les r sidus de glucose.] tant donn que l'amylopectine ramifi e et le glycog ne contiennent galement des liaisons (1 6), que la -amylase ne peut pas hydrolyser, la digestion r sultant de son action contient un m lange d'oligosaccharides courts, ramifi s et non ramifi s connus sous le nom de dextrines (Fig. 7.9). [Remarque : Les disaccharides sont galement pr sents car ils sont galement r sistants l'amylase.] La digestion des glucides s'arr te temporairement dans l'estomac, car la forte acidit inactive la -amylase salivaire. B. -amylase pancr atique Lorsque le contenu acide de l'estomac atteint l'intestin gr le, il est neutralis par le bicarbonate s cr t par le pancr as, et l' amylase pancr atique poursuit le processus de digestion de l'amidon. C. Disaccharidases intestinales Les derniers processus digestifs se produisent principalement au niveau de la muqueuse du duod num et du j junum sup rieur et comprennent l'action de plusieurs disaccharidases (voir F
Biochimie_Lippincott	ig. 7.9). Par exemple, l'isomaltase clive la liaison (1 6) dans l'isomaltose, et la maltase clive la liaison (1 4) dans le maltose et le maltotriose, chacun produisant du glucose. La sucrase clive la liaison (1 2) dans le saccharose, produisant du glucose et du fructose, et la lactase ( -galactosidase) clive la liaison (1 4) dans le lactose, produisant du galactose et du glucose. [Remarque : Les substrats de l'isomaltase sont plus larges que son nom ne le sugg re, et elle hydrolyse la majorit du maltose.] Le tr halose, un disaccharide (1 1) du glucose pr sent dans les champignons et d'autres champignons, est cliv par la tr halase. Ces enzymes sont des prot ines transmembranaires de la bordure en brosse sur la surface luminale (apicale) des ent rocytes. La sucrase et l'isomaltase sont des activit s enzymatiques d'une seule prot ine qui est cliv e en deux sous-unit s fonctionnelles, qui restent associ es dans la membrane cellulaire et forment le complexe sucrase-isomaltase (SI). En revanche, la maltase est l'une des deux activit s enzymatiques de la prot ine membranaire unique maltase-glucoamylase (MGA) qui n'est pas cliv e. Sa deuxi me activit enzymique, la glucoamylase, clive les liaisons glycosidiques (1 4) dans les dextrines. D. Absorption intestinale des monosaccharides Le j junum sup rieur absorbe la majeure partie des produits monosaccharidiques de la digestion. Cependant, diff rents sucres ont des m canismes d'absorption diff rents (Fig. 7.10). Par exemple, le galactose et le glucose sont absorb s dans les ent rocytes par un transport actif secondaire qui n cessite une absorption simultan e (symport) d'ions sodium (Na+). La prot ine de transport est le cotransporteur de glucose 1 d pendant du sodium (SGLT-1). [Remarque : Le transport du sucre est d termin par le gradient Na+ cr par l'ATPase Na+-potassium (K+) qui d place le Na+ hors de l'ent rocyte et le K+ l'int rieur (voir Fig. 7.10).] L'absorption du fructose utilise un transporteur monosaccharidique ind pendant de l' nergie et du Na+ (GLUT-5). Les trois monosaccharides sont transport s des ent rocytes dans la circulation porte par un autre transporteur, GLUT-2. [Note : Voir p. 97 pour une discussion de ces transporteurs.] E. D gradation anormale des disaccharides Le processus global de digestion et d'absorption des glucides est si efficace chez les individus en bonne sant que tous les glucides alimentaires digestibles sont g n ralement absorb s au moment o la mati re ing r e atteint le j junum inf rieur. Cependant, comme seuls les monosaccharides sont absorb s, toute d ficience (g n tique ou acquise) d'une activit disaccharidase sp cifique de la muqueuse intestinale provoque le passage des glucides non dig r s dans le gros intestin. En raison de la pr sence de cette mati re osmotiquement active, l'eau est aspir e de la muqueuse dans le gros intestin, provoquant une diarrh e osmotique. Ceci est renforc par la fermentation bact rienne des glucides restants en compos s deux et trois atomes de carbone (qui sont galement osmotiquement actifs) et en grands volumes de dioxyde de carbone et d'hydrog ne gazeux (H2), provoquant des crampes abdominales, de la diarrh e et des flatulences. 1. D ficiences enzymatiques digestives : Les d ficiences g n tiques des disaccharidases individuelles entra nent une intol rance aux disaccharides. Les alt rations de la d gradation des disaccharides peuvent galement tre caus es par diverses maladies intestinales, la malnutrition et les m dicaments qui endommagent la muqueuse de l'intestin gr le. Par exemple, les enzymes de bordure en brosse sont rapidement perdues chez les individus normaux souffrant de diarrh e s v re, provoquant une carence enzymatique temporaire et acquise. Par cons quent, les patients souffrant ou se remettant d'un tel trouble ne peuvent pas boire ou manger des quantit s importantes de produits laitiers ou de saccharose sans exacerber la diarrh e. 2. Intol rance au lactose : Plus de 60 % des adultes dans le monde sont intol rants au lactose (Fig. 7.11). Cela se manifeste particuli rement dans certaines populations. Par exemple, jusqu' 90 % des adultes d'origine africaine ou asiatique pr sentent une carence en lactase. Par cons quent, ils sont moins capables de m taboliser le lactose que les individus d'origine nord-europ enne. La perte d'activit de la lactase en fonction de l' ge, partir d'environ l' ge de 2 ans, repr sente une r duction de la quantit d'enzyme produite. On pense qu'elle est caus e par de petites variations dans la s quence d'ADN d'une r gion du chromosome 2 qui contr le l'expression du g ne de la lactase, galement sur le chromosome 2. Le traitement de ce trouble consiste r duire la consommation de lait ; manger des yogourts et certains fromages (l'action bact rienne et le processus de vieillissement diminuent la teneur en lactose) ainsi que des l gumes verts, comme le brocoli, pour assurer un apport ad quat en calcium ; utiliser des produits trait
Biochimie_Lippincott	s la lactase ; ou prendre de la lactase sous forme de pilule avant de manger. [Remarque : Parce que la perte de lactase est la norme pour la plupart des adultes du monde, l'utilisation des termes hypolactasie de type adulte ou non-persistance de la lactase plut t que d'intol rance au lactose devient de plus en plus courante.] De rares cas de d ficit cong nital en lactase sont connus. 3. D ficit cong nital en sucrase-isomaltase : Cette maladie autosomique r cessive se traduit par une intol rance au saccharose ing r . La pr valence de la d ficience cong nitale en SI est de 1:5 000 chez les personnes d'origine europ enne et semble tre beaucoup plus fr quente (jusqu' 1:20) chez les Inuits du Groenland et du Canada. Le traitement comprend la restriction alimentaire du saccharose et l'enzymoth rapie substitutive. 4. Diagnostic : L'identification d'un d ficit enzymatique sp cifique peut tre obtenue en effectuant des tests de tol rance orale avec les disaccharides individuels. La mesure de H2 dans l'haleine est un test fiable pour d terminer la quantit de glucides ing r s qui n'est pas absorb e par l'organisme, mais qui est m tabolis e par la flore intestinale (voir Fig. 7.11). IV. R SUM DU CHAPITRE Les monosaccharides (Fig. 7.12) contenant un groupe ald hyde sont appel s aldoses, et ceux avec un groupe c to sont appel s c toses. Les disaccharides, les oligosaccharides et les polysaccharides sont constitu s de monosaccharides li s par des liaisons glycosidiques. Les compos s ayant la m me formule chimique mais des structures diff rentes sont appel s isom res. Deux isom res monosaccharidiques de configuration diff rente autour d'un atome de carbone sp cifique (et non du carbone carbonyle) sont d finis comme des pim res. Dans les nantiom res (images miroir), les membres de la paire de sucres sont d sign s comme des isom res D et L. Lorsque le groupe ald hyde d'un sucre acyclique s'oxyde en r duisant en tant qu'agent chromog ne, ce sucre est un sucre r ducteur. Lorsqu'un sucre se cycle, un carbone anom rique est cr partir du carbone carbonyle du groupe ald hyde ou c to. Le sucre peut en avoir deux configurations, formant ou anom res. Un sucre peut avoir son carbone anom rique li un NH2 ou un OH sur une autre structure par le biais de liaisons N-glycosidiques et O-glycosidiques, respectivement. La -amylase salivaire initie la digestion des polysaccharides alimentaires (par exemple, l'amidon ou le glycog ne), produisant des oligosaccharides. La -amylase pancr atique poursuit le processus. Les derniers processus digestifs se produisent au niveau de la muqueuse de l'intestin gr le. Plusieurs disaccharidases (par exemple, la lactase [ -galactosidase], la sucrase, l'isomaltase et la maltase) produisent des monosaccharides (glucose, galactose et fructose). Ces enzymes sont des prot ines transmembranaires de la bordure en brosse luminale des cellules de la muqueuse intestinale (ent rocytes). L'absorption des monosaccharides n cessite des transporteurs sp cifiques. Si la d gradation des glucides est d ficiente ( la suite d'une h r dit , d'une maladie ou de m dicaments qui endommagent la muqueuse intestinale), les glucides non dig r s passeront dans le gros intestin, o ils peuvent provoquer une diarrh e osmotique. La fermentation bact rienne du mat riau produit de grands volumes de dioxyde de carbone et d'hydrog ne gazeux, provoquant des crampes abdominales, de la diarrh e et des flatulences. L'intol rance au lactose, principalement caus e par la perte de lactase li e l' ge (hypolactasie de type adulte), est de loin la plus fr quente de ces carences. Choisissez UNE meilleure r ponse. 1. Lequel des nonc s suivants d crit le mieux le glucose ? Un. C'est un pim re C-4 du galactose.B. Il s'agit d'une c tose et existe g n ralement sous forme d'anneau de furanose en solution. C. Il est produit partir de l'amidon alimentaire par l'action de la -amylase. D. Il n'est utilis dans les syst mes biologiques que sous la forme isom re L. Bonne r ponse = A. Parce que le glucose et le galactose ne diff rent que par leur configuration autour du carbone 4, ce sont des pim res C-4 qui sont interconvertibles par l'action d'une pim rase. Le glucose est un sucre aldose qui existe g n ralement sous forme de cycle pyranose en solution. Le fructose, cependant, est une c tose avec un cycle furanose. - L'amylase ne produit pas de monosaccharides. La forme isom rique D des glucides est la forme que l'on trouve g n ralement dans les syst mes biologiques, contrairement aux acides amin s que l'on trouve g n ralement dans la forme isom re L. .2. Un jeune homme est entr dans le cabinet de son m decin en se plaignant de ballonnements et de diarrh e. Ses yeux taient enfonc s et le m decin a not d'autres signes de d shydratation. La temp rature du patient tait normale. Il a expliqu que l' pisode s' tait produit la suite d'une f te d'anniversaire au cours de laquelle il avait particip un concours de mange
Biochimie_Lippincott	urs de glaces. Le patient a signal des pisodes ant rieurs de nature similaire suite l'ingestion d'une quantit importante de produits laitiers. Ce tableau clinique est tr s probablement d une d ficience de l'activit de : A. isomaltase.B. lactase.C. -amylase pancr atique. D. -amylase salivaire.E. sucrase. Bonne r ponse = B. Les sympt mes physiques sugg rent une carence en une enzyme responsable de la d gradation des glucides. Les sympt mes observ s suite l'ingestion de produits laitiers sugg rent que Le patient pr sente une carence en lactase en raison de la r duction de l'expression de l'enzyme en fonction de l' ge. .3. L'examen de routine de l'urine d'un patient p diatrique asymptomatique a montr une r action positive avec Clinitest (une m thode de r duction du cuivre pour d tecter les sucres r ducteurs) mais une r action n gative avec le test de glucose oxydase pour d tecter le glucose. l'aide de ces donn es, montrez sur le tableau ci-dessous quels sucres pourraient (OUI) ou ne pourraient pas (NON) tre pr sents dans l'urine de cet individu. Chacun des sucres num r s, l'exception du saccharose et du glucose, pourrait tre pr sent dans l'urine de cet individu. Clinitest est un test non sp cifique qui produit un changement de couleur si l'urine est positive pour les substances r ductrices telles que les sucres r ducteurs (fructose, galactose, glucose, lactose, xylulose). Le saccharose n' tant pas un sucre r ducteur, il n'est pas d tect par Clinitest. Le test de glucose oxydase ne d tectera que le glucose et ne pourra pas d tecter d'autres sucres. Le test n gatif de la glucose oxydase coupl un test positif du sucre r ducteur signifie que le glucose ne peut pas tre le sucre r ducteur dans l'urine du patient. .4. Pourquoi les inhibiteurs de la -glucosidase qui sont pris avec les repas, tels que l'acarbose et le miglitol, sont-ils utilis s dans le traitement du diab te ? Quel effet ces m dicaments devraient-ils avoir sur la digestion du lactose ? Les inhibiteurs de la -glucosidase ralentissent la production de glucose partir des glucides alimentaires, r duisant ainsi l'augmentation postprandiale de la glyc mie et facilitant un meilleur contr le de la glyc mie chez les patients diab tiques. Ces m dicaments n'ont aucun effet sur la digestion du lactose car le disaccharide lactose contient une liaison glycosidique, et non une liaison -glycosidique. Introduction au m tabolisme et la glycolyse 8Pour d'autres documents auxiliaires li s ce chapitre, veuillez consulter le Point. I. APER U DU M TABOLISME Dans le chapitre 5, les r actions enzymiques individuelles ont t analys es dans le but d'expliquer les m canismes de la catalyse. Cependant, dans les cellules, ces r actions se produisent rarement de mani re isol e. Au lieu de cela, ils sont organis s en s quences plusieurs tapes appel es voies, comme celle de la glycolyse (Fig. 8.1). Dans une voie, le produit d'une r action sert de substrat la r action suivante. La plupart des voies peuvent tre class es comme cataboliques (d gradantes) ou anaboliques (synth tiques). Les voies cataboliques d composent des mol cules complexes, telles que les prot ines, les polysaccharides et les lipides, en quelques mol cules simples (par exemple, le dioxyde de carbone, l'ammoniac et l'eau). Les voies anaboliques forment des produits finaux complexes partir de pr curseurs simples, par exemple, la synth se du glycog ne polysaccharidique partir du glucose. [Remarque : Les voies qui r g n rent un composant sont appel es cycles.] Diff rentes voies peuvent se croiser, formant un r seau int gr et cibl de r actions chimiques. Le m tabolisme est la somme de tous les changements chimiques qui se produisent dans une cellule, un tissu ou le corps. Les chapitres suivants se concentrent sur les voies m taboliques centrales qui sont impliqu es dans la synth se et la d gradation des glucides, des lipides et des acides amin s. A. Carte m tabolique Le m tabolisme est mieux compris en examinant les voies qui le composent. Chaque voie est compos e de s quences multienzymatiques, et chaque enzyme, son tour, peut pr senter d'importantes caract ristiques catalytiques ou r gulatrices. Une carte m tabolique contenant les voies centrales importantes du m tabolisme nerg tique est pr sent e la figure 8.2. Cette vue d'ensemble du m tabolisme est utile pour tracer les liens entre les voies, visualiser le mouvement intentionnel des interm diaires m taboliques (m tabolites) et d crire l'effet sur le flux des interm diaires si une voie est bloqu e (par exemple, par un m dicament ou une d ficience h r ditaire d'une enzyme). [Remarque : Le m tabolome est l'ensemble complet des m tabolites d'un organisme.] Tout au long des trois prochaines unit s de ce livre, chaque voie examin e sera pr sent e plusieurs reprises dans le cadre de la carte m tabolique majeure illustr e la figure 8.2. interm diaires du m tabolisme des prot ines. UDP = diphosphate d'uridine
Biochimie_Lippincott	; P = phosphate ; - CoA = coenzyme A ; CO2 = dioxyde de carbone ; HCO3 = bicarbonate ; NH3 = ammoniac. B. Voies cataboliques Les r actions cataboliques servent capturer l' nergie chimique sous forme d'ATP partir de la d gradation des mol cules de carburant riches en nergie. La g n ration d'ATP par d gradation de mol cules complexes se fait en trois tapes, comme le montre la figure 8.3. [Remarque : Les voies cataboliques sont g n ralement oxydatives et n cessitent des coenzymes oxyd es telles que le nicotinamide ad nine dinucl otide (NAD+).] Le catabolisme permet galement aux mol cules de l'alimentation (ou mol cules nutritives stock es dans les cellules) d' tre converties en blocs de construction de base n cessaires la synth se de mol cules complexes. Le catabolisme est donc un processus convergent (c'est- -dire qu'une grande vari t de mol cules sont transform es en quelques produits finaux communs). 1. Hydrolyse de mol cules complexes : Dans un premier temps, les mol cules complexes sont d compos es en leurs composants. Par exemple, les prot ines sont d grad es en acides amin s, les polysaccharides en monosaccharides et les graisses (triacylglyc rols) en acides gras libres et en glyc rol. 2. Conversion des l ments constitutifs en interm diaires simples : Dans la deuxi me tape, ces divers l ments constitutifs sont encore d grad s en ac tyl coenzyme A (CoA) et en quelques autres mol cules simples. Une partie de l' nergie est captur e sous forme d'ATP, mais la quantit est faible par rapport l' nergie produite au cours de la troisi me tape du catabolisme. 3. Oxydation de l'ac tylcoenzyme A : Le cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) (voir p. 109) est la derni re voie commune l'oxydation des mol cules de carburant qui produisent l'ac tyl CoA. L'oxydation de l'ac tylCoA g n re de grandes quantit s d'ATP par phosphorylation oxydative lorsque les lectrons circulent du NADH et de la flavine ad nine dinucl otide (FADH2) vers l'oxyg ne ([O2] voir p. 10). 73). C. Voies anabolisantes Contrairement au catabolisme, l'anabolisme est un processus divergent dans lequel quelques pr curseurs biosynth tiques (tels que les acides amin s) forment une grande vari t de produits polym res ou complexes (tels que les prot ines [Fig. 8.4]). Les r actions anabolisantes n cessitent de l' nergie (endergonique), qui est g n ralement fournie par l'hydrolyse de l'ATP en ad nosine diphosphate (ADP) et en phosphate inorganique (Pi). [Remarque : Les r actions cataboliques g n rent de l' nergie (sont exergoniques).] Les r actions anabolisantes impliquent souvent des r ductions chimiques dans lesquelles le pouvoir r ducteur est le plus souvent fourni par le donneur d' lectrons NADPH (NADH phosphoryl , voir p. 147). II. R GULATION DU M TABOLISME Les voies du m tabolisme doivent tre coordonn es pour que la production d' nergie ou la synth se des produits finaux r ponde aux besoins de la cellule. De plus, les cellules individuelles fonctionnent dans le cadre d'une communaut de tissus en interaction, pas isol ment. Ainsi, un syst me de communication sophistiqu a volu pour coordonner les fonctions du corps. Les signaux r gulateurs qui informent une cellule individuelle de l' tat m tabolique du corps dans son ensemble comprennent les hormones, les neurotransmetteurs et la disponibilit des nutriments. Ceux-ci, leur tour, influencent les signaux g n r s l'int rieur de la cellule (Fig. 8.5). A. Communication intracellulaire Le taux d'une voie m tabolique peut r pondre des signaux r gulateurs provenant de l'int rieur de la cellule. Par exemple, le taux peut tre influenc par la disponibilit des substrats, l'inhibition du produit ou l'alt ration des niveaux d'activateurs ou d'inhibiteurs allost riques. Ces signaux intracellulaires suscitent g n ralement des r ponses rapides et sont importants pour la r gulation du m tabolisme chaque instant. B. Communication intercellulaire La capacit de r pondre aux signaux intercellulaires est essentielle au d veloppement et la survie des organismes. La signalisation entre les cellules permet une int gration longue distance du m tabolisme et entra ne g n ralement une r ponse, telle qu'un changement dans l'expression des g nes, qui est plus lente que celle observ e avec les signaux intracellulaires. La communication entre les cellules peut tre m di e, par exemple, par un contact surface-surface et, dans certains tissus, par la formation de jonctions lacunaires, permettant une communication directe entre les cytoplasmes des cellules adjacentes. Cependant, pour le m tabolisme nerg tique, la voie de communication la plus importante est la signalisation chimique entre les cellules par les hormones transmises par le sang ou par les neurotransmetteurs. C. Deuxi me syst me de messagerie Les hormones et les neurotransmetteurs peuvent tre consid r s comme des signaux et leurs r cepteurs comme des d tecteurs de signaux. Les r cepteurs r agissent un ligand li en ini
Biochimie_Lippincott	tiant une s rie de r actions qui aboutissent finalement des r ponses intracellulaires sp cifiques. Les mol cules de second messager, ainsi nomm es parce qu'elles interviennent entre le messager extracellulaire d'origine (le neurotransmetteur ou l'hormone) et l'effet intracellulaire ultime, font partie de la cascade d' v nements qui convertit (transduit) la liaison du ligand en une r ponse. Deux des deuxi mes syst mes messagers les plus largement reconnus sont le syst me calcium/phosphatidylinositol (voir p. 205) et le syst me ad nylyl cyclase (ad nylate cyclase), qui est particuli rement important dans la r gulation des voies du m tabolisme interm diaire. Les deux impliquent la liaison de ligands, tels que l' pin phrine ou le glucagon, des r cepteurs sp cifiques coupl s aux prot ines G (RCPG) sur la membrane cellulaire (plasma). Les RCPG sont caract ris s par un domaine de liaison au ligand extracellulaire, sept h lices transmembranaires et un domaine intracellulaire qui interagit avec les prot ines G trim riques (Fig. 8.6). [Remarque : L'insuline, un autre r gulateur cl du m tabolisme, se lie un r cepteur de la tyrosine kinase membranaire (voir p. 311) et non un RCPG.] D. Ad nylyl cyclase La reconnaissance d'un signal chimique par certains RCPG, tels que les r cepteurs et 2adr nergiques, d clenche soit une augmentation, soit une diminution de l'activit de l'ad nylyl cyclase (AC). Il s'agit d'une enzyme li e la membrane qui convertit ATP en 3,5-ad nosine monophosphate (AMP cyclique ou AMPc). Les signaux chimiques sont le plus souvent des hormones ou des neurotransmetteurs, chacun d'entre eux se liant un type unique de RCPG. Par cons quent, les tissus qui r pondent plus d'un signal doivent avoir plusieurs RCPG diff rents, chacun pouvant tre li la CA. 1. Prot ines r gulatrices d pendantes de la guanosine triphosphate : L'effet du RCPG activ et occup sur la formation du deuxi me messager est indirect, m di par des prot ines trim riques sp cialis es (sous-unit s , et ) de la membrane cellulaire. Ces prot ines, appel es prot ines G parce que la sous-unit se lie la guanosine di-ou triphosphates (GDP ou GTP), forment un lien dans la cha ne de communication entre le r cepteur et l'AC. Dans la forme inactive d'une prot ine G, la sous-unit est li e au GDP (Fig. 8.7). La liaison du ligand provoque un changement de conformation du r cepteur, d clenchant le remplacement de ce GDP par du GTP. La forme li e au GTP de la sous-unit se dissocie des sous-unit s et se d place vers AC, affectant l'activit enzymatique. De nombreuses mol cules de la prot ine G active sont form es par un r cepteur activ . [Remarque : La capacit d'une hormone ou d'un neurotransmetteur stimuler ou inhiber la CA d pend du type de prot ine G qui est li au r cepteur. Un type, d sign Gs, stimule l'AC (voir Fig. 8.7), tandis qu'un autre type, d sign Gi, inhibe l'enzyme (non illustr ).] Les actions du complexe G -GTP sont de courte dur e car G a une activit GTPase inh rente, entra nant l'hydrolyse rapide de GTP en GDP. Cela provoque l'inactivation de G , sa dissociation de AC et sa r association avec le dim re . Les toxines de Vibrio cholerae (chol ra) et de Bordetella pertussis (coqueluche) provoquent une activation inappropri e de la CA par modification covalente (ADP-ribosylation) de diff rentes prot ines G. Avec le chol ra, l'activit GTPase de G s est inhib e dans les cellules intestinales. Avec la coqueluche, G i est inactiv dans les cellules des voies respiratoires. 2. Prot ines kinases : La prochaine tape du deuxi me syst me messager de l'AMPc est l'activation d'une famille d'enzymes appel es prot ines kinases d pendantes de l'AMPc, telles que la prot ine kinase A (PKA), comme le montre la figure 8.8. L'AMPc active la PKA en se liant ses deux sous-unit s r gulatrices, provoquant la lib ration de ses deux sous-unit s catalytiquement actives. Ces sous-unit s transf rent le phosphate de l'ATP des r sidus sp cifiques de s rine ou de thr onine de substrats prot iques. Les prot ines phosphoryl es peuvent agir directement sur les canaux ioniques de la cellule ou, si elles sont des enzymes, peuvent tre activ es ou inhib es. [Remarque : Plusieurs types de prot ines kinases ne d pendent pas de l'AMPc, par exemple, la prot ine kinase C, d crite la p. 205.] 3. Phosphatases prot iques : Les groupes phosphate ajout s aux prot ines par les prot ines kinases sont limin s par les phosphatases prot iques, des enzymes qui clivent hydrolytiquement les esters phosphates (voir Fig. 8.8). Cela garantit que les changements dans l'activit des prot ines induits par la phosphorylation ne sont pas permanents. 4. Hydrolyse de l'AMPc : l'AMPc est rapidement hydrolys e en 5'AMP par la phosphodiest rase de l'AMPc qui clive la liaison cyclique 3',5'-phosphodiester. L'AMP n'est pas une mol cule de signalisation intracellulaire. Par cons quent, les effets de l'augmentation de l'AMPc m di e par les neuro
Biochimie_Lippincott	transmetteurs ou les hormones sont rapidement limin s si le signal extracellulaire est supprim . [Remarque : la phosphodiest rase de l'AMPc est inhib e par la caf ine, un d riv de la m thylxanthine.] III. APER U DE LA GLYCOLYSE La voie glycolytique est utilis e par tous les tissus pour l'oxydation du glucose afin de fournir de l' nergie (sous forme d'ATP) et des interm diaires pour d'autres voies m taboliques. La glycolyse est au c ur du m tabolisme des glucides, car pratiquement tous les sucres, qu'ils proviennent de l'alimentation ou de r actions cataboliques dans le corps, peuvent finalement tre convertis en glucose (Fig. 8.9A). Le pyruvate est le produit final de la glycolyse dans les cellules avec des mitochondries et un apport ad quat en O2. Cette s rie de dix r actions est appel e glycolyse a robie car l'O2 est n cessaire pour r oxyder le NADH form lors de l'oxydation du glyc rald hyde 3-phosphate (Fig. 8.9B). La glycolyse a robie ouvre la voie la d carboxylation oxydative du pyruvate en ac tyl CoA, un carburant majeur du cycle du TCA. Alternativement, le pyruvate est r duit en lactate lorsque le NADH est oxyd en NAD+ (Fig. 8.9C). Cette conversion du glucose en lactate est appel e glycolyse ana robie car elle peut se produire sans la participation de l'O2. La glycolyse ana robie permet la production d'ATP dans les tissus d pourvus de mitochondries (par exemple, les globules rouges [GR] et certaines parties de l' il) ou dans les cellules priv es d'O2 en quantit suffisante (hypoxie). IV. TRANSPORT DU GLUCOSE DANS LES CELLULES Le glucose ne peut pas diffuser directement dans les cellules, mais y p n tre par l'un des deux syst mes de transport suivants : un syst me de transport ind pendant du sodium (Na+) et de l'ATP ou un syst me de cotransport d pendant du Na+ et de l'ATP. A. Syst me de transport ind pendant du sodium et de l'ATP Ce syst me passif est m di par une famille de 14 isoformes de transporteurs de glucose (GLUT) pr sentes dans les membranes cellulaires. Ils sont d sign s GLUT-1 GLUT-14. Ces transporteurs de prot ines monom res existent dans la membrane dans deux tats conformationnels (Fig. 8.10). Le glucose extracellulaire se lie au transporteur, qui modifie ensuite sa conformation, transportant le glucose travers la membrane cellulaire via une diffusion facilit e. Parce que GLUT transporte une mol cule la fois, ce sont des uniporteurs. 1. Sp cificit tissulaire : GLUT pr sente un mod le d'expression sp cifique au tissu. Par exemple, GLUT-3 est l'isoforme primaire des neurones. GLUT-1 est abondant dans les globules rouges et la barri re h mato-enc phalique, mais il est faible dans les muscles adultes, tandis que GLUT-4 est abondant dans les muscles et les tissus adipeux. [Remarque : Le nombre de transporteurs GLUT-4 actifs dans ces tissus est augment par l'insuline. (Voir p. 311 pour une discussion sur l'insuline et le transport du glucose.) GLUT-2 est abondant dans le foie, les reins et les cellules pancr atiques. Les autres isoformes de GLUT ont galement des distributions sp cifiques aux tissus. 2. Fonctions sp cialis es : Dans la diffusion facilit e, le mouvement du glucose m di par le transporteur descend un gradient de concentration (c'est- -dire d'une concentration lev e une concentration plus faible, ne n cessitant donc aucune nergie). Par exemple, GLUT-1, GLUT-3 et GLUT-4 sont principalement impliqu s dans l'absorption du glucose dans le sang. En revanche, GLUT-2, dans le foie et les reins, peut soit transporter le glucose dans ces cellules lorsque la glyc mie est lev e, soit transporter le glucose de ces cellules lorsque la glyc mie est basse (par exemple, pendant le je ne). GLUT-5 est inhabituel en ce sens qu'il est le principal transporteur du fructose (et non du glucose) dans l'intestin gr le et les testicules (voir p. 87). B. Syst me de cotransport d pendant du sodium et de l'ATP Ce processus nergivore transporte le glucose contre (vers le haut) son gradient de concentration (c'est- -dire de faibles concentrations extracellulaires des concentrations intracellulaires plus lev es) lorsque le Na+ est transport vers le bas de son gradient lectrochimique. [Remarque : Le gradient est cr par l'ATPase Na+potassium (K+) (voir Fig. 7.10, p. 87).] tant donn que ce processus de transport actif secondaire n cessite l'absorption simultan e (symport) de Na+, le transporteur est un cotransporteur de glucose d pendant du sodium (SGLT). Ce type de cotransport se produit dans les cellules pith liales de l'intestin (voir p. 87), les tubules r naux et le plexus choro de. [Remarque : Le plexus choro de, qui fait partie de la barri re h mato-enc phalique, contient galement GLUT-1.] V. R ACTIONS DE GLYCOLYSE La conversion du glucose en pyruvate se fait en deux tapes (Fig. 8.11). Les cinq premi res r actions de la glycolyse correspondent une phase d'investissement nerg tique dans laquelle les formes phosphoryl es des interm diaires sont synth tis es
Biochimie_Lippincott	au d triment de l'ATP. Les r actions ult rieures de glycolyse constituent une phase de g n ration d' nergie dans laquelle un r seau de deux mol cules d'ATP est form par phosphorylation au niveau du substrat (voir p. 102) par mol cule de glucose m tabolis e. A. Phosphorylation du glucose Les mol cules de sucre phosphoryl es ne p n trent pas facilement dans les membranes cellulaires parce qu'il n'y a pas de transporteurs transmembranaires sp cifiques pour ces compos s et parce qu'elles sont trop polaires pour se diffuser travers le noyau lipidique des membranes. Par cons quent, la phosphorylation irr versible du glucose (Fig. 8.12) pi ge efficacement le sucre sous forme de glucose cytosolique 6-phosphate et l'engage dans un m tabolisme ult rieur dans la cellule. Les mammif res ont quatre isoenzymes (I IV) de l'enzyme hexokinase qui catalysent la phosphorylation du glucose en glucose 6-phosphate. 1. Hexokinases I III : Dans la plupart des tissus, la phosphorylation du glucose est catalys e par l'une de ces isoenzymes de l'hexokinase, qui est l'une des trois enzymes r gulatrices de la glycolyse (avec la phosphofructokinase et la pyruvate kinase). Ils sont inhib s par le produit de r action glucose 6-phosphate, qui s'accumule lorsque le m tabolisme ult rieur de ce phosphate d'hexose est r duit. Les hexokinases I III ont une faible constante de Michaelis (Km) et, par cons quent, une grande affinit (voir p. 59) pour le glucose. Cela permet une phosphorylation efficace et un m tabolisme ult rieur du glucose, m me lorsque les concentrations tissulaires de glucose sont faibles (Fig. 8.13). Cependant, parce que ces isoenzymes ont une faible vitesse maximale ([Vmax] voir p. 57) pour le glucose, elles ne s questrent pas (pi gent) le phosphate cellulaire sous forme de glucose phosphoryl ou ne phosphorylent pas plus de glucose que la cellule ne peut utiliser. [Remarque : Ces isoenzymes ont une large sp cificit de substrat et sont capables de phosphoryler plusieurs hexoses en plus du glucose.] 2. Hexokinase IV : Dans les cellules parenchymateuses h patiques et les cellules pancr atiques, la glucokinase (l'isoenzyme de l'hexokinase IV) est l'enzyme pr dominante responsable de la phosphorylation du glucose. Dans les cellules , la glucokinase fonctionne comme un capteur de glucose, d terminant le seuil de s cr tion d'insuline (voir p. 309). [Remarque : L'hexokinase IV sert galement de capteur de glucose dans les neurones hypothalamiques, jouant un r le cl dans la r ponse adr nergique l'hypoglyc mie (voir p. 315).] Dans le foie, l'enzyme facilite la phosphorylation du glucose lors de l'hyperglyc mie. Malgr le nom populaire mais trompeur de glucokinase, la sp cificit du sucre de l'enzyme est similaire celle des autres isoenzymes de l'hexokinase. cin tique : La glucokinase diff re des hexokinases I III par plusieurs propri t s importantes. Par exemple, il a un Km beaucoup plus lev , n cessitant une concentration de glucose plus lev e pour la demi-saturation (voir Fig. 8.13). Ainsi, la glucokinase ne fonctionne que lorsque la concentration intracellulaire de glucose dans l'h patocyte est lev e, comme pendant la br ve p riode suivant la consommation d'un repas riche en glucides, lorsque des niveaux lev s de glucose sont d livr s au foie via la veine porte. La glucokinase a une Vmax lev e, ce qui permet au foie d' liminer efficacement le flot de glucose d livr par le sang porte. Cela emp che de grandes quantit s de glucose de p n trer dans la circulation syst mique apr s un tel repas, minimisant ainsi l'hyperglyc mie pendant la p riode d'absorption. [Remarque : GLUT-2 garantit que la glyc mie s' quilibre rapidement travers la membrane h patocytaire.] b. R gulation : L'activit de la glucokinase n'est pas directement inhib e par le glucose 6phosphate comme le sont les autres hexokinases. Au lieu de cela, il est indirectement inhib par le fructose 6-phosphate (qui est en quilibre avec le glucose 6-phosphate, un produit de la glucokinase) et est indirectement stimul par le glucose (un substrat de la glucokinase). La r gulation est r alis e par une liaison r versible la prot ine r gulatrice de la glucokinase h patique (GKRP). En pr sence de fructose 6-phosphate, la glucokinase se lie troitement la GKRP et est transloqu e vers le noyau, rendant ainsi l'enzyme inactive (Fig. 8.14). Lorsque les taux de glucose dans le sang (et aussi dans l'h patocyte, la suite de GLUT-2) augmentent, la glucokinase est lib r e de GKRP et l'enzyme rentre dans le cytosol o elle phosphoryle le glucose en glucose 6-phosphate. [Remarque : La GKRP est un inhibiteur comp titif de l'utilisation du glucose par la glucokinase.] La glucokinase fonctionne comme un capteur de glucose dans l'hom ostasie de la glyc mie. Les mutations inactivatrices de la glucokinase sont l'origine d'une forme rare de diab te, le diab te de type 2 jeune, caract ris par une alt ration de la s cr tion d'insuline et une hyperglyc mie. B.
Biochimie_Lippincott	Isom risation du glucose 6-phosphate L'isom risation du glucose 6-phosphate en fructose 6-phosphate est catalys e par la phosphoglucose isom rase (Fig. 8.15). La r action est facilement r versible et n'est pas une tape limitant ou r gul e. C. Phosphorylation du fructose 6-phosphateLa r action de phosphorylation irr versible catalys e par la phosphofructokinase-1 (PFK-1) est la plus point de contr le important et l' tape limitative et engag e de la glycolyse (Fig. 8.16). PFK-1 est contr l par les concentrations disponibles des substrats ATP et fructose 6-phosphate ainsi que par d'autres mol cules r gulatrices. 1. R gulation par les niveaux d' nergie intracellulaires : PFK-1 est inhib allost riquement par des niveaux lev s d'ATP, qui agissent comme un signal riche en nergie indiquant une abondance de compos s haute nergie. Des niveaux lev s de citrate, un interm diaire dans le cycle du TCA (voir p. 111), inhibent galement le PFK-1. [Remarque : L'inhibition par le citrate favorise l'utilisation du glucose pour la synth se du glycog ne (voir p. 126).] l'inverse, PFK-1 est activ de mani re allost rique par de fortes concentrations d'AMP, ce qui signale que les r serves d' nergie de la cellule sont puis es. 2. R gulation par le fructose 2,6-bisphosphate : Le fructose 2,6-bisphosphate est l'activateur le plus puissant de PFK-1 (voir Fig. 8.16) et est capable d'activer l'enzyme m me lorsque les niveaux d'ATP sont lev s. Il est form partir du fructose 6phosphate par la phosphofructokinase-2 (PFK-2). Contrairement PFK-1, PFK-2 est une prot ine bifonctionnelle qui a la fois l'activit kinase qui produit le fructose 2,6-bisphosphate et l'activit phosphatase qui d phosphoryle le fructose 2,6-bisphosphate en fructose 6-phosphate. Dans l'isoenzyme h patique, la phosphorylation de PFK-2 inactive le domaine kinase et active le domaine phosphatase (Fig. 8.17). L'inverse est observ dans l'isoenzyme cardiaque. Le PFK-2 squelettique n'est pas r gul de mani re covalente. [Remarque : Le fructose 2,6-bisphosphate est un inhibiteur de la fructose 1,6-bisphosphatase, une enzyme de la glucon ogen se (voir p. 121). Les actions r ciproques du fructose 2,6-bisphosphate sur la glycolyse (activation) et la glucon ogen se (inhibition) garantissent que les deux voies ne sont pas compl tement actives en m me temps, emp chant ainsi un cycle futile d'oxydation du glucose en pyruvate suivi d'une resynth se du glucose partir du pyruvate.] un. Pendant l' tat bien nourri : Une diminution des niveaux de glucagon et des niveaux lev s d'insuline (comme cela se produit apr s un repas riche en glucides) provoquent une augmentation du fructose h patique 2,6-bisphos (PFK-2 est d phosphoryl ) et, par cons quent, du taux de glycolyse (voir Fig. 8.17). Par cons quent, le fructose 2,6-bisphosphate agit comme un signal intracellulaire de l'abondance du glucose. b. Pendant le je ne : En revanche, les niveaux lev s de glucagon et les faibles niveaux d'insuline qui se produisent pendant le je ne (voir p. 327) provoquent une diminution du fructose 2,6-bisphosphate h patique (PFK-2 est phosphoryl ). Il en r sulte une inhibition de la glycolyse et l'activation de la glucon ogen se. D. Clivage du fructose-1,6-bisphosphate L'aldolase clive le fructose-1,6-bisphosphate en phosphate de dihydroxyac tone (DHAP) et en glyc rald hyde 3-phosphate (voir Fig. 8.16). La r action est r versible et non r gul e. [Remarque : L'aldolase B, l'isoforme h patique, clive galement le fructose 1-phosphate et joue un r le dans le m tabolisme alimentaire du fructose (voir p. 138).] E. Isom risation du phosphate de dihydroxyac tone La triose phosphate isom rase interconvertit la DHAP et le glyc rald hyde 3phosphate (voir Fig. 8.16). Le DHAP doit tre isom ris en glyc rald hyde 3phosphate pour un m tabolisme ult rieur par la voie glycolytique. Cette isom risation entra ne la production nette de deux mol cules de glyc rald hyde 3-phosphate partir des produits de clivage du fructose 1,6bisphosphate. [Remarque : La DHAP est utilis e dans la synth se du triacylglyc rol (voir p. 188).] F. Oxydation du glyc rald hyde 3-phosphate La conversion du glyc rald hyde 3-phosphate en 1,3-bisphosphoglyc rate (1,3-BPG) par la glyc rald hyde 3-phosphate d shydrog nase est la premi re r action d'oxydor duction de la glycolyse (Fig. 8.18). [Remarque : tant donn qu'il y a une quantit limit e de NAD+ dans la cellule, le NADH form par la r action de d shydrog nase doit tre oxyd pour que la glycolyse se poursuive. Deux m canismes majeurs d'oxydation du NADH en NAD+ sont la r duction du pyruvate en lactate par la lactate d shydrog nase (LDH) (ana robie, voir p. 96) et la cha ne de transport d' lectrons (a robie, voir p. 74). Parce que le NADH ne peut pas traverser la membrane mitochondriale interne, l'ETC n cessite les navettes de substrat malate-aspartate et glyc rol 3-phosphate pour d placer les quivalents r ducteurs de NADH dans la matrice mitochondriale (v
Biochimie_Lippincott	oir p. 79).] 1. Synth se du 1,3-bisphosphoglyc rate : L'oxydation du groupe ald hyde du glyc rald hyde 3-phosphate en un groupe carboxyle est coupl e la fixation de Pi au groupe carboxyle. Ce groupe phosphate, li au carbone 1 du produit 1,3-BPG par une liaison haute nergie (voir p. 73), conserve une grande partie de l' nergie libre (voir p. 69) produite par l'oxydation du glyc rald hyde 3-phosphate. Ce phosphate haute nergie entra ne la synth se de l'ATP lors de la r action suivante de glycolyse. 2. Intoxication l'arsenic : La toxicit de l'arsenic est due principalement l'inhibition par l'arsenic trivalent (arsenite) d'enzymes telles que le complexe pyruvate d shydrog nase (PDHC), qui n cessitent de l'acide lipo que comme coenzyme (voir p. 110). Cependant, l'arsenic pentavalent (ars niate) peut emp cher la production nette d'ATP et de NADH par glycolyse sans inhiber la voie elle-m me. Pour ce faire, il entre en comp tition avec Pi en tant que substrat de la glyc rald hyde 3-phosphate d shydrog nase, formant un complexe qui s'hydrolyse spontan ment pour former du 3-phosphoglyc rate (voir Fig. 8.18). En contournant la synth se et le transfert de phosphate partir du 1,3-BPG, la cellule est priv e de l' nergie habituellement obtenue par la voie glycolytique. [Remarque : L'ars niate entre galement en comp tition avec la liaison de Pi au domaine F1 de l'ATP synthase (voir p. 78), ce qui entra ne la formation d'ars niate d'ADP qui est rapidement hydrolys .] 3. Synth se du 2,3-bisphosphoglyc rate dans les globules rouges : Une partie du 1,3-BPG est convertie en 2,3-BPG par l'action de la bisphosphoglyc rate mutase (voir Fig. 8.18). Le 2,3-BPG, que l'on ne trouve qu' l' tat de traces dans la plupart des cellules, est pr sent une concentration lev e dans les globules rouges et sert augmenter l'apport d'O2 (voir p. 31). Le 2,3-BPG est hydrolys par une phosphatase en 3phosphoglyc rate, qui est galement un interm diaire dans la glycolyse (voir Fig. 8.18). Dans le GR, la glycolyse est modifi e par l'inclusion de ces r actions de d rivation. G. Synth se de 3-phosphoglyc rate et production d'ATP Lorsque le 1,3-BPG est converti en 3-phosphoglyc rate, le groupe phosphate haute nergie du 1,3-BPG est utilis pour synth tiser l'ATP partir de l'ADP (voir Fig. 8.18). Cette r action est catalys e par la phosphoglyc rate kinase qui, contrairement la plupart des autres kinases, est physiologiquement r versible. tant donn que deux mol cules de 1,3-BPG sont form es partir de chaque mol cule de glucose, cette r action kinase remplace les deux mol cules d'ATP consomm es par la formation ant rieure de glucose 6-phosphate et de fructose 1,6-bisphosphate. [Remarque : Cette r action est un exemple de phosphorylation au niveau du substrat, dans laquelle l' nergie n cessaire la production d'un phosphate haute nergie provient d'un substrat plut t que de l'ETC (voir J. ci-dessous et p. 113 pour d'autres exemples).] H. D placement du groupe phosphate Le d placement du groupe phosphate du carbone 3 au carbone 2 du phosphoglyc rate par la phosphoglyc rate mutase est librement r versible. I. 2-D shydratation du phosphoglyc rate La d shydratation du 2-phosphoglyc rate par l' nolase redistribue l' nergie l'int rieur du substrat, formant du phospho nolpyruvate (PEP), qui contient un phosphate d' nol haute nergie (voir Fig. 8.18). La r action est r versible, malgr la nature tr s nerg tique du produit. [Remarque : Le fluorure inhibe l' nolase et l'eau La fluoration r duit la production de lactate par les bact ries buccales, diminuant ainsi les caries dentaires (voir p. 405).] J. Synth se du pyruvate et production d'ATP La conversion de la PEP en pyruvate, catalys e par la pyruvate kinase (PK), est la troisi me r action irr versible de la glycolyse. Le phosphate d' nol haute nergie dans la PEP est utilis pour synth tiser l'ATP partir de l'ADP et constitue un autre exemple de phosphorylation au niveau du substrat (voir Fig. 8.18). 1. R gulation par anticipation : la PK est activ e par le fructose 1,6-bisphosphate, le produit de la r action PFK-1. Cette r gulation par anticipation (au lieu de la r troaction plus habituelle) a pour effet de lier les deux activit s kinases : l'augmentation de l'activit de PFK-1 entra ne des niveaux lev s de fructose-1,6-bisphosphate, qui active la PK. 2. R gulation covalente dans le foie : La phosphorylation par la PKA d pendante de l'AMPc conduit l'inactivation de l'isoenzyme h patique de la PK (Fig. 8.19). Lorsque la glyc mie est basse, un taux lev de glucagon augmente le niveau intracellulaire d'AMPc, ce qui provoque la phosphorylation et l'inactivation de la PK dans le foie uniquement. Par cons quent, la PPE ne peut pas se poursuivre dans la glycolyse et, la place, entre dans la voie de la glucon ogen se. Cela explique en partie l'inhibition observ e de la glycolyse h patique et la stimulation de la glucon ogen se par le glucagon. La d phosphoryl
Biochimie_Lippincott	ation de la PK par une phosphatase entra ne la r activation de l'enzyme. Diphosphate. 3. D ficit en pyruvate kinase : Parce que les globules rouges matures manquent de mitochondries, ils sont compl tement d pendants de la glycolyse pour la production d'ATP. L'ATP est n cessaire pour r pondre aux besoins m taboliques des globules rouges et pour alimenter les pompes ioniques n cessaires au maintien de la forme flexible et biconcave qui leur permet de se faufiler travers des capillaires troits. L'an mie observ e dans les d ficits en enzymes glycolytiques est une cons quence de la r duction du taux de glycolyse, entra nant une diminution de la production d'ATP par phosphorylation au niveau du substrat. Les alt rations de la membrane des globules rouges qui en r sultent entra nent des changements dans la forme des cellules et, finalement, une phagocytose par les cellules du syst me phagocytaire mononucl aire, en particulier les macrophages spl niques. La mort pr matur e et la lyse des globules rouges entra nent une an mie h molytique non sph rocytaire l g re s v re, la forme s v re n cessitant des transfusions r guli res. Parmi les patients pr sentant des anomalies g n tiques rares des enzymes glycolytiques, la majorit pr sente un d ficit en PK. [Remarque : La PK h patique est cod e par le m me g ne que l'isoenzyme RB. Cependant, les cellules h patiques ne montrent aucun effet car elles peuvent synth tiser plus de PK et peuvent galement g n rer de l'ATP par phosphorylation oxydative.] La gravit d pend la fois du degr de d ficience enzymatique (g n ralement de 5 % 35 % des taux normaux) et de la mesure dans laquelle les globules rouges compensent en synth tisant des taux accrus de 2,3-BPG (voir p. 31). Presque toutes les personnes atteintes d'un d ficit en PK ont une enzyme mutante qui pr sente une cin tique alt r e ou une stabilit diminu e (Fig. 8.20). Les individus h t rozygotes pour le d ficit en PK ont une r sistance aux formes les plus graves du paludisme. L'expression tissulaire sp cifique de la PK dans les globules rouges et le foie r sulte de l'utilisation de diff rents sites de d part dans la transcription (voir p. 473) du g ne qui code pour l'enzyme. K. R duction du pyruvate en lactate Le lactate, form partir du pyruvate par la LDH, est le produit final de la glycolyse ana robie dans les cellules eucaryotes (Fig. 8.21). La r duction en lactate est le principal destin du pyruvate dans les tissus peu vascularis s (par exemple, le cristallin et la corn e de l' il et la moelle du rein) ou dans les globules rouges d pourvus de mitochondries. 1. Formation de lactate dans le muscle : Lors de l'exercice du muscle squelettique, la production de NADH (par la glyc rald hyde 3-phosphate d shydrog nase et par les trois d shydrog nases li es au NAD+ du cycle TCA, voir p. 113) d passe la capacit oxydative de l'ETC. Il en r sulte un rapport NADH/NAD+ lev , favorisant la r duction du pyruvate en lactate par la LDH. Par cons quent, lors d'un exercice intense, le lactate s'accumule dans les muscles, provoquant une baisse du pH intracellulaire, ce qui peut entra ner des crampes. Une grande partie de ce lactate finit par se diffuser dans la circulation sanguine et peut tre utilis e par le foie pour fabriquer du glucose (voir p. 118). 2. Utilisation du lactate : La direction de la r action LDH d pend des concentrations intracellulaires relatives de pyruvate et de lactate et du rapport NADH/NAD+. Par exemple, dans le foie et le c ur, ce rapport est plus faible que dans l'exercice musculaire. Par cons quent, le foie et le c ur oxydent le lactate (obtenu partir du sang) en pyruvate. Dans le foie, le pyruvate est soit converti en glucose par glucon ogen se, soit converti en ac tyl-CoA qui est oxyd dans le cycle du TCA. Le muscle cardiaque oxyde exclusivement le lactate en dioxyde de carbone et en eau via le cycle TCA. 3. Acidose lactique : Des concentrations lev es de lactate dans le plasma, appel es acidose lactique (un type d'acidose m tabolique), se produisent lorsqu'il y a un effondrement du syst me circulatoire, comme en cas d'infarctus du myocarde, d'embolie pulmonaire et d'h morragie incontr l e, ou lorsqu'une personne est en tat de choc. L'incapacit apporter des quantit s ad quates d'O2 aux tissus entra ne une alt ration de la phosphorylation oxydative et une diminution de la synth se de l'ATP. Pour survivre, les cellules d pendent de la glycolyse ana robie pour g n rer de l'ATP, produisant de l'acide lactique comme produit final. [Remarque : La production de quantit s m me minimes d'ATP peut sauver des vies pendant la p riode n cessaire pour r tablir un flux sanguin ad quat vers les tissus.] L'O2 suppl mentaire n cessaire pour se reconstituer la suite d'une p riode o la disponibilit de l'O2 a t insuffisante est appel la dette d'O2. [Remarque : La dette d'O2 est souvent li e la morbidit ou la mortalit des patients. Dans de nombreuses situations cliniques, la mesure des
Biochimie_Lippincott	taux sanguins d'acide lactique permet de d tecter rapidement et pr cocement la dette d'O2 chez les patients et de surveiller leur r tablissement.] L. Rendement nerg tique de la glycolyse Malgr la production d'ATP par phosphorylation au niveau du substrat pendant la glycolyse, le produit final, le pyruvate ou le lactate, contient encore la majeure partie de l' nergie contenue l'origine dans le glucose. Le cycle TCA est n cessaire pour lib rer compl tement cette nergie (voir p. 109). 1. Glycolyse ana robie : Un filet de deux mol cules d'ATP est g n r pour chaque mol cule de glucose convertie en deux mol cules de lactate (Fig. 8.22). Il n'y a pas de production ou de consommation nette de NADH. 2. Glycolyse a robie : La g n ration d'ATP est la m me que dans la glycolyse ana robie (c'est- -dire un gain net de deux ATP par mol cule de glucose). Deux mol cules de NADH sont galement produites par mol cule de glucose. La glycolyse a robie en cours n cessite l'oxydation de la majeure partie de ce NADH par l'ETC, produisant trois ATP pour chaque mol cule de NADH entrant dans la cha ne (voir p. 77). [Remarque : Le NADH ne peut pas traverser la membrane mitochondriale interne, et des navettes de substrat sont n cessaires (voir p. 79).] VI. R GULATION HORMONALE La r gulation de l'activit des enzymes glycolytiques irr versibles par activation/inhibition allost rique ou phosphorylation/d phosphorylation covalente est court terme (c'est- -dire que les effets se produisent sur des minutes ou des heures). ces effets s'ajoutent les effets hormonaux long terme sur le nombre de nouvelles mol cules enzymatiques. Ces effets hormonaux peuvent entra ner une augmentation de 10 20 fois de la synth se enzymatique, ce qui se produit g n ralement sur des heures ou des jours. La consommation r guli re de repas riches en glucides ou l'administration d'insuline d clenche une augmentation de la quantit de glucokinase, PFK-1, et pharmacocin tique dans le foie (Fig. 8.23). Le changement refl te une augmentation de la transcription des g nes, ce qui entra ne une augmentation de la synth se enzymatique. La disponibilit accrue de ces trois enzymes favorise la conversion du glucose en pyruvate, une caract ristique de l' tat d'absorption (voir p. 321). [Remarque : Les effets transcriptionnels de l'insuline et des glucides (en particulier le glucose) sont m di s par les facteurs de transcription St rol l ment r gulateur -prot ine de liaison 1c et l ment de r ponse glucidique-prot ine de liaison , respectivement. Ces facteurs r gulent galement la transcription des g nes impliqu s dans la synth se des acides gras (voir p. 184).] l'inverse, l'expression g nique des trois enzymes est diminu e lorsque le glucagon plasmatique est lev et que l'insuline est faible (par exemple, comme on le voit dans le je ne ou le diab te). VII. DESTINS ALTERNATIFS DU PYRUVATELe pyruvate peut tre m tabolis en produits autres que le lactate. A. D carboxylation oxydative en ac tylCoA La d carboxylation oxydative du pyruvate par le PDHC est une voie importante dans les tissus haute capacit oxydative tels que le muscle cardiaque (Fig. 8.24). Le PDHC convertit de mani re irr versible le pyruvate, le produit final de la glycolyse a robie, en ac tyl-CoA, un substrat du cycle du TCA (voir p. 109) et la source de carbone pour la synth se des acides gras (voir p. 183). B. Carboxylation en oxaloac tate La carboxylation du pyruvate en oxaloac tate par la pyruvate carboxylase est une r action d pendante de la biotine (voir Fig. 8.24). Cette r action irr versible est importante car elle reconstitue l'interm diaire du cycle du TCA et fournit un substrat pour la glucon ogen se (voir p. 118). C. R duction en thanol (micro-organismes) La r duction du pyruvate en thanol se produit par les deux r actions r sum es la figure 8.24. La d carboxylation du pyruvate en ac tald hyde par la pyruvate d carboxylase n cessitant de la thiamine se produit chez la levure et certains autres micro-organismes, mais pas chez l'homme. VIII. R SUM DU CHAPITRE La plupart des voies peuvent tre class es comme cataboliques (d grader des mol cules complexes en quelques produits simples avec une production d'ATP) ou anaboliques (synth tiser des produits finaux complexes partir de pr curseurs simples avec hydrolyse de l'ATP). Le taux d'une voie m tabolique peut r pondre des signaux r gulateurs tels que des activateurs ou des inhibiteurs allost riques intracellulaires. La signalisation intercellulaire permet l'int gration du m tabolisme. La principale voie de cette communication est la signalisation chimique (par exemple, par des hormones ou des neurotransmetteurs). Deuxi mement, les mol cules messag res transduisent un signal chimique (liaison une hormone ou un neurotransmetteur) aux r pondeurs intracellulaires appropri s. L'ad nylyl cyclase (AC) est une enzyme membranaire cellulaire qui synth tise l'ad nosine monophosphate cyclique (AMPc) en r ponse des signau
Biochimie_Lippincott	x chimiques, tels que les hormones glucagon et pin phrine. la suite de la liaison d'une hormone son r cepteur coupl la prot ine G la surface de la cellule, une prot ine r gulatrice d pendante de la guanosine triphosphate (prot ine G) est activ e qui, son tour, active la CA. L'AMPc produite active la prot ine kinase A, qui phosphoryle une vari t d'enzymes, provoquant leur activation ou leur d sactivation. La phosphorylation est invers e par les phosphatases. La glycolyse a robie, dans laquelle le pyruvate est le produit final, se produit dans les cellules dot es de mitochondries et d'un apport ad quat en oxyg ne ([O2], Fig. 8.25). La glycolyse ana robie, dans laquelle l'acide lactique est le produit final, se produit dans les cellules d pourvues de mitochondries et dans les cellules priv es d'O2 en quantit suffisante. Le glucose est transport passivement travers les membranes par 1 des 14 isoformes de transport de glucose (GLUT). GLUT-1 est abondant dans les globules rouges et le cerveau, GLUT-4 (qui est insulinod pendante) dans les tissus musculaires et adipeux, et GLUT-2 dans le foie, les reins et les cellules pancr atiques. L'oxydation du glucose en pyruvate (glycolyse, voir Fig. 8.25) se produit travers une phase d'investissement nerg tique au cours de laquelle les interm diaires phosphoryl s sont synth tis s aux d pens de l'ATP et une phase de g n ration d' nergie dans laquelle l'ATP est produit par phosphorylation au niveau du substrat. Dans la phase d'investissement nerg tique, le glucose est phosphoryl par l'hexokinase (pr sente dans la plupart des tissus) ou la glucokinase (une hexokinase pr sente dans les cellules h patiques et les cellules pancr atiques). L'hexokinase a une affinit lev e (faible Km) et une faible vitesse maximale (Vmax) pour le glucose et est inhib e par le glucose 6-phosphate. La glucokinase a un Km lev et une Vmax lev e pour le glucose. Il est r gul indirectement par le fructose 6-phosphate (inhibe) et le glucose (active) via la prot ine r gulatrice de la glucokinase. Le glucose 6-phosphate est isom ris en fructose 6phosphate, qui est phosphoryl en fructose 1,6-bisphosphate par la phosphofructokinase-1 (PFK-1). Cette enzyme est inhib e allost riquement par l'ATP et le citrate et activ e par l'AMP. Le fructose 2,6-bisphosphate, dont la synth se par la phosphofructokinase-2 bifonctionnelle (PFK-2) est augment e dans le foie par l'insuline et diminu e par le glucagon, est l'activateur allost rique le plus puissant de PFK-1. Au total, deux ATP sont utilis s pendant cette phase de glycolyse. Le fructose-1,6-bisphosphate est cliv pour former deux trioses qui sont ensuite m tabolis es par la voie glycolytique, formant le pyruvate. Au cours de cette phase, quatre ATP et deux nicotinamide ad nine dinucl otide (NADH) sont produits par mol cule de glucose. La derni re tape de la synth se du pyruvate partir du phospho nolpyruvate est catalys e par la pyruvate kinase (PK). Cette enzyme est activ e allost riquement par le fructose-1,6-bisphosphate, et l'isoenzyme h patique est inhib e de mani re covalente par le glucagon via la voie de l'AMPc. Le d ficit en PK est responsable de la majorit de tous les d fauts h r ditaires des enzymes glycolytiques. Les effets sont limit s aux globules rouges et se pr sentent sous la forme d'une an mie h molytique chronique non sph rocytaire l g re s v re. La transcription des g nes glycolytiques est am lior e par l'insuline et le glucose. Dans la glycolyse ana robie, le NADH est r oxyd en NAD+ par la r duction du pyruvate en lactate via la lactate d shydrog nase. Cela se produit dans des cellules telles que les globules rouges qui manquent de mitochondries et dans des tissus tels que les muscles en exercice, o la production de NADH d passe la capacit oxydative de la cha ne respiratoire. Des concentrations lev es de lactate dans le plasma (acidose lactique) se produisent en cas d'effondrement ou de choc du syst me circulatoire. Le pyruvate peut galement tre 1) d carboxyl par oxydation en ac tyl CoA par la pyruvate d shydrog nase, 2) carboxyl en oxaloac tate (un interm diaire du cycle TCA) par la pyruvate carboxylase, ou 3) r duit l' thanol par la pyruvate d carboxylase microbienne. Choisissez UNE meilleure r ponse. .1. Lequel des nonc s suivants d crit le mieux le niveau d'activit et l' tat de phosphorylation des enzymes h patiques num r es chez une personne qui a consomm un repas riche en glucides il y a environ une heure ? PFK-1 = phosphofructokinase1 ; PFK-2 = phosphofructokinase-2 ; P = phosphoryl . Bonne r ponse = C. Imm diatement apr s un repas, la glyc mie et l'absorption h patique du glucose augmentent. Le glucose est phosphoryl en glucose 6-phosphate et utilis dans la glycolyse. En r ponse l'augmentation de la glyc mie, le rapport insuline/glucagon augmente. En cons quence, le domaine kinase de PFK-2 est d phosphoryl et actif. Son produit, le fructose 2,6-bisphosphate, active allost riqu
Biochimie_Lippincott	ement le PFK-1. (PFK-1 n'est pas r glement de mani re covalente.) Le PFK-1 actif produit du fructose-1,6-bisphosphate qui est un activateur anticip de la pyruvate kinase. La pyruvate kinase h patique est r gul e de mani re covalente, et l'augmentation de l'insuline favorise la d phosphorylation et l'activation. .2. Laquelle des affirmations suivantes est vraie pour les voies anabolisantes uniquement ? Un. Leurs r actions irr versibles (hors quilibre) sont r gul es.B. Ils sont appel s cycles s'ils r g n rent un interm diaire.C. Ils sont convergents et g n rent quelques produits simples. D. Ils sont synth tiques et n cessitent de l' nergie. E. Ils n cessitent g n ralement des coenzymes oxyd es. Bonne r ponse = D. Les processus anabolisants sont synth tiques et n cessitent de l' nergie (endergonique). Les nonc s A et B s'appliquent la fois aux processus anaboliques et cataboliques, tandis que C et E ne s'appliquent qu'aux processus cataboliques. .3. Par rapport l' tat de repos, la contraction vigoureuse du muscle squelettique montre : A. diminution du rapport AMP/ATP.B. diminution des niveaux de fructose 2,6-bisphosphate.C. diminution du rapport NADH/NAD+. D. une augmentation de la disponibilit de l'oxyg ne. E. augmentation de la r duction du pyruvate en lactate. R ponse correcte = E. La contraction vigoureuse du muscle squelettique montre une augmentation de la r duction du pyruvate en lactate par rapport au muscle au repos. Les niveaux de nicotinamide ad nine dinucl otide (NADH) r duit augmentent et d passent la capacit oxydative de la cha ne de transport d' lectrons. Par cons quent, les niveaux d'ad nosine monophosphate (AMP) augmentent. La concentration de fructose 2,6-bisphosphate n'est pas un facteur de r gulation cl dans le muscle squelettique. .4. L'absorption du glucose par :A. les cellules c r brales se fait par un transport (actif) n cessitant de l' nergie.B. les cellules de la muqueuse intestinale ont besoin d'insuline.C. les cellules h patiques se fait par une diffusion facilit e impliquant un transporteur de glucose. D. la plupart des cellules se fait par simple diffusion jusqu' un gradient de concentration. R ponse correcte = C. L'absorption du glucose dans le foie, le cerveau, les muscles et les tissus adipeux est descendue d'un gradient de concentration, et la diffusion est facilit e par des transporteurs de glucose sp cifiques aux tissus (GLUT). Dans les tissus adipeux et musculaires, l'insuline est n cessaire l'absorption du glucose. Le d placement du glucose contre un gradient de concentration n cessite de l' nergie et est observ avec le cotransporteur de glucose 1 d pendant du sodium (SGLT1) des cellules de la muqueuse intestinale. .5. tant donn que le Km de la glucokinase pour le glucose est de 10 mM, alors que celui de l'hexokinase est de 0,1 mM, quelle isoenzyme se rapprochera le plus de la Vmax la concentration normale de glucose dans le sang de 5 mM ? Bonne r ponse = Hexokinase. Km (constante de Michaelis) est la concentration du substrat qui donne un demi-Vmax (vitesse maximale). Lorsque la concentration de glucose dans le sang est de 5 mM, l'hexokinase (Km = 0,1 mM) est satur e, mais pas la glucokinase (Km = 10 mM). .6. Chez les patients atteints de coqueluche, G i est inhib . Comment cela entra ne-t-il une augmentation de l'ad nosine monophosphate cyclique (AMPc) ? Les prot ines G de type G i inhibent l'ad nylyl cyclase (AC) lorsque leur r cepteur coupl la prot ine G associ est li par un ligand. Si G i est inhib par la toxine coqueluche, la production de CA d'AMPc est activ e de mani re inappropri e. Pour obtenir d'autres documents auxiliaires relatifs ce chapitre, veuillez consulter le site thePoint. I. APER U DU CYCLE Le cycle de l'acide tricarboxylique ([cycle TCA] galement appel cycle de l'acide citrique, ou cycle de Krebs) joue plusieurs r les dans le m tabolisme. C'est la derni re voie o convergent le catabolisme oxydatif des glucides, des acides amin s et des acides gras, leurs squelettes carbon s tant convertis en dioxyde de carbone (CO2), comme le montre le cycle. Le cycle TCA est une voie a robie, car l'oxyg ne (O2) est n cessaire comme accepteur final d' lectrons. Des r actions telles que le catabolisme de certains acides amin s g n rent des interm diaires du cycle et sont appel es r actions anapl rotiques (du grec pour remplissage ). Le cycle du TCA fournit galement des interm diaires pour un certain nombre de r actions anaboliques importantes, telles que la formation de glucose partir du squelette carbon de certains acides amin s et la synth se de certains acides amin s (voir p. 267) et de l'h me (voir p. 278). Par cons quent, ce cycle ne doit pas tre consid r comme un syst me ferm , mais plut t comme un syst me ouvert avec des compos s entrant et sortant selon les besoins. II. R ACTIONS CYCLIQUES Dans le cycle TCA, l'oxaloac tate (OAA) est d'abord condens avec un groupe ac tyle de l'ac tyl coenzyme A (CoA), pu
Biochimie_Lippincott	is est r g n r la fin du cycle (voir Fig. 9.1). Deux carbones entrent dans le cycle sous forme d'ac tyl-CoA et deux en sortent sous forme de CO2. Par cons quent, l'entr e d'un ac tyl-CoA dans un cycle du cycle TCA ne conduit pas la production ou la consommation nette d'interm diaires. A. Production d'ac tyl-CoA La principale source d'ac tyl-CoA pour le cycle du TCA est la d carboxylation oxydative du pyruvate par le complexe multienzymatique pyruvate d shydrog nase (complexe PDH, ou PDHC). Cependant, le PDHC (d crit ci-dessous) n'est pas une composante du cycle TCA. Le pyruvate, le produit final de la glycolyse a robie, est transport du cytosol dans la matrice mitochondriale par le transporteur mitochondrial pyruvate de la membrane mitochondriale interne. Dans la matrice, le PDHC convertit le pyruvate en ac tyl CoA. [Remarque : L'oxydation des acides gras est une autre source d'ac tylCoA (voir p. 192).] 1. Enzymes composant du PDHC : Le PDHC est un agr gat prot ique de plusieurs copies de trois enzymes, la pyruvate d carboxylase ([E1] parfois appel e pyruvate d shydrog nase), la dihydrolipoyl transac tylase (E2) et la dihydrolipoyl d shydrog nase (E3). Chacun catalyse une partie de la r action globale (Fig. 9.2). Leur association physique relie les r actions dans l'ordre appropri sans lib ration d'interm diaires. En plus des enzymes participant la conversion du pyruvate en ac tyl CoA, le PDHC contient galement deux enzymes r gulatrices, la pyruvate d shydrog nase kinase (PDH kinase) et la pyruvate d shydrog nase phosphatase (PDH phosphatase). dioxyde; TPP = pyrophosphate de thiamine ; L = acide lipo que ; CoA = coenzyme A ; FAD(H2) et NAD(H) = flavine et nicotinamide ad nine dinucl otides ; ~ = Liaison haute nergie. 2. Coenzymes : Le PDHC contient cinq coenzymes qui agissent comme des transporteurs ou des oxydants pour les interm diaires des r actions illustr es la figure 9.2. E1 n cessite du pyrophosphate de thiamine (TPP), E2 n cessite de l'acide lipo que et du CoA, et E3 n cessite du FAD et du NAD+. [Remarque : Le TPP, l'acide lipo que et le FAD sont troitement li s aux enzymes et fonctionnent comme des groupes coenzymes-proth ses (voir p. 54).] Les carences en thiamine ou en niacine peuvent causer de graves probl mes du syst me nerveux central. En effet, les cellules c r brales sont incapables de produire suffisamment d'ATP (via le cycle TCA) si le PDHC est inactif. Wernicke-Korsakoff, un syndrome d'enc phalopathie-psychose d une carence en thiamine, peut tre observ avec l'abus d'alcool (voir p. 383). 3. R gulation : Les modifications covalentes par les deux enzymes r gulatrices du PDHC activent et inactivent alternativement E1. La kinase PDH phosphoryle et inactive E1, tandis que la phosphatase PDH d phosphoryle et active E1 (Fig. 9.3). La kinase elle-m me est activ e allost riquement par l'ATP, l'ac tyl-CoA et le NADH. Par cons quent, en pr sence de ces produits haute nergie, le PDHC est d sactiv . [Remarque : C'est en fait l'augmentation des rapports ATP/ADP (ad nosine diphosphate), NADH/NAD+ ou ac tyle CoA/CoA qui affecte l'activit enzymique.] Le pyruvate est un puissant inhibiteur de la kinase PDH. Par cons quent, si les concentrations de pyruvate sont lev es, E1 sera actif au maximum. Le calcium (Ca2+) est un puissant activateur de la phosphatase PDH, stimulant l'activit E1. Ceci est particuli rement important dans les muscles squelettiques, o la lib ration de Ca2+ pendant la contraction stimule le PDHC et, par cons quent, la production d' nergie. [Remarque : Bien que la r gulation covalente par la kinase et la phosphatase soit primaire, le PDHC est galement sujet l'inhibition du produit (NADH et ac tyl CoA).] 4. Carence : Une carence des sous-unit s du composant t tram re E1 du PDHC, bien que tr s rare, est la cause biochimique la plus courante de l'acidose lactique cong nitale. La carence entra ne une diminution de la capacit convertir le pyruvate en ac tylCoA, ce qui entra ne la d rivation du pyruvate vers le lactate via la lactate d shydrog nase (voir p. 103). Cela cr e des probl mes particuliers pour le cerveau, qui d pend du cycle TCA pour la majeure partie de son nergie et est particuli rement sensible l'acidose. Les sympt mes sont variables et comprennent la neurod g n rescence, la spasticit musculaire et, dans la forme n onatale, la mort pr matur e. Le g ne de la sous-unit est li l'X, et comme les m les et les femelles peuvent tre affect s, la d ficience est class e comme dominante li e l'X. Bien qu'il n'existe pas de traitement prouv pour la carence en PDHC, la restriction alimentaire des glucides et la suppl mentation en thiamine peuvent r duire les sympt mes chez certains patients. Le syndrome de Leigh (enc phalomy lopathie n crosante subaigu ) est une maladie neurod g n rative rare et progressive caus e par des d fauts de production d'ATP mitochondrial, principalement la suite de mutations dans les g nes codant pour les pr
Biochimie_Lippincott	ot ines de la PDHC, de l'ETC ou de l'ATP synthase. L'ADN nucl aire et l'ADN mitochondrial peuvent tre affect s. 5. Intoxication l'arsenic : Comme d crit pr c demment (voir p. 101), l'arsenic pentavalent (ars niate) peut interf rer avec la glycolyse l' tape du glyc rald hyde 3phosphate, diminuant ainsi la production d'ATP. Cependant, l'intoxication l'arsenic est due principalement l'inhibition des complexes enzymatiques qui n cessitent de l'acide lipo que en tant que coenzyme, y compris la PDH, la -c toglutarate d shydrog nase (voir E. ci-dessous) et la -c to d shydrog nase cha ne ramifi e (voir p. 266). L'ars nite (la forme trivalente de l'arsenic) forme un complexe stable avec les groupes thiol (-SH) de l'acide lipo que, ce qui rend ce compos indisponible pour servir de coenzyme. Lorsqu'il se lie l'acide lipo que dans le PDHC, le pyruvate (et, par cons quent, le lactate) s'accumule. Comme pour le d ficit en PDHC, cela affecte particuli rement le cerveau, provoquant des troubles neurologiques et la mort. B. Synth se du citrate La condensation irr versible de l'ac tyl-CoA et de l'OAA pour former du citrate (un acide tricarboxylique) est catalys e par la citrate synthase, l'enzyme initiatrice du cycle du TCA (Fig. 9.4). Cette condensation d'aldol a une variation tr s n gative de l' nergie libre standard ([ G0] voir p. 70), ce qui favorise fortement la formation de citrate. L'enzyme est inhib e par le citrate (inhibition du produit). La disponibilit du substrat est un autre moyen de r gulation de la citrate synthase. La liaison de l'OAA augmente consid rablement l'affinit de l'enzyme pour l'ac tylCoA. [Remarque : Le citrate, en plus d' tre un interm diaire dans le cycle du TCA, est une source d'ac tyl CoA pour la synth se cytosolique des acides gras (voir p. 183) et du cholest rol (voir p. 220). Le citrate inhibe galement la phosphofructokinase-1 (PFK-1), l'enzyme limitant le taux de glycolyse (voir p. 99), et active l'ac tyl CoA carboxylase (l'enzyme limitant le taux de synth se des acides gras, voir p. 183).] C. Isom risation du citrate Le citrate est isom ris en isocitrate par migration de groupe hydroxyle catalys e par l'aconitase (aconitate hydratase), une prot ine fer-soufre (voir Fig. 9.4). [Remarque : L'acontase est inhib e par le fluoroac tate, une toxine v g tale utilis e comme pesticide. Le fluoroac tate est converti en fluoroac tyl-CoA qui se condense avec l'OAA pour du fluorocitrate, un puissant inhibiteur de l'aconitase.] D. D carboxylation oxydative de l'isocitrate L'isocitrate d shydrog nase catalyse la d carboxylation oxydative irr versible de l'isocitrate en -c toglutarate, produisant la premi re des trois mol cules de NADH produites par le cycle et la premi re lib ration de CO2 (voir Fig. 9.4). Il s'agit de l'une des tapes limitatives du cycle TCA. L'enzyme est activ e allost riquement par l'ADP (un signal de faible nergie) et le Ca2+ et est inhib e par l'ATP et le NADH, dont les niveaux sont lev s lorsque la cellule dispose d'abondantes r serves d' nergie. E. D carboxylation oxydative du -c toglutarate La conversion irr versible du -c toglutarate en succinyl-CoA est catalys e par le complexe -c toglutarate d shydrog nase, un agr gat prot ique de plusieurs copies de trois enzymes (Fig. 9.5). Le m canisme de cette d carboxylation oxydative est tr s similaire celui utilis pour la conversion du pyruvate en ac tyl CoA par le PDHC. La r action lib re le deuxi me CO2 et produit le deuxi me NADH du cycle. Les coenzymes n cessaires sont le TPP, l'acide lipo que, le FAD, le NAD+ et le CoA. Chacun fonctionne dans le cadre du m canisme catalytique d'une mani re analogue celle d crite pour le PDHC (voir p. 110). Le grand G0 n gatif de la r action favorise la formation de succinyl CoA, un thioester haute nergie similaire l'ac tyl CoA. Le complexe c toglutarate d shydrog nase est inhib par ses produits, le NADH et le succinyl CoA, et activ par le Ca2+. Cependant, il n'est pas r gul par les r actions de phosphorylation/d phosphorylation comme d crit pour le PDHC. [Remarque : le -c toglutarate est galement produit par la d samination oxydative (voir p. 252) et la transamination de l'acide amin glutamate (voir p. 250).] F. Clivage de la coenzyme A succinyl La succinate thiokinase ( galement appel e succinyl CoA synth tase, du nom de la r action inverse) clive la liaison thioester haute nergie de la succinyl CoA (voir Fig. 9.5). Cette r action est coupl e la phosphorylation de la guanosine diphosphate (GDP) en guanosine triphosphate (GTP). Le GTP et l'ATP sont nerg tiquement interconvertibles par la r action de la nucl oside diphosphate kinase : La g n ration de GTP par la succinate thiokinase est un autre exemple de phosphorylation au niveau du substrat (voir p. 102). [Remarque : Le succinyl-CoA est galement produit partir du propionyl-CoA d riv du m tabolisme d'acides gras avec un nombre impair d'atomes de carbone (voir p. 193) et du m tabo
Biochimie_Lippincott	lisme de plusieurs acides amin s (voir p. 265-266). Il peut tre converti en pyruvate pour la glucon ogen se (voir p. 118) ou utilis dans la synth se de l'h me (voir p. 278).] G. Oxydation du succinate Le succinate est oxyd en fumarate par la succinate d shydrog nase, car sa coenzyme FAD est r duite en FADH2 (voir Fig. 9.5). La succinate d shydrog nase est la seule enzyme du cycle du TCA qui est int gr e dans la membrane mitochondriale interne. En tant que tel, il fonctionne comme le complexe II de l'ETC (voir p. 75). [Remarque : le FAD, plut t que le NAD+, est l'accepteur d' lectrons, car le pouvoir r ducteur du succinate n'est pas suffisant pour r duire le NAD+.] H. Hydratation du fumarate Le fumarate est hydrat jusqu' ce qu'il devienne malate dans une r action librement r versible catalys e par la fumarase (fumarate hydratase, voir Fig. 9.5). [Remarque : Le fumarate est galement produit par le cycle de l'ur e (voir p. 255), dans la synth se des purines (voir Fig. 22.7 la p. 294), et lors du catabolisme des acides amin s ph nylalanine et tyrosine (voir p. 263).] I. Oxydation du malate Le malate est oxyd en OAA par la malate d shydrog nase (Fig. 9.6). Cette r action produit le troisi me et dernier NADH du cycle. Le G0 de la r action est positif, mais la r action est entra n e dans la direction de l'OAA par la r action hautement exergonique de la citrate synthase. [Remarque : L'OAA est galement produite par la transamination de l'acide amin aspartique (voir p. 250).] III. NERGIE PRODUITE PAR LE CYCLE Quatre paires d' lectrons sont transf r es au cours d'un tour du cycle TCA : trois paires r duisant trois NAD+ en NADH et une paire r duisant FAD en FADH2. L'oxydation d'un NADH par l'ETC conduit la formation de trois ATP, tandis que l'oxydation de FADH2 produit deux ATP (voir p. 77). Le rendement total en ATP r sultant de l'oxydation d'un ac tyl-CoA est illustr la figure 9.7. La figure 9.8 r sume les r actions du cycle TCA. [Note : Le cycle n'implique pas la consommation nette ou la production d'interm diaires. Deux carbones entrant sous forme d'ac tyl-CoA sont quilibr s par deux missions de CO2 sortantes.] dinucl otides ; PIB et GTP = guanosine di- et triphosphates ; Pi = phosphate inorganique. IV. R GULATION DU CYCLE Contrairement la glycolyse, qui est r gul e principalement par PFK-1, le cycle du TCA est contr l par la r gulation de plusieurs enzymes (voir Fig. 9.8). Les plus importantes de ces enzymes r gul es sont celles qui catalysent des r actions avec des G0 tr s n gatifs : citrate synthase, isocitrate d shydrog nase et le complexe c toglutarate d shydrog nase. Les quivalents r ducteurs n cessaires la phosphorylation oxydative sont g n r s par le cycle PDHC et TCA, et les deux processus sont r gul s la hausse en r ponse une diminution du rapport ATP/ADP. V. R SUM DU CHAPITRE Le pyruvate est d carboxyl par oxydation par le complexe pyruvate d shydrog nase (PDHC), produisant de l'ac tyl coenzyme A (CoA), qui est le principal carburant du cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) (Fig. 9.9). Le PDHC multienzymatique n cessite cinq coenzymes : le pyrophosphate de thiamine, l'acide lipo que, la flavine ad nine dinucl otide (FAD), le nicotinamide ad nine dinucl otide (NAD+) et le CoA. La PDHC est r gul e par la modification covalente de E1 (pyruvate d carboxylase) par la PDH kinase et la PDH phosphatase : la phosphorylation inhibe E1. La kinase PDH est activ e allost riquement par l'ATP, l'ac tyl CoA et le NADH et inhib e par le pyruvate. La phosphatase est activ e par le calcium (Ca2+). La carence en E1 est la cause biochimique la plus fr quente d'acidose lactique cong nitale. Le cerveau est particuli rement touch dans ce trouble dominant li l'X. L'empoisonnement l'arsenic provoque l'inactivation du PDHC en se liant l'acide lipo que. Dans le cycle du TCA, le citrate est synth tis partir de l'oxaloac tate (OAA) et de l'ac tyl CoA par la citrate synthase, qui est inhib e par le produit. Le citrate est isom ris en isocitrate par l'aconitase (aconitate hydratase). L'isocitrate est d carboxyl par oxydation par l'isocitrate d shydrog nase en -c toglutarate, produisant du dioxyde de carbone (CO2) et du NADH. L'enzyme est inhib e par l'ATP et le NADH et activ e par l'ad nosine diphosphate (ADP) et le Ca2+. Le -c toglutarate est d carboxyl par oxydation en succinyl-CoA par le complexe -c toglutarate d shydrog nase, produisant du CO2 et du NADH. L'enzyme est tr s similaire au PDHC et utilise les m mes coenzymes. Le complexe -c toglutarate d shydrog nase est activ par le Ca2+ et inhib par le NADH et le succinyl-CoA, mais n'est pas r gul de mani re covalente. La succinyl-CoA est cliv e par la succinate thiokinase ( galement appel e succinyl CoA synth tase), produisant du succinate et de la guanosine triphosphate (GTP). Il s'agit d'un exemple de phosphorylation au niveau du substrat. Le succinate est oxyd en fumarate par la succinate d shydrog nase, produis
Biochimie_Lippincott	ant FADH2. Le fumarate est hydrat en malate par la fumarase (fumarate hydratase), et le malate est oxyd en OAA par la malate d shydrog nase, produisant du NADH. Trois NADH et un FADH2 sont produits par un cycle du cycle TCA. La g n ration d'ac tyl CoA par l'oxydation du pyruvate via le PDHC produit galement un NADH. L'oxydation du NADH et du FADH2 par l'ETC donne 14 ATP. Le phosphate terminal du GTP produit par phosphorylation au niveau du substrat dans le TCA peut tre transf r l'ADP par la nucl oside diphosphate kinase, produisant un autre ATP. Par cons quent, un total de 15 ATP sont produits partir de l'oxydation mitochondriale compl te du pyruvate en CO2. NAD(H) = nicotinamide ad nine dinucl otide ; FAD(H2) = flavine ad nine dinucl otide ; PIB et GTP = guanosine di- et triphosphates ; ADP = ad nosine diphosphate ; Pi = phosphate inorganique. Choisissez UNE meilleure r ponse. .1. La conversion du pyruvate en ac tyl coenzyme A et en dioxyde de carbone : A. implique la participation de l'acide lipo que. B. est activ lorsque la pyruvate d carboxylase du complexe pyruvate d shydrog nase (PDHC) est phosphoryl e par la kinase PDH en pr sence d'ATP. C. est r versible.D. se produit dans le cytosol.E. n cessite la coenzyme biotine. Bonne r ponse = A. L'acide lipo que est un accepteur interm diaire du groupe ac tyle form dans la r action. [Remarque : L'acide lipo que li un r sidu de lysine dans E2 fonctionne comme un bras oscillant qui permet l'interaction avec E1 et E3.] Le PDHC catalyse une r action irr versible qui est inhib e lorsque le composant d carboxylase (E1) est phosphoryl . Le PDHC est situ dans la matrice mitochondriale. La biotine est utilis e par les carboxylases, et non par les d carboxylases. .2. Laquelle des conditions suivantes diminue l'oxydation de l'ac tylcoenzyme A par le cycle de l'acide citrique ? Un. Une grande disponibilit du calcium B. Un rapport ac tyle CoA/CoA C lev . Un faible rapport ATP/ADPD. Un faible rapport NAD+/NADH Bonne r ponse = D. Un faible rapport NAD+/NADH (oxyd nicotinamide ad nine dinucl otide) limite les taux de d shydrog nases n cessitant du NAD+. Haute disponibilit de calcium et de substrat (ac tyl coenzyme A) et un faible rapport ATP/ADP (ad nosine tri-to diphosphate) stimulent le cycle. 3. Ce qui suit est la somme de trois tapes du cycle de l'acide citrique. A + B + FAD + H2O C + FADH2 + NADH Choisissez la r ponse alphab tique qui correspond aux A , B et C manquants dans l' quation. Bonne r ponse = B. Succinate + NAD+ + FAD + H2O oxaloac tate + NADH + FADH2. .4. Un m le de 1 mois pr sente des probl mes neurologiques et une acidose lactique. L'analyse enzymatique de l'activit du complexe pyruvate d shydrog nase (PDHC) sur des extraits de fibroblastes cutan s en culture a montr 5 % de activit avec une faible concentration de pyrophosphate de thiamine (TPP) mais 80 % de l'activit normale lorsque le dosage contenait une concentration mille fois plus lev e de TPP. Laquelle des affirmations suivantes concernant ce patient est correcte ? L'administration de thiamine devrait r duire son taux s rique de lactate et am liorer ses sympt mes cliniques. B. On s'attendrait ce qu'un r gime riche en glucides soit b n fique pour ce patient. C. La production de citrate partir de la glycolyse a robie devrait tre augment e.D. La kinase PDH, une enzyme r gulatrice du PDHC, devrait tre active. Bonne r ponse = A. Le patient semble pr senter un d ficit en CDPD sensible la thiamine. Le composant pyruvate d carboxylase (E1) du PDHC ne parvient pas se lier au pyrophosphate de thiamine faible concentration, mais montre une activit significative une concentration lev e de la coenzyme. Cette mutation, qui affecte le Km (constante de Michaelis) de l'enzyme de la coenzyme, est pr sente dans certains cas, mais pas tous, de d ficit en PDHC. tant donn que le PDHC fait partie int grante du m tabolisme des glucides, un r gime pauvre en glucides devrait att nuer les effets de la carence enzymatique. La glycolyse a robie g n re du pyruvate, le substrat du PDHC. La diminution de l'activit du complexe diminue la production d'ac tyl coenzyme A, un substrat de la citrate synthase. Parce que la kinase PDH est inhib e allost riquement par le pyruvate, elle est inactive. .5. Quel coenzyme-cosubstrat est utilis par les d shydrog nases la fois dans la glycolyse et dans le cycle de l'acide tricarboxylique ? Le nicotinamide ad nine d shydrog otide oxyd (NAD+) est utilis par la glyc rald hyde 3-phosphate d shydrog nase de la glycolyse et par l'isocitrate d shydrog nase, la -c toglutarate d shydrog nase et la malate d shydrog nase du cycle de l'acide tricarboxylique. [Remarque : L'E3 du complexe pyruvate d shydrog nase n cessite de la flavine ad nine dinucl otide (FAD) oxyd e et du NAD+.] Pour obtenir d'autres documents auxiliaires relatifs ce chapitre, veuillez consulter le site thePoint. I. APER U Certains tissus, tels que
Biochimie_Lippincott	le cerveau, les globules rouges (GR), la moelle pini re, le cristallin et la corn e de l' il, les testicules et les muscles en exercice, n cessitent un apport continu de glucose comme carburant m tabolique. Le glycog ne h patique, source postprandiale essentielle de glucose, peut r pondre ces besoins pendant <24 heures en l'absence d'apport alimentaire en glucides (voir p. 125). Cependant, au cours d'un je ne prolong , les r serves de glycog ne h patique sont puis es et le glucose est fabriqu partir de pr curseurs non glucidiques. La formation de glucose ne se produit pas par une simple inversion de la glycolyse, car l' quilibre global de la glycolyse favorise fortement la formation de pyruvate (c'est- -dire que la variation de l' nergie libre standard [ G0] est n gative). Au lieu de cela, le glucose est synth tis de novo par une voie sp ciale, la glucon ogen se, qui n cessite la fois des enzymes mitochondriales et cytosoliques. [Remarque : Les d ficiences en enzymes glucon og nes provoquent l'hypoglyc mie.] Au cours d'un je ne nocturne, ~90% de la glucon ogen se se produit dans le foie, les ~10% restants se produisant dans les reins. Cependant, pendant un je ne prolong , les reins deviennent des organes majeurs producteurs de glucose, contribuant ~40% de la production totale de glucose. [Remarque : L'intestin gr le peut galement produire du glucose.] La figure 10.1 montre la relation entre la glucon ogen se et d'autres voies essentielles du m tabolisme nerg tique. dioxyde de carbone. II. SUBSTRATS Les pr curseurs glucon og niques sont des mol cules qui peuvent tre utilis es pour produire une synth se nette de glucose. Les pr curseurs glucon og niques les plus importants sont le glyc rol, le lactate et les acides -c to obtenus partir du m tabolisme des acides amin s glucog niques. [Remarque : Tous les acides amin s sauf deux (leucine et lysine) sont glucog niques (voir p. 262).] A. Glyc rol Le glyc rol est lib r lors de l'hydrolyse des triacylglyc rols (TAG) dans le tissu adipeux (voir p. 190) et est d livr par le sang vers le foie. Le glyc rol est phosphoryl par la glyc rol kinase en glyc rol 3-phosphate, B. Lactate Le lactate de la glycolyse ana robie est lib r dans le sang par l'exercice des muscles squelettiques et par les cellules d pourvues de mitochondries, comme les globules rouges. Dans le cycle de Cori, ce lactate est absorb par le foie et oxyd en pyruvate qui est converti en glucose, qui est rel ch dans la circulation (Fig. 10.2). C. Acides amin s Les acides amin s produits par l'hydrolyse des prot ines tissulaires sont les principales sources de glucose pendant un je ne. Leur m tabolisme g n re des acides -c to, tels que le pyruvate qui est converti en glucose, ou le -c toglutarate qui peut entrer dans le cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) et former de l'oxaloac tate (OAA), un pr curseur direct du phospho nolpyruvate (PEP). [Remarque : L'ac tylcoenzyme A (CoA) et les compos s qui ne donnent naissance qu' l'ac tyl CoA (par exemple, l'ac toac tate, la lysine et la leucine) ne peuvent pas donner lieu une synth se nette de glucose. Cela est d la nature irr versible du complexe pyruvate d shydrog nase (PDHC), qui convertit le pyruvate en ac tylCoA (voir p. 109). Ces compos s donnent plut t naissance des corps c toniques (voir p. 10). 195) et sont qualifi s de c tog nes.] III. R ACTIONS Sept r actions glycolytiques sont r versibles et sont utilis es dans la synth se du glucose partir du lactate ou du pyruvate. Cependant, trois r actions glycolytiques sont irr versibles et doivent tre contourn es par quatre r actions altern es qui favorisent nerg tiquement la synth se du glucose. Ces r actions irr versibles, qui sont uniques la glucon ogen se, sont d crites ci-dessous. A. Carboxylation du pyruvate Le premier obstacle surmonter dans la synth se du glucose partir du pyruvate est la conversion irr versible dans la glycolyse de la PEP en pyruvate par la pyruvate kinase (PK). Dans la glucon ogen se, le pyruvate est carboxyl par la pyruvate carboxylase (PC) en OAA, qui est converti en PEP par la PEPcarboxykinase (PEPCK) (Fig. 10.3). isoenzymes mitochondriales et cytosoliques de la malate d shydrog nase ; GTP et PIB = guanosine triphosphates et diphosphates ; ADP = ad nosine diphosphate. 1. Biotine : La PC n cessite la coenzyme biotine (voir p. 385) li e de mani re covalente au groupe -amino d'un r sidu lysine dans l'enzyme (voir Fig. 10.3). L'hydrolyse de l'ATP entra ne la formation d'un interm diaire enzyme-biotine-dioxyde de carbone (CO2), qui carboxyle ensuite le pyruvate pour former de l'OAA. [Remarque : HCO3 fournit le CO2.] La r action PC se produit dans les mitochondries des cellules h patiques et r nales et a deux objectifs : permettre la production de PEP, un substrat important pour la glucon ogen se, et fournir de l'OAA qui peut reconstituer les interm diaires du cycle du TCA qui peuvent s' puiser. Les cellules musculaires contien
Biochimie_Lippincott	nent galement du PC, mais n'utilisent le produit OAA qu' des fins de r approvisionnement (anapl rotique) et ne synth tisent pas le glucose. [Remarque : La prot ine porteuse du pyruvate d place le pyruvate du cytosol vers les mitochondries.] Le PC est l'une des nombreuses carboxylases qui n cessitent de la biotine. D'autres incluent l'ac tyl CoA carboxylase (p. 183), la propionyl CoA carboxylase (p. 194) et la m thylcrotonyl CoA carboxylase (p. 266). 2. R gulation allost rique : la PC est activ e allost riquement par l'ac tyl-CoA. Des niveaux lev s d'ac tylCoA dans les mitochondries signalent un tat m tabolique dans lequel une synth se accrue de l'OAA est n cessaire. Par exemple, cela se produit pendant le je ne, lorsque l'OAA est utilis pour la glucon ogen se dans le foie et les reins. l'inverse, de faibles niveaux d'ac tylCoA, le PC est largement inactif et le pyruvate est principalement oxyd par le PDHC en ac tyl CoA qui peut tre oxyd davantage par le cycle du TCA (voir p. 109). B. Transport de l'oxaloac tate vers le cytosol Pour que la glucon ogen se se poursuive, l'OAA doit tre convertie en PEP par PEPCK. La production de PEP dans le cytosol n cessite le transport de l'OAA hors des mitochondries. Cependant, il n'y a pas de transporteur d'OAA dans la membrane mitochondriale interne, et l'OAA est d'abord r duite en malate par la malate d shydrog nase mitochondriale (MD). Le malate est transport dans le cytosol et r oxyd en OAA par la DM cytosolique lorsque le nicotinamide ad nine dinucl otide (NAD+) est r duit en NADH (voir Fig. 10.3). Le NADH est utilis dans la r duction du 1,3-bisphosphoglyc rate en glyc rald hyde 3phosphate par la glyc rald hyde 3-phosphate d shydrog nase (voir p. 101), une r action commune la glycolyse et la glucon ogen se. [Remarque : Lorsqu'il est abondant, le lactate est oxyd en pyruvate mesure que le NAD+ est r duit. Le pyruvate est transport dans les mitochondries et carboxyl par la PC en OAA, qui peut tre converti en PEP par l'isoenzyme mitochondriale de PEPCK. La PPE est transport e vers le cytosol. L'OAA peut galement tre converti en aspartate qui est transport dans le cytosol.] C. D carboxylation de l'oxaloac tate cytosolique L'OAA est d carboxyl et phosphoryl en PEP dans le cytosol par PEPCK. La r action est provoqu e par l'hydrolyse de la guanosine triphosphate (voir Fig. 10.3). Les actions combin es de la PC et de la PEPCK fournissent une voie nerg tiquement favorable du pyruvate la PEP. La PEP est ensuite influenc e par les r actions de la glycolyse dans le sens inverse jusqu' ce qu'elle devienne du fructose-1,6-bisphosphate. L'association de la carboxylation et de la d carboxylation entra ne des r actions qui seraient autrement d favorables sur le plan nerg tique. Cette strat gie est galement utilis e dans la synth se des acides gras (FA) (voir p. 184). D. D phosphorylation du fructose-1,6-bisphosphate L'hydrolyse du fructose-1,6-bisphosphate par la fructose-1,6-bisphosphatase, pr sente dans le foie et les reins, contourne la r action irr versible de la glycolyse par la phosphofructokinase-1 (PFK-1) et fournit une voie nerg tiquement favorable la formation du fructose 6-phosphate (Fig. 10.4). Cette r action est un site r gulateur important de la glucon ogen se. 1. R gulation par les niveaux d' nergie intracellulaires : La fructose 1,6-bisphosphatase est inhib e par une augmentation du rapport ad nosine monophosphate (AMP)/ATP, ce qui signale un tat de faible nergie dans la cellule. l'inverse, un faible taux d'AMP et un taux lev d'ATP stimulent la glucon ogen se, une voie n cessitant de l' nergie. 2. R gulation par le fructose 2,6-bisphosphate : Le fructose 1,6-bisphosphatase est inhib par le fructose 2,6-bisphosphate, un effecteur allost rique dont la concentration est influenc e par le rapport insuline/glucagon. Lorsque le glucagon est lev , l'effecteur n'est pas fabriqu par le PFK-2 h patique (voir p. 99), et donc, la phosphatase est active (Fig. 10.5). [Remarque : Les signaux qui inhibent (2,6-bisphosphate de 2,6-bisphosphate de faible nergie et haute teneur en fructose) ou qui activent la glucon ogen se (2,6-bisphosphate de 2,6 bisphosphate de haute nergie et de faible teneur en fructose) ont l'effet inverse sur la glycolyse, en fournissant contr le r ciproque des voies qui synth tisent et oxydent le glucose (voir p. 100).] E. D phosphorylation du glucose 6-phosphate L'hydrolyse du glucose 6-phosphate par la glucose 6-phosphatase contourne la r action irr versible hexokinase/glucokinase et fournit une voie nerg tiquement favorable la formation de glucose libre (Fig. 10.6). Le foie est le principal organe qui produit du glucose libre partir du glucose 6-phosphate. Ce processus n cessite un complexe de deux prot ines que l'on trouve uniquement dans le tissu glucon og nique : le glucose 6-phosphate translocase, qui transporte le glucose 6-phosphate travers la membrane r ticulaire endoplasmique (RE)
Biochimie_Lippincott	, et la glucose 6-phosphatase, qui limine le phosphate, produisant du glucose libre (voir Fig. 10.6). [Remarque : Ces prot ines membranaires du RE sont galement n cessaires l' tape finale de la d gradation du glycog ne (voir p. 130). Les glycog nomaladies Ia et Ib, caus es respectivement par des d ficiences en phosphatase et en translocase, sont caract ris es par une hypoglyc mie s v re jeun, car le glucose libre ne peut tre produit ni par glucon ogen se ni par glycog nolyse.] Des transporteurs sp cifiques sont responsables du d placement du glucose libre dans le cytosol, puis dans le sang. F. R sum des r actions de la glycolyse et de la glucon ogen se Sur les 11 r actions n cessaires pour convertir le pyruvate en glucose libre, 7 sont catalys es par des enzymes glycolytiques r versibles (Fig. 10.7). Les 3 r actions irr versibles (catalys es par l'hexokinase/glucokinase, la PFK-1 et la PK) sont contourn es par les r actions catalys es par la glucose 6-phosphatase, la fructose 1,6-bisphosphatase, la PC et la PEPCK. Dans la glucon ogen se, les quilibres des r actions glycolytiques r versibles sont pouss s vers la synth se du glucose en raison de la formation essentiellement irr versible de PEP, de fructose 6-phosphate et de glucose par les enzymes glucon og nes. [Remarque : La st chiom trie de la glucon ogen se partir de deux mol cules de pyruvate couple le clivage de six liaisons phosphate haute nergie et l'oxydation de deux NADH avec la formation d'une mol cule de glucose (voir Fig. 10.7).] IV. R GLEMENTATION La r gulation d'un moment l'autre de la glucon ogen se est d termin e principalement par le niveau circulant de glucagon et par la disponibilit de substrats glucon og niques. De plus, les changements adaptatifs lents de la quantit d'enzymes r sultent d'une alt ration du taux de synth se ou de d gradation des enzymes, ou des deux. [Remarque : Le contr le hormonal du syst me glucor gulateur est pr sent au chapitre 23.] Cette hormone peptidique issue des cellules des lots pancr atiques (voir p. 313) stimule la glucon ogen se par trois m canismes. 1. Modifications des effecteurs allost riques : Le glucagon abaisse le fructose 2,6bisphosphate h patique, ce qui entra ne l'activation de la fructose 1,6-bisphosphatase et l'inhibition de PFK-1, favorisant ainsi la glucon ogen se par rapport la glycolyse (voir Fig. 10.5). [Remarque : Voir les pages 99-100 pour le r le du fructose 2,6bisphosphate dans la r gulation de la glycolyse.] 2. Modification covalente de l'activit enzymatique : Le glucagon se lie son r cepteur coupl la prot ine G (voir p. 95) et, via une l vation du niveau d'AMP cyclique (cAMP) et de l'activit de la prot ine kinase A d pendante de l'AMPc, stimule la conversion de la PK h patique en sa forme inactive (phosphoryl e). Cela diminue la conversion de la PEP en pyruvate, ce qui a pour effet de d tourner la PEP vers la glucon ogen se (Fig. 10.8). l'enzyme. [Remarque : Seule l'isoenzyme h patique est soumise une r gulation covalente.] AMP RE. 3. Induction de la synth se enzymatique : Le glucagon augmente la transcription du g ne pour PEPCK via la prot ine CREB (facteur de transcription cAMP response element-binding), augmentant ainsi la disponibilit de cette enzyme mesure que les niveaux de son substrat augmentent pendant le je ne. [Remarque : Le cortisol (un glucocortico de) augmente galement l'expression du g ne, tandis que l'insuline diminue l'expression.] B. Disponibilit du substrat La disponibilit de pr curseurs glucon og niques, en particulier d'acides amin s glucog niques, influence significativement le taux de synth se du glucose. La diminution des niveaux d'insuline favorise la mobilisation des acides amin s des prot ines musculaires pour fournir les squelettes carbon s pour la glucon ogen se. Les coenzymes ATP et NADH n cessaires la glucon ogen se sont principalement fournies par l'oxydation des FA. C. Activation allost rique par l'ac tyl-CoA L'activation allost rique de la PC h patique par l'ac tylCoA se produit pendant le je ne. En raison de l'augmentation de l'hydrolyse de TAG dans le tissu adipeux, le foie est inond d'AF (voir p. 330). Le taux de formation d'ac tylCoA par -oxydation de ces acides gras d passe la capacit du foie l'oxyder en CO2 et en eau. En cons quence, l'ac tyl CoA s'accumule et active le PC. [Remarque : L'ac tyl-CoA inhibe la PDHC (en activant la kinase PDH ; voir p. 111). Ainsi, ce compos unique peut d tourner le pyruvate vers la glucon ogen se et l' loigner du cycle du TCA (Fig. 10.9).] D. Inhibition allost rique par l'AMP La fructose-1,6-bisphosphatase est inhib e par l'AMP, un compos qui active le PFK-1. Il en r sulte une r gulation r ciproque de la glycolyse et de la glucon ogen se observ es pr c demment avec le fructose 2,6-bisphosphate (voir p. 121). [Remarque : Ainsi, une AMP lev e stimule les voies de production d' nergie et inhibe celles qui n cessitent de l' nergie.] V. R SUM DU CHAPITRE
Biochimie_Lippincott	Les pr curseurs glucon og niques comprennent le glyc rol lib r lors de l'hydrolyse du triacylglyc rol dans le tissu adipeux, le lactate lib r par les cellules d pourvues de mitochondries et par l'exercice des muscles squelettiques, et les acides -c to (par exemple, l' c toglutarate et le pyruvate) d riv s du m tabolisme des acides amin s glucog niques (Fig. 10.10). Sept des r actions de la glycolyse sont r versibles et sont utilis es pour la glucon ogen se dans le foie et les reins. Trois r actions, catalys es par la pyruvate kinase, la phosphofructokinase-1 et la glucokinase/hexokinase, sont physiologiquement irr versibles et doivent tre contourn es. Le pyruvate est converti en oxaloac tate puis en phospho nolpyruvate (PEP) par la pyruvate carboxylase (PC) et la PEPcarboxykinase (PEPCK). Le PC n cessite de la biotine et de l'ATP et est activ allost riquement par l'ac tylcoenzyme A. PEPCK n cessite de la guanosine triphosphate. La transcription de son g ne est augment e par le glucagon et le cortisol et diminu e par l'insuline. Le fructose-1,6-bisphosphate est converti en fructose 6phosphate par la fructose-1,6-bisphosphatase. Cette enzyme est inhib e par un rapport ad nosine monophosphate (AMP)/ATP lev . Il est galement inhib par le fructose 2,6-bisphosphate, le principal activateur allost rique de la glycolyse. Le glucose 6-phosphate est d phosphoryl en glucose par la glucose 6phosphatase. Cette enzyme de la membrane r ticulaire endoplasmique catalyse l' tape finale de la glucon ogen se et de la d gradation du glycog ne. Sa carence entra ne une hypoglyc mie s v re jeun. dioxyde. Choisissez UNE meilleure r ponse.0.1. Laquelle des affirmations suivantes concernant la glucon ogen se est correcte ? Un. Il s'agit d'un processus producteur d' nergie (exergonique).B. Il est important pour maintenir la glyc mie pendant un je ne de 2 jours. C. Il est inhib par une baisse du rapport insuline/glucagon.D. Il se produit dans le cytosol des cellules musculaires. Il utilise des squelettes de carbone fournis par la d gradation des acides gras. Bonne r ponse = B. Au cours d'un je ne de 2 jours, les r serves de glycog ne sont puis es et la glucon ogen se maintient la glyc mie. Il s'agit d'une voie nergivore (endergonique) (l'ATP et le GTP sont hydrolys s) qui se produit principalement dans le foie, les reins devenant d'importants producteurs de glucose lors d'un je ne prolong . La glucon ogen se utilise la fois les enzymes mitochondriales et cytosoliques et est stimul e par une baisse du rapport insuline/glucagon. La d gradation des acides gras produit de l'ac tyl coenzyme A (CoA), qui ne peut pas tre convertie en glucose. En effet, il n'y a pas de gain net de carbones de l'ac tyl CoA dans le cycle de l'acide tricarboxylique, et le complexe pyruvate d shydrog nase est physiologiquement irr versible. Ce sont les squelettes carbon s de la plupart des acides amin s qui sont glucog nes. 0.2. Quelle r action dans le sch ma ci-dessous serait inhib e en pr sence de grandes quantit s d'avidine, une prot ine de blanc d' uf qui lie et s questre la biotine ? Bonne r ponse = C. Le pyruvate est carboxyl en oxaloac tate par la pyruvate carboxylase, une enzyme n cessitant de la biotine. B (complexe pyruvate d shydrog nase) n cessite du pyrophosphate de thiamine, de l'acide lipo que, de la flavine et du nicotinamide ad nine dinucl otides (FAD et NAD+) et de la coenzyme A ; D (transaminase) n cessite du phosphate de pyridoxal ; E (lactate d shydrog nase) n cessite du NADH. 0.3. Laquelle des r actions suivantes est unique la glucon ogen se ? A. 1,3-bisphosphoglyc rate 3-phosphoglyc rate B. Lactate pyruvate C. Oxaloac tate phospho nolpyruvate D. Phospho nolpyruvate pyruvate Bonne r ponse = C. Les autres r actions sont communes la glucon ogen se et la glycolyse. 0.4. Utilisez le tableau ci-dessous pour montrer l'effet de l'ad nosine monophosphate (AMP) et du fructose 2,6-bisphosphate sur les enzymes num r es de la glucon ogen se et de la glycolyse. Le fructose 2,6-bisphosphate et l'ad nosine monophosphate inhibent tous deux la fructose 1,6-bisphosphatase de la glucon ogen se et activent la phosphofructokinase-1 de la glycolyse. Il en r sulte une r gulation r ciproque des deux voies. 0.5. Le m tabolisme de l' thanol par l'alcool d shydrog nase produit une r duction du nicotinamide ad nine dinucl otide (NADH) partir de la forme oxyd e (NAD+). Quel effet la baisse du rapport NAD+/NADH devrait-elle avoir sur la glucon ogen se ? Expliquer. L'augmentation du NADH mesure que l' thanol est oxyd diminue la disponibilit de l'oxaloac tate (OAA) car l'oxydation r versible du malate en OAA par la malate d shydrog nase du cycle de l'acide tricarboxylique est entra n e dans le sens inverse par le NADH. De plus, la r duction r versible du pyruvate en lactate par la lactate d shydrog nase est entra n e au lactate par le NADH. Ainsi, deux substrats glucon og niques importants, l'OAA et le pyruvate, diminu
Biochimie_Lippincott	ent en raison de l'augmentation du NADH au cours du m tabolisme de l' thanol. Par cons quent, la glucon ogen se diminue. 0.6. tant donn que l'ac tyl coenzyme A ne peut pas tre un substrat pour la glucon ogen se, pourquoi sa production dans l'oxydation des acides gras est-elle essentielle pour la glucon ogen se ? L'ac tylcoenzyme A inhibe le complexe pyruvate d shydrog nase et active la pyruvate carboxylase, poussant le pyruvate la glucon ogen se et loin de l'oxydation. Pour obtenir d'autres documents auxiliaires relatifs ce chapitre, veuillez consulter le site thePoint. I. APER U Une source constante de glucose dans le sang est une condition absolue de la vie humaine. Le glucose est la source d' nergie pr f r e pour le cerveau et la source d' nergie n cessaire pour les cellules ayant peu ou pas de mitochondries, comme les globules rouges matures. Le glucose est galement essentiel en tant que source d' nergie pour l'exercice musculaire, o il est le substrat de la glycolyse ana robie. La glyc mie peut tre obtenue partir de trois sources principales : l'alimentation, la d gradation du glycog ne et la glucon ogen se. L'apport alimentaire en glucose et en pr curseurs du glucose, tels que l'amidon (un polysaccharide), les disaccharides et les monosaccharides, est sporadique et, selon le r gime alimentaire, n'est pas toujours une source fiable de glucose dans le sang. En revanche, la glucon ogen se (voir p. 117) peut fournir une synth se soutenue du glucose, mais elle est quelque peu lente r agir une baisse du taux de glucose dans le sang. Par cons quent, le corps a d velopp des m canismes pour stocker un approvisionnement en glucose sous une forme rapidement mobilis e, savoir le glycog ne. En l'absence d'une source alimentaire de glucose, ce sucre est rapidement lib r dans le sang partir du glycog ne h patique. De m me, le glycog ne musculaire est consid rablement d grad lors de l'exercice musculaire pour fournir ce tissu une source d' nergie importante. Lorsque les r serves de glycog ne sont puis es, des tissus sp cifiques synth tisent le glucose de novo, en utilisant le glyc rol, le lactate, le pyruvate et les acides amin s comme sources de carbone pour la glucon ogen se (voir chapitre 10). La figure 11.1 montre les r actions de synth se et de d gradation du glycog ne dans le cadre des voies essentielles du m tabolisme nerg tique. II. STRUCTURE ET FONCTION Les principales r serves de glycog ne se trouvent dans les muscles squelettiques et le foie, bien que la plupart des autres cellules stockent de petites quantit s de glycog ne pour leur propre usage. La fonction du glycog ne musculaire est de servir de r serve de carburant pour la synth se de l'ATP lors de la contraction musculaire. Celui du glycog ne h patique est de maintenir la concentration de glucose dans le sang, en particulier pendant les premiers stades d'un je ne (Fig. 11.2 ; voir aussi p. 329). [Remarque : Le glycog ne h patique peut maintenir la glyc mie pendant <24 heures.] A. Quantit s dans le foie et les muscles Environ 400 g de glycog ne repr sentent 1 2 % du poids frais du muscle au repos, et ~ 100 g de glycog ne repr sentent jusqu' 10 % du poids frais d'un foie adulte bien nourri. Ce qui limite la production de glycog ne ces niveaux n'est pas clair. Cependant, dans certaines maladies de stockage du glycog ne (GSD) (voir Fig. 11.8), la quantit de glycog ne dans le foie et/ou les muscles peut tre nettement plus lev e. [Remarque : Dans le corps, la masse musculaire est sup rieure la masse h patique. Par cons quent, la majeure partie du glycog ne du corps se trouve dans les muscles squelettiques.] B. Structure Le glycog ne est un polysaccharide cha ne ramifi e fabriqu exclusivement partir de -Dglucose. La liaison glycosidique primaire est une liaison (1 4). Apr s une moyenne de 8 14 r sidus de glucosyle, il existe une branche contenant une liaison (1 6) (Fig. 11.3). Une seule mol cule de glycog ne peut contenir jusqu' 55 000 r sidus de glucosyle. Ceux-ci Les polym res du glucose se pr sentent sous la forme de gros granules cytoplasmiques sph riques (particules) qui contiennent galement la plupart des enzymes n cessaires la synth se et la d gradation du glycog ne. C. Fluctuation des r serves de glycog ne Les r serves de glycog ne h patique augmentent pendant l' tat bien nourri (voir p. 323) et s' puisent pendant le je ne (voir p. 329). Le glycog ne musculaire n'est pas affect par de courtes p riodes de je ne (quelques jours) et n'est que mod r ment diminu lors d'un je ne prolong (semaines). Le glycog ne musculaire est synth tis pour reconstituer les r serves musculaires apr s qu'elles aient t puis es la suite d'un exercice intense. [Remarque : La synth se et la d gradation du glycog ne se poursuivent en continu. La diff rence entre les taux de ces deux processus d termine les niveaux de glycog ne stock pendant des tats physiologiques sp cifiques.] III. SYNTH SE (GLYCOGEN
Biochimie_Lippincott	SE) Le glycog ne est synth tis partir de mol cules de -D-glucose. Le processus se d roule dans le cytosol et n cessite de l' nergie fournie par l'ATP (pour la phosphorylation du glucose) et l'uridine triphosphate (UTP). La synth se du glucose du diphosphate d'uridine -D-glucose attach e au diphosphate d'uridine (UDP) est la source de tous les r sidus de glucosyle qui sont ajout s la mol cule de glycog ne en croissance. L'UDP-glucose (Fig. 11.4) est synth tis partir du glucose 1-phosphate et de l'UTP par l'UDP-glucose pyrophosphorylase (Fig. 11.5). Le pyrophosphate (PPi), le deuxi me produit de la r action, est hydrolys en deux phosphates inorganiques (Pi) par la pyrophosphatase. L'hydrolyse est exergonique, ce qui garantit que la r action UDP-glucose pyrophosphorylase se d roule dans le sens de la production UDP-glucose. [Remarque : Le glucose 1-phosphate est g n r partir du glucose 6-phosphate par la phosphoglucomutase. Le glucose-1,6-bisphosphate est un interm diaire obligatoire dans cette r action r versible (Fig. 11.6).] B. Exigence et synth se de l'amorce La glycog ne synthase tablit les liaisons (1 4) dans le glycog ne. Cette enzyme ne peut pas initier la synth se en cha ne en utilisant le glucose libre comme accepteur d'une mol cule de glucose partir de l'UDP-glucose. Au lieu de cela, il ne peut qu'allonger les cha nes de glucose d j existantes et, par cons quent, n cessite une amorce. Un fragment de glycog ne peut servir d'amorce. En l'absence d'un fragment, la prot ine homodim rique glycog nine peut servir d'accepteur du glucose partir du glucose UDP-glucose (voir Fig. 11.5). Le groupe hydroxyle cha ne lat rale de la tyrosine-194 dans la prot ine est le site o l'unit glucosyle initiale est attach e. Parce que la r action est catalys e par la glycog nine elle-m me via l'autoglucosylation, la glycog nine est une enzyme. La glycog nine catalyse ensuite le transfert d'au moins quatre mol cules de glucose partir du glucose UDP, produisant une courte cha ne glucosyle li e la (1 4). Cette cha ne courte sert d'amorce qui peut tre allong e par la glycog ne synthase, qui est recrut e par la glycog nine, comme d crit au point C ci-dessous. [Remarque : La glycog nine reste associ e et forme le noyau d'un granule de glycog ne.] C. Allongement par la glycog ne synthase L'allongement d'une cha ne glycog ne implique le transfert du glucose de l'UDP-glucose l'extr mit non r ductrice de la cha ne en croissance, formant une nouvelle liaison glycosidique entre le groupe hydroxyle anom rique du carbone 1 du glucose actif et le carbone 4 du r sidu glucosyle acceptant (voir Fig. 11.5). [Remarque : L'extr mit non r ductrice d'une cha ne glucidique est une extr mit dans laquelle le carbone anom rique du sucre terminal est li par une liaison glycosidique une autre mol cule, ce qui rend le sucre terminal non r ducteur (voir p. 84).] L'enzyme responsable de la cr ation des liaisons (1 4) dans le glycog ne est la glycog ne synthase. [Remarque : L'UDP lib r e lorsque la nouvelle liaison glycosidique (1 4) est tablie peut tre phosphoryl e en UTP par la nucl oside diphosphate kinase (UDP + ATP UTP + ADP ; voir p. 296).] D. Formation des branches Si aucune autre enzyme synth tique n'agissait sur la cha ne, la structure r sultante serait une cha ne lin aire (non ramifi e) de r sidus glucosyles attach s par des liaisons (1 4). Un tel compos se trouve dans les tissus v g taux et s'appelle amylose. En revanche, le glycog ne a des branches situ es en moyenne huit r sidus de glucosyle de distance, ce qui donne une structure arborescente tr s ramifi e (voir Fig. 11.3) qui est beaucoup plus soluble que l'amylose non ramifi e. La ramification augmente galement le nombre d'extr mit s non r ductrices auxquelles de nouveaux r sidus de glucosyle peuvent tre ajout s (et aussi, comme d crit dans la section IV. ci-dessous, partir desquelles ces r sidus peuvent tre limin s), acc l rant ainsi consid rablement la vitesse laquelle la synth se du glycog ne peut se produire et augmentant consid rablement la taille de la mol cule de glycog ne. 1. Synth se des branches : Les ramifications sont form es par l'action de l'enzyme de ramification, l'amylo- (1 4) (1 6)-transglycosylase. Cette enzyme limine un ensemble de six huit r sidus de glucosyle de l'extr mit non r ductrice de la cha ne de glycog ne, brisant une liaison (1 4) avec un autre r sidu de la cha ne, et le relie un r sidu de glucosyle non terminal par une liaison (1 6), fonctionnant ainsi comme une transf rase 4:6. La nouvelle extr mit non r ductrice qui en r sulte (voir i sur la Fig. 11.5), ainsi que l'ancienne extr mit non r ductrice partir de laquelle les six huit r sidus ont t limin s (voir o sur la Fig. 11.5), peuvent maintenant tre encore allong es par la glycog ne synthase. 2. Synth se de branches suppl mentaires : Une fois l'allongement de ces deux extr mit s r alis , leurs six huit r sidus
Biochimie_Lippincott	de glucosyle terminaux peuvent tre limin s et utilis s pour cr er des branches suppl mentaires. IV. D GRADATION (GLYCOG NOLYSE) La voie de d gradation qui mobilise le glycog ne stock dans le foie et les muscles squelettiques n'est pas une inversion des r actions synth tiques. Au lieu de cela, un ensemble s par d'enzymes cytosoliques est n cessaire. Lorsque le glycog ne est d grad , le produit primaire est le glucose 1-phosphate, obtenu en brisant les liaisons glycosidiques (1 4). De plus, du glucose libre est lib r de chaque r sidu glucosyle li l' (1 6) (point de branche). A. Raccourcissement de la cha ne La glycog ne phosphorylase clive s quentiellement les liaisons glycosidiques (1 4) entre les r sidus glucosyliques aux extr mit s non r ductrices des cha nes glycog nes par phosphorolyse simple (produisant du glucose 1-phosphate) jusqu' ce qu'il reste quatre unit s glucosyles sur chaque cha ne un point de ramification (Fig. 11.7). La structure r sultante est appel e dextrine limite, et la phosphorylase ne peut plus la d grader (Fig. 11.8). [Remarque : La phosphorylase n cessite du phosphate de pyridoxal (un d riv de la vitamine B6 ; voir p. 382) en tant que coenzyme.] B. Enl vement de branches Les branches sont limin es par les deux activit s enzymatiques d'une seule prot ine bifonctionnelle, l'enzyme d branchante (voir Fig. 11.8). Tout d'abord, l'activit de l'oligo (1 4) (1 4)-glucantransf rase limine les trois des quatre r sidus de glucosyle externes restants dans une branche. Il les transf re ensuite l'extr mit non r ductrice d'une autre cha ne, en l'allongeant en cons quence. Ainsi, une liaison (1 4) est rompue et une liaison (1 4) est form e, et l'enzyme fonctionne comme une transf rase 4:4. Ensuite, le r sidu de glucose restant attach dans une liaison (1 6) est limin hydrolytiquement par l'activit de l'amylo- (1 6)glucosidase, lib rant du glucose libre (non phosphoryl ). La cha ne glucosyle est nouveau disponible pour la d gradation par la glycog ne phosphorylase jusqu' ce que quatre unit s glucosyles dans la branche suivante soient atteintes. C. Isom risation du glucose 1-phosphate en glucose 6phosphateLe glucose 1-phosphate, produit par la glycog ne phosphorylase, est isom ris dans le cytosol en glucose 6- phosphate par la phosphoglucomutase (voir Fig. 11.6). Dans le foie, le glucose 6-phosphate est transport dans le r ticulum endoplasmique (RE) par le glucose 6-phosphate translocase. L , il est d phosphoryl en glucose par la glucose 6-phosphatase (la m me enzyme utilis e dans la derni re tape de la glucon ogen se ; voir p. 121). Le glucose est ensuite transport du RE au cytosol. Les h patocytes lib rent du glucose d riv du glycog ne dans le sang pour aider maintenir la glyc mie jusqu' ce que la voie glucon og nique produise activement du glucose. [Remarque : Le muscle manque de glucose 6-phosphatase. Par cons quent, le glucose 6-phosphate ne peut pas tre d phosphoryl et envoy dans le sang. Au lieu de cela, il entre dans la glycolyse, fournissant l' nergie n cessaire la contraction musculaire.] D. D gradation lysosomale Une petite quantit (1 3 %) de glycog ne est d grad e par l'enzyme lysosomale, l'acide (1 4)-glucosidase (maltase acide). Le but de cette voie autophagique est inconnu. Cependant, une carence en cette enzyme provoque une accumulation de glycog ne dans les vacuoles des lysosomes, entra nant la grave GSD de type II : la maladie de Pompe (voir Fig. 11.8). [Remarque : La maladie de Pompe est la seule maladie GSD qui est une maladie de surcharge lysosomale.] Les maladies de surcharge lysosomale sont des troubles g n tiques caract ris s par l'accumulation de quantit s anormales de glucides ou de lipides, principalement en raison de leur d gradation lysosomale diminu e r sultant d'une diminution de l'activit ou de la quantit d'hydrolases d'acide lysosomal. V. R GULATION DE LA GLYCOGEN SE ET DE LA GLYCOG NOLYSE En raison de l'importance du maintien de la glyc mie, la synth se et la d gradation de sa forme de stockage du glycog ne sont troitement r glement es. Dans le foie, la glycogen se s'acc l re pendant les p riodes o le corps a t bien nourri, tandis que la glycog nolyse s'acc l re pendant les p riodes de je ne. Dans le muscle squelettique, la glycog nolyse se produit pendant l'exercice actif et la glycogen se commence d s que le muscle est nouveau au repos. La r gulation de la synth se et de la d gradation s'accomplit deux niveaux. Tout d'abord, la glycog ne synthase et la glycog ne phosphorylase sont r gul es hormonalement (par phosphorylation/d phosphorylation covalente) pour r pondre aux besoins de l'organisme dans son ensemble. Deuxi mement, ces m mes enzymes sont r gul es allost riquement (par des mol cules effectrices) pour r pondre aux besoins d'un tissu particulier. A. Activation covalente de la glycog nolyse La liaison d'hormones, telles que le glucagon ou l' pin phrine, aux r cepteurs coupl s aux prot ines
Biochimie_Lippincott	G de la membrane plasmique (voir p. 94) signale la n cessit de d grader le glycog ne, soit pour augmenter la glyc mie, soit pour fournir de l' nergie pour l'exercice musculaire. 1. Activation de la prot ine kinase A : La liaison du glucagon ou de l' pin phrine leur RCPG h patocytaire sp cifique, ou de l' pin phrine un RCPG myocytaire sp cifique, entra ne l'activation de l'ad nylyl cyclase m di e par la prot ine G. Cette enzyme catalyse la synth se de l'ad nosine monophosphate cyclique (AMPc), qui active la prot ine kinase A (PKA) d pendante de l'AMPc. L'AMPc se lie aux deux sous-unit s r gulatrices de la PKA t tram re, lib rant deux sous-unit s catalytiques individuelles qui sont actives (Fig. 11.9 ; voir aussi p. 95). La PKA phosphoryle ensuite plusieurs enzymes du m tabolisme du glycog ne, affectant leur activit . [Remarque : lorsque l'AMPc est retir , le t tram re inactif se reforme.] la page suivante.) sous-unit catalytique. 2. Activation de la phosphorylase kinase : La phosphorylase kinase existe sous deux formes : une forme b inactive et une forme a active. La PKA active phosphoryle la forme b inactive de la phosphorylase kinase, produisant la forme a active (voir Fig. 11.9). 3. Activation de la glycog ne phosphorylase : La glycog ne phosphorylase existe galement sous une forme b d phosphoryl e et inactive et une forme a active et phosphoryl e. La phosphorylase kinase a est la seule enzyme qui phosphoryle la glycog ne phosphorylase b en sa forme active a , qui commence alors la glycog nolyse (voir Fig. 11.9). 4. Amplification du signal : La cascade de r actions d crite ci-dessus active la glycog nolyse. Le grand nombre d' tapes s quentielles sert amplifier l'effet du signal hormonal (c'est- -dire que quelques mol cules hormonales se liant leur RCPG entra nent l'activation d'un certain nombre de mol cules PKA qui peuvent chacune activer de nombreuses mol cules de phosphorylase kinase). Cela provoque la production de nombreuses glycog nes phosphorylases actives, des mol cules qui peuvent d grader le glycog ne. 5. Maintien de l' tat phosphoryl : Les groupes phosphate ajout s la phosphorylase kinase et la phosphorylase en r ponse l'AMPc sont maintenus parce que l'enzyme qui limine hydrolytiquement le phosphate, la prot ine phosphatase-1 (PP1), est inactiv e par des prot ines inhibitrices qui sont galement phosphoryl es et activ es en r ponse l'AMPc (voir Fig. 11.9). [Remarque : PP1 est activ e par une cascade de signaux initi e par l'insuline (voir Fig. 27.7 la p. 311). Parce que l'insuline active galement la phosphodiest rase qui d grade l'AMPc, elle s'oppose aux effets du glucagon et de l' pin phrine.] B. Inhibition covalente de la glycogen se L'enzyme r gul e dans la glycogen se, la glycog ne synthase, existe galement sous deux formes, la forme active a et la forme inactive b . Cependant, contrairement la phosphorylase kinase et la phosphorylase, la forme active de la glycog ne synthase est d phosphoryl e, tandis que la forme inactive est phosphoryl e plusieurs endroits de l'enzyme, le niveau d'inactivation tant proportionnel au degr de phosphorylation (Fig. 11.10). La phosphorylation est catalys e par plusieurs prot ines kinases diff rentes en r ponse l'AMPc (par exemple, PKA et phosphorylase kinase) ou d'autres m canismes de signalisation (voir C. ci-dessous). La glycog ne synthase b peut tre reconvertie en forme a par PP1. La figure 11.11 r sume la r gulation covalente du m tabolisme du glycog ne. = sous-unit r glementaire ; C = sous-unit catalytique ; ADP = ad nosine diphosphate. C. R gulation allost rique de la glycogen se et de la glycog nolyse En plus des signaux hormonaux, la glycog ne synthase et la glycog ne phosphorylase r pondent aux niveaux de m tabolites et aux besoins nerg tiques de la cellule. La glycogen se est stimul e lorsque les niveaux de glucose et d' nergie sont lev s, tandis que la glycog nolyse est augment e lorsque les niveaux de glucose et d' nergie sont faibles. Cette r gulation allost rique permet une r ponse rapide aux besoins d'une cellule et peut outrepasser les effets de la r gulation covalente m diation hormonale. [Remarque : Les formes a et b des enzymes allost riques du m tabolisme du glycog ne sont chacune en quilibre entre les conformations R (d tendue, plus active) et T (tendue, moins active) (voir p. 28). La liaison des effecteurs d place l' quilibre et modifie l'activit enzymatique sans alt rer directement la modification covalente.] 1. R gulation l' tat bien nourri : l' tat bien nourri, la glycog ne synthase b dans le foie et les muscles est activ e allost riquement par le glucose 6phosphate, qui est pr sent des concentrations lev es (Fig. 11.12). En revanche, la glycog ne phosphorylase a est inhib e allost riquement par le glucose 6-phosphate, ainsi que par l'ATP, un signal de haute nergie. [Remarque : Dans le foie, mais pas dans les muscles, l
Biochimie_Lippincott	e glucose libre est galement un inhibiteur allost rique de la glycog ne phosphorylase a.] (A) et musculaire (B). P = phosphate ; AMP = ad nosine monophosphate. 2. Activation de la glycog nolyse par l'AMP : La glycog ne musculaire phosphorylase (myophosphorylase), mais pas l'isoenzyme h patique, est active en pr sence des concentrations lev es d'AMP qui se produisent dans des conditions extr mes d'anoxie et de d pl tion de l'ATP. L'AMP se lie la glycog ne phosphorylase b, provoquant son activation sans phosphorylation (voir Fig. 11.9). [Remarque : Rappelons que l'AMP active galement la phosphofructokinase-1 de la glycolyse (voir p. 99), permettant au glucose issu de la glycog nolyse d' tre oxyd .] 3. Activation de la glycog nolyse par le calcium : Le calcium (Ca2+) est lib r dans le sarcoplasme des cellules musculaires (myocytes) en r ponse la stimulation neurale et dans le foie en r ponse la liaison de l' pin phrine aux r cepteurs adr nergiques 1. Le Ca2+ se lie la calmoduline (CaM), le membre le plus largement distribu d'une famille de petites prot ines de liaison au Ca2+. La liaison de quatre mol cules de Ca2+ CaM d clenche un changement de conformation tel que le complexe Ca2+ CaM activ se lie et active des mol cules prot iques, souvent des enzymes, qui sont inactives en l'absence de ce complexe (Fig. 11.13). Ainsi, le CaM fonctionne comme une sous-unit essentielle de nombreuses prot ines complexes. L'une de ces prot ines est la phosphorylase kinase t tram rique, dont la forme b est activ e par la liaison de Ca2+ sa sous-unit (CaM) sans qu'il soit n cessaire que la kinase soit phosphoryl e par PKA. [Remarque : L' pin phrine au niveau des r cepteurs -adr nergiques signale une augmentation de l'AMPc, et non du Ca2+ (voir p. 131).] un. Activation de la phosphorylase kinase musculaire : Lors de la contraction musculaire, il existe un besoin rapide et urgent d'ATP. Il est fourni par la d gradation du glycog ne musculaire en glucose 6-phosphate, qui entre dans la glycolyse. L'influx nerveux provoque une d polarisation membranaire, ce qui favorise la lib ration de Ca2+ du r ticulum sarcoplasmique dans le sarcoplasme des myocytes. Le Ca2+ se lie la sous-unit CaM, et le complexe active la phosphorylase kinase b musculaire (voir Fig. 11.9). b. Activation de la phosphorylase kinase h patique : Lors d'un stress physiologique, l' pin phrine est lib r e par la m dullosurr nale et signale le besoin de glucose dans le sang. Ce glucose provient initialement de la glycog nolyse h patique. Liaison de l' pin phrine l'h patocyte 1-adr nergique Le RCPG active une cascade d pendante des phospholipides (voir p. 205) qui entra ne le mouvement du Ca2+ du RE vers le cytoplasme. Un complexe Ca2+ CaM forme et active la phosphorylase kinase h patique b. [Remarque : Le Ca2+ lib r aide galement activer la prot ine kinase C qui peut phosphoryler (donc inactiver) la glycog ne synthase a.] VI. MALADIES DE STOCKAGE DU GLYCOG NE Les GSD sont un groupe de maladies g n tiques caus es par des d fauts dans les enzymes n cessaires la d gradation du glycog ne ou, plus rarement, la synth se du glycog ne. Ils entra nent soit la formation de glycog ne ayant une structure anormale, soit l'accumulation de quantit s excessives de glycog ne normal dans des tissus sp cifiques en raison d'une d gradation alt r e. Une enzyme particuli re peut tre d fectueuse dans un seul tissu, comme le foie (entra nant une hypoglyc mie) ou le muscle (provoquant une faiblesse musculaire), ou le d faut peut tre plus g n ralis , affectant une vari t de tissus, tels que le c ur et les reins. La gravit varie de mortelle dans la petite enfance des troubles b nins qui ne mettent pas la vie en danger. Certaines des GSD les plus r pandues sont illustr es la figure 11.8. [Remarque : Seul le GSD II est lysosomal car le m tabolisme du glycog ne se produit principalement dans le cytosol.] VII. R SUM DU CHAPITRE Les principales r serves de glycog ne dans le corps se trouvent dans les muscles squelettiques, o elles servent de r serve de carburant pour la synth se de l'ATP lors de la contraction musculaire, et dans le foie, o elles sont utilis es pour maintenir la concentration de glucose dans le sang, en particulier pendant les premiers stades d'un je ne. Le glycog ne est un polym re hautement ramifi du -D-glucose. La liaison glycosidique primaire est une liaison (1 4). Apr s environ 8 14 r sidus de glucosyle, il y a une branche contenant une liaison (1 6). L'uridine diphosphate (UDP)-glucose, l' l ment constitutif du glycog ne, est synth tis partir du glucose 1-phosphate et de l'UTP par l'UDP-glucose pyrophosphorylase (Fig. 11.14). Le glucose de l'UDP-glucose est transf r aux extr mit s non r ductrices des cha nes de glycog ne par glycog ne synthase n cessitant une amorce, qui tablit les liaisons (1 4). L'appr t est fabriqu partir de glycog nine. Les ramifications sont form es par l'amylo- (1 4) (1 6)-trans
Biochimie_Lippincott	glycosylase (une transf rase 4:6), qui transf re un ensemble de six huit r sidus glucosyles de l'extr mit non r ductrice de la cha ne glycog ne (brisant une liaison (1 4)) et tablissant une liaison (1 6) un autre r sidu de la cha ne. La phosphorylase glycog ne n cessitant du phosphate pyridoxal clive les liaisons (1 4) entre les r sidus de glucosyle aux extr mit s non r ductrices des cha nes de glycog ne, produisant du glucose 1-phosphate. Cette d gradation s quentielle se poursuit jusqu' ce qu'il reste quatre unit s glucosyles avant un point de branche. La structure r sultante est appel e dextrine limite qui est d grad e par l'enzyme de d branchement bifonctionnelle. L'activit oligo- (1 4) (1 4)-glucantransf rase (une transf rase 4:4) limine les trois des quatre r sidus de glucosyle externes au niveau d'une branche et les transf re l'extr mit non r ductrice d'une autre cha ne, o ils peuvent tre lib r s sous forme de glucose 1-phosphate par la glycog ne phosphorylase. Le r sidu de glucose unique restant attach dans une liaison (1 6) est limin hydrolytiquement par l'activit glucosidase de l'enzyme d branchante de l'amylo- (1 6), lib rant du glucose libre. Le glucose 1-phosphate est converti en glucose 6-phosphate par la phosphoglucomutase. Dans le muscle, le glucose 6phosphate entre dans la glycolyse. Dans le foie, le phosphate est limin par la glucose 6-phosphatase (une enzyme de la membrane r ticulaire endoplasmique), lib rant du glucose libre qui peut tre utilis pour maintenir la glyc mie au d but d'un je ne. Une carence en phosphatase provoque une maladie de stockage du glycog ne Ia (maladie de von Gierke) et entra ne une incapacit du foie fournir du glucose libre l'organisme pendant un je ne. Il affecte la fois la d gradation du glycog ne et la glucon ogen se. La synth se et la d gradation du glycog ne sont r gul es r ciproquement pour r pondre aux besoins de l'ensemble du corps par les m mes signaux hormonaux ( savoir, un taux lev d'insuline entra ne une augmentation globale de la glycogen se et une diminution de la glycog nolyse, tandis qu'un taux lev de glucagon, ou d' pin phrine, provoque les effets inverses). Les enzymes cl s sont phosphoryl es par une famille de prot ines kinases, dont certaines d pendent de l'ad nosine monophosphate cyclique (AMPc), un compos augment par le glucagon et l' pin phrine. Les groupes phosphate sont limin s par la prot ine phosphatase-1 (active lorsque son inhibiteur est inactif en r ponse des niveaux lev s d'insuline). En plus de cette r gulation covalente, la glycog ne synthase, la phosphorylase kinase et la phosphorylase sont r gul es allost riquement pour r pondre aux besoins des tissus. Dans l' tat bien nourri, la glycog ne synthase est activ e par le glucose 6-phosphate, mais la glycog ne phosphorylase est inhib e par le glucose 6-phosphate ainsi que par l'ATP. Dans le foie, le glucose libre sert galement d'inhibiteur allost rique de la glycog ne phosphorylase. L'augmentation du calcium dans les muscles pendant l'exercice et dans le foie en r ponse l' pin phrine active la phosphorylase kinase en se liant la sous-unit de la calmoduline de l'enzyme. Cela permet l'enzyme d'activer la glycog ne phosphorylase, provoquant ainsi la d gradation du glycog ne. L'AMP active la glycog ne phosphorylase (myophosphorylase) dans le muscle. Choisissez UNE meilleure r ponse. Pour les questions 11.1 11.4, associez l'enzyme d ficiente au r sultat clinique dans certaines maladies de stockage du glycog ne (GSD). 1.1. Intol rance l'effort, sans augmentation du lactate sanguin pendant l'exercice Bonne r ponse = E. La carence en myophosphorylase (l'isoenzyme musculaire de la glycog ne phosphorylase) (ou maladie de McArdle) emp che la d gradation du glycog ne dans le muscle, privant le muscle de glucose d riv du glycog ne, ce qui entra ne une diminution de la glycolyse et de son produit ana robie, le lactate. Bonne r ponse = D. 4:6 Le d ficit en transf rase (enzyme ramifi e) (ou maladie d'Andersen), un d faut dans la synth se du glycog ne, se traduit par un glycog ne avec moins de branches et une solubilit r duite. Bonne r ponse = B. La carence en maltase acide [acide (1 4)-glucosidase] (ou maladie de Pompe) emp che la d gradation de tout glycog ne introduit dans les lysosomes. Une vari t de tissus sont touch s, la pathologie la plus grave r sultant de l sions cardiaques. R ponse correcte = A. Le d ficit en glucose 6-phosphatase (ou maladie de von Gierke) emp che le foie de lib rer du glucose libre dans le sang, provoquant une hypoglyc mie jeun s v re, une acid mie lactique, une hyperuric mie, et l'hyperlipid mie. 1.2. Cirrhose mortelle et progressive et glycog ne avec des cha nes externes plus longues que la normale 1.3. Accumulation g n ralis e de glycog ne, hypotonie s v re et d c s par insuffisance cardiaque 1,4. Hypoglyc mie s v re jeun, acid mie lactique, hyperuric mie et hyperlipid mie 1,5. L' pin phrine et le
Biochimie_Lippincott	glucagon ont lequel des effets suivants sur le m tabolisme du glycog ne h patique ? Un. La glycog ne phosphorylase et la glycog ne synthase sont activ es par phosphorylation, mais des taux significativement diff rents. La glycog ne phosphorylase est inactiv e par l'augmentation du calcium qui en r sulte, tandis que la glycog ne synthase est activ e. C. La glycog ne phosphorylase est phosphoryl e et active, tandis que la glycog ne synthase est phosphoryl e et inactive. D. La synth se nette de glycog ne est augment e. R ponse correcte = C. L' pin phrine et le glucagon provoquent tous deux une d gradation accrue du glycog ne et une diminution de la synth se dans le foie par modification covalente (phosphorylation) des enzymes cl s du m tabolisme du glycog ne. La glycog ne phosphorylase est phosphoryl e et active (forme a ), tandis que la glycog ne synthase est phosphoryl e et inactive (forme b ). Le glucagon ne provoque pas d'augmentation du calcium. 1.6. En contractant le muscle squelettique, une l vation soudaine de la concentration de calcium sarcoplasmique entra nera : A. activation de la prot ine kinase d pendante de l'ad nosine monophosphate cyclique (AMPc) A. B. conversion de l'AMPc en AMP par la phosphodiest rase.C. activation directe de la glycog ne synthase b.D. activation directe de la phosphorylase kinase b. E. Inactivation de la phosphorylase kinase a par l'action de la prot ine phosphatase-1. R ponse correcte = D. Le calcium (Ca2+) lib r par le r ticulum sarcoplasmique pendant l'exercice se lie la sous-unit calmoduline de la phosphorylase kinase, activant ainsi allost riquement la forme b d phosphoryl e de cette enzyme. Les autres choix ne sont pas caus s par une l vation du cytosolique Ca2+. [Remarque : Ca2+ active galement la phosphorylase kinase h patique b.] 1.7. Expliquer pourquoi l'hypoglyc mie observ e avec la glycog nose de type Ia (d ficit en glucose 6-phosphatase) est s v re, alors que celle observ e avec le type VI (d ficit en phosphorylase h patique) est b nigne. Avec le type Ia, le foie est incapable de g n rer du glucose libre partir de la glycog nolyse ou de la glucon ogen se, car les deux processus produisent du glucose 6phosphate. Avec le type VI, le foie est toujours capable de produire du glucose libre partir de la glucon ogen se, mais la glycog nolyse est inhib e. Pour obtenir d'autres documents auxiliaires li s ce chapitre, veuillez consulter le site Point.I. VUE D'ENSEMBLELe glucose est le monosaccharide le plus consomm par l'homme, et son m tabolisme a d j t Discut . Deux autres monosaccharides, le fructose et le galactose, sont galement pr sents en quantit s importantes dans l'alimentation (principalement dans les disaccharides) et contribuent de mani re importante au m tabolisme nerg tique. De plus, le galactose est un composant important des prot ines glycosyl es. La figure 12.1 montre le m tabolisme du fructose et du galactose dans le cadre des voies essentielles du m tabolisme nerg tique. II. M TABOLISME DU FRUCTOSE Environ 10% des calories de l'alimentation occidentale sont fournies par le fructose (~55 g / jour). La principale source de fructose est le disaccharide saccharose, qui, lorsqu'il est cliv dans l'intestin, lib re des quantit s quimolaires de fructose et de glucose. Le fructose se trouve galement sous forme de monosaccharide libre dans de nombreux fruits, dans le miel et dans le sirop de ma s haute teneur en fructose (g n ralement, 55 % de fructose et 45 % de glucose), qui est utilis pour sucrer les boissons gazeuses et de nombreux aliments (voir p. 364). Le transport du fructose dans les cellules n'est pas insulinod pendant (contrairement celui du glucose dans certains tissus ; voir p. 97), et, contrairement au glucose, le fructose ne favorise pas la s cr tion d'insuline. A. Phosphorylation Pour que le fructose entre dans les voies du m tabolisme interm diaire, il doit d'abord tre phosphoryl (Fig. 12.2). Cela peut tre accompli par l'hexokinase ou la fructokinase. L'hexokinase phosphoryle le glucose dans la plupart des cellules du corps (voir p. 98), et plusieurs hexoses suppl mentaires peuvent servir de substrats pour cette enzyme. Cependant, il a une faible affinit (c'est- -dire une constante de Michaelis lev e [Km] ; voir p. 59) pour le fructose. Par cons quent, moins que la concentration intracellulaire de fructose ne devienne inhabituellement lev e, la pr sence normale de concentrations saturantes de glucose signifie que peu de fructose est phosphoryl par l'hexokinase. La fructokinase fournit le principal m canisme de phosphorylation du fructose (voir Fig. 12.2). L'enzyme a un faible Km pour le fructose et un Vmax lev ([vitesse maximale] voir p. 57). Il se trouve dans le foie (qui traite la majeure partie du fructose alimentaire), les reins et l'intestin gr le et convertit le fructose en fructose 1-phosphate, en utilisant l'ATP comme donneur de phosphate. [Remarque : Ces trois tissus c
Biochimie_Lippincott	ontiennent galement de l'aldolase B, dont il est question dans la section B.] B. Clivage du fructose 1-phosphate Le fructose-1-phosphate n'est pas phosphoryl en fructose-1,6-bisphosphate comme l'est le fructose-6-phosphate (voir p. 99), mais il est cliv par l'aldolase B ( galement appel e fructose-1-phosphate aldolase) en deux trioses, le phosphate de dihydroxyac tone (DHAP) et le glyc rald hyde. [Remarque : Les humains expriment trois isoenzymes de l'aldolase (les produits de trois g nes diff rents) : l'aldolase A dans la plupart des tissus, l'aldolase B dans le foie, les reins et l'intestin gr le, et l'aldolase C dans le cerveau. Tous clivent le fructose-1,6-bisphosphate produit lors de la glycolyse en DHAP et en glyc rald hyde 3-phosphate (voir p. 101), mais seule l'aldolase B clive le fructose-1-phosphate.] La DHAP peut tre utilis e dans la glycolyse ou la glucon ogen se, tandis que le glyc rald hyde peut tre m tabolis par un certain nombre de voies, comme illustr la figure 12.3. Cin tique Le taux de m tabolisme du fructose est plus rapide que celui du glucose parce que la production de triose partir du fructose 1-phosphate contourne la phosphofructokinase-1, la principale tape limitant le taux de glycolyse (voir p. 99). D. Troubles Une d ficience de l'une des enzymes cl s n cessaires l'entr e du fructose dans les voies m taboliques peut entra ner soit une affection b nigne la suite d'une carence en fructokinase (fructosurie essentielle), soit une perturbation s v re du m tabolisme h patique et r nal la suite d'une carence en aldolase B (intol rance h r ditaire au fructose [HFI]), qui survient chez ~1:20 000 naissances vivantes (voir Fig. 12.3). Les premiers sympt mes de l'HFI apparaissent lorsqu'un b b est sevr du lait contenant du lactose et commence ing rer des aliments contenant du saccharose ou fructose. Le fructose 1-phosphate s'accumule, ce qui entra ne une baisse du niveau de phosphate inorganique (Pi) et, par cons quent, de la production d'ATP. Lorsque l'ATP diminue, l'ad nosine monophosphate (AMP) augmente. L'AMP est d grad e, provoquant une hyperuric mie (et une acid mie lactique ; voir p. 299). La diminution de la disponibilit de l'ATP h patique diminue la glucon ogen se (provoquant une hypoglyc mie avec vomissements) et la synth se des prot ines (provoquant une diminution des facteurs de coagulation sanguine et d'autres prot ines essentielles). La r absorption r nale de Pi est galement diminu e. [Note : La baisse de Pi inhibe galement la glycog nolyse (voir p. 128).] Le diagnostic de l'HFI peut tre pos sur la base du fructose dans l'urine, du dosage enzymatique utilisant des cellules h patiques ou d'un test bas sur l'ADN (voir chapitre 34). Avec l'HFI, le saccharose, ainsi que le fructose, doivent tre limin s de l'alimentation pour pr venir l'insuffisance h patique et la mort possible. [Remarque : Les personnes atteintes d'HFI manifestent une aversion pour les sucreries et, par cons quent, ont une absence de caries dentaires.] E. Conversion du mannose en fructose 6-phosphate Le mannose, l' pim re C-2 du glucose (voir p. 84), est un composant important des glycoprot ines (voir p. 166). L'hexokinase phosphoryle le mannose, produisant du mannose 6-phosphate, qui, son tour, est isom ris de mani re r versible en fructose 6-phosphate par la phosphomannose isom rase. [Remarque : La plupart des mannose intracellulaires sont synth tis s partir du fructose ou sont des mannose pr existants produits par la d gradation des glycoprot ines et r cup r s par l'hexokinase. Les glucides alimentaires contiennent peu de mannose.] F. Conversion du glucose en fructose via le sorbitol La plupart des sucres sont rapidement phosphoryl s apr s leur entr e dans les cellules. Par cons quent, ils sont pi g s l'int rieur des cellules, car les phosphates organiques ne peuvent pas traverser librement les membranes sans transporteurs sp cifiques. Un autre m canisme de m tabolisation d'un monosaccharide consiste le convertir en polyol (alcool de sucre) par la r duction d'un groupe ald hyde, produisant ainsi un groupe hydroxyle suppl mentaire. 1. Synth se du sorbitol : L'aldose r ductase r duit le glucose, produisant du sorbitol (ou, glucitol ; Fig. 12.4), mais le Km est lev . Cette enzyme se trouve dans de nombreux tissus, notamment la r tine, le cristallin, les reins, les nerfs p riph riques, les ovaires et les v sicules s minales. Une deuxi me enzyme, la sorbitol d shydrog nase, peut oxyder le sorbitol en fructose dans les cellules du foie, des ovaires et des v sicules s minales (voir Fig. 12.4). La double voie de r action du glucose au fructose dans les v sicules s minales profite aux spermatozo des, qui utilisent le fructose comme principale source d' nergie glucidique. La voie du sorbitol au fructose dans le foie fournit un m canisme par lequel tout sorbitol disponible est converti en un substrat qui peut entrer dans la glycolyse. 2. Hyperglyc mie et m tabolisme du so
Biochimie_Lippincott	rbitol : tant donn que l'insuline n'est pas n cessaire l'entr e du glucose dans les cellules de la r tine, du cristallin, des reins et des nerfs p riph riques, de grandes quantit s de glucose peuvent p n trer dans ces cellules pendant les p riodes d'hyperglyc mie (par exemple, dans le diab te non contr l ). Des concentrations lev es de glucose intracellulaire et un apport ad quat en nicotinamide ad nine dinucl otide phosphate (NADPH) r duit font que l'aldose r ductase produit une augmentation significative de la quantit de sorbitol, qui ne peut pas passer efficacement travers les membranes cellulaires et, par cons quent, reste pi g l'int rieur de la cellule (voir Fig. 12.4). Cette situation est exacerb e lorsque la sorbitol d shydrog nase est faible ou absente (par exemple, dans les cellules de la r tine, du cristallin, des reins et des nerfs p riph riques). En cons quence, le sorbitol s'accumule dans ces cellules, provoquant de forts effets osmotiques et un gonflement cellulaire d l'afflux et la r tention d'eau. Certaines des alt rations pathologiques associ es au diab te peuvent tre en partie attribu es ce stress osmotique, notamment la formation de cataracte, la neuropathie p riph rique et les probl mes microvasculaires conduisant la n phropathie et la r tinopathie (voir p. 345). [Remarque : L'utilisation du NADPH dans la r action d'aldose r ductase diminue la production de glutathion r duit, un antioxydant important (voir p. 148), et peut tre li e des complications diab tiques.] III. M TABOLISME DU GALACTOSE La principale source alimentaire de galactose est le lactose (galactosyle -1,4-glucose) obtenu partir du lait et des produits laitiers. [Remarque : La digestion du lactose par la galactosidase (lactase) de la cellule de la muqueuse intestinale membranaire a t discut p. 87.] Une partie du galactose peut galement tre obtenue par d gradation lysosomale des glycoprot ines et des glycolipides. Comme le fructose (et le mannose), le transport du galactose dans les cellules n'est pas insulino-d pendant. A. Phosphorylation Comme le fructose, le galactose doit tre phosphoryl avant de pouvoir tre m tabolis davantage. La plupart des tissus ont une enzyme sp cifique cet effet, la galactokinase, qui produit le galactose-1-phosphate (Fig. 12.5). Comme pour les autres kinases, l'ATP est le donneur de phosphate. B. Formation de l'uridine diphosphate-galactose Le galactose-1-phosphate ne peut pas p n trer dans la voie glycolytique moins d' tre d'abord converti en diphosphate d'uridine (UDP)-galactose (Fig. 12.6). Cela se produit dans une r action d' change, dans laquelle l'UDP-glucose r agit avec le galactose-1phosphate, produisant de l'UDP-galactose et du glucose 1-phosphate (voir Fig. 12.5). La r action est catalys e par la galactose-1-phosphate uridylyltransf rase (GALT). [Remarque : Le produit du glucose 1-phosphate peut tre isom ris en glucose 6-phosphate, qui peut entrer dans la glycolyse ou tre d phosphoryl .] C. Conversion de l'UDP-galactose en UDP-glucose Pour que l'UDP-galactose entre dans le m tabolisme du glucose, il doit d'abord tre isom ris son pim re C-4, l'UDP-glucose, par l'UDP-hexose 4 pim rase. Ce nouveau glucose UDP (produit partir de l'UDPgalactose original) peut participer aux r actions de biosynth se (par exemple, la glycogen se) ainsi qu' la r action GALT. [Remarque : Voir la Fig. 12.5 pour un r sum des interconversions.] D. UDP-galactose dans les r actions de biosynth se L'UDP-galactose peut servir de donneur d'unit s de galactose dans un certain nombre de voies de synth se, y compris la synth se du lactose (voir IV. ci-dessous), des glycoprot ines (voir p. 166), des glycolipides (voir p. 210) et des glycosaminoglycanes (voir p. 158). [Remarque : Si le galactose n'est pas fourni par l'alimentation (par exemple, lorsqu'il ne peut pas tre lib r du lactose en raison d'un manque de -galactosidase chez les personnes intol rantes au lactose), tous les besoins tissulaires en UDP-galactose peuvent tre satisfaits par l'action de l'UDP-hexose 4- pim rase sur l'UDP-glucose, qui est efficacement produit partir du glucose 1-phosphate et de l'uridine triphosphate (voir Fig. 12.5).] E. Troubles GALT est s v rement d ficient chez les individus atteints de galactos mie classique (voir Fig. 12.5). Dans ce trouble, le galactose 1-phosphate et, par cons quent, le galactose s'accumulent. Les cons quences physiologiques sont similaires celles observ es dans l'HFI (voir p. 138), mais un spectre plus large de tissus est touch . Le galactose accumul est d riv vers des voies secondaires telles que celle de la production de galactitol. Cette r action est catalys e par l'aldose r ductase, la m me enzyme qui r duit le glucose en sorbitol (voir p. 139). Le d ficit en GALT fait partie du panel de d pistage n onatal. Le traitement de la galactos mie n cessite l' limination du galactose et du lactose de l'alimentation. [Remarque : Les d ficits
Biochimie_Lippincott	en galactokinase et en pim rase entra nent des troubles moins graves du m tabolisme du galactose, bien que les cataractes soient fr quentes (voir Fig. 12.5).] IV. SYNTH SE DU LACTOSE Le lactose est un disaccharide constitu d'une mol cule de -galactose attach e par une liaison (1 4) au glucose. Par cons quent, le lactose est le galactosyle (1 4)-glucose. Parce que le lactose (sucre du lait) est fabriqu par les glandes mammaires allaitantes (productrices de lait), le lait et les autres produits laitiers sont les sources alimentaires de lactose. Le lactose est synth tis dans le Golgi par la lactose synthase (UDP-galactose :glucose galactosyltransf rase), qui transf re le galactose de l'UDP-galactose au glucose, lib rant ainsi l'UDP (Fig. 12.7). Cette enzyme est compos e de deux prot ines, A et B. La prot ine A est une -D-galactosyltransf rase et se trouve dans un certain nombre de tissus corporels. Dans les tissus autres que la glande mammaire allaitante, cette enzyme transf re le galactose de l'UDP-galactose la N-ac tyl-D-glucosamine, formant la m me liaison (1 4) que celle du lactose et produisant de la N-ac tyllactosamine, un composant des glycoprot ines li es la N structurellement importantes (voir p. 167). En revanche, la prot ine B ne se trouve que dans les glandes mammaires allaitantes. Il s'agit de l' lactalbumine, et sa synth se est stimul e par l'hormone peptidique prolactine. La prot ine B forme un complexe avec l'enzyme A, modifiant la sp cificit de cette transf rase (en diminuant le Km pour le glucose) de sorte que le lactose, plut t que La N-ac tyllactosamine est produite (voir Fig. 12.7). V. R SUM DU CHAPITRE La principale source de fructose est le disaccharide saccharose, qui, lorsqu'il est cliv , lib re des quantit s quimolaires de fructose et de glucose (Fig. 12.8). Le transport du fructose dans les cellules est ind pendant de l'insuline. Le fructose est d'abord phosphoryl en fructose 1-phosphate par la fructokinase, puis cliv par l'aldolase B en phosphate de dihydroxyac tone et en glyc rald hyde. Ces enzymes se trouvent dans le foie, les reins et l'intestin gr le. Une carence en fructokinase provoque une affection b nigne (fructosurie essentielle), tandis qu'une carence en aldolase B provoque une intol rance h r ditaire au fructose (HFI), dans laquelle une hypoglyc mie s v re et une insuffisance h patique entra nent la mort si le fructose (et le saccharose) n'est pas supprim de l'alimentation. Le mannose, un composant important des glycoprot ines, est phosphoryl par l'hexokinase en mannose 6phosphate, qui est isom ris de mani re r versible en fructose 6-phosphate par la phosphomannose isom rase. Le glucose peut tre r duit en sorbitol (glucitol) par l'aldose r ductase dans de nombreux tissus, y compris le cristallin, la r tine, les nerfs p riph riques, les reins, les ovaires et les v sicules s minales. Dans le foie, les ovaires et les v sicules s minales, une deuxi me enzyme, la sorbitol d shydrog nase, peut oxyder le sorbitol pour produire du fructose. L'hyperglyc mie entra ne l'accumulation de sorbitol dans les cellules d pourvues de sorbitol d shydrog nase. Les v nements osmotiques qui en r sultent provoquent un gonflement des cellules et peuvent contribuer la formation de cataracte, la neuropathie p riph rique, la n phropathie et la r tinopathie observ es dans le diab te. La principale source alimentaire de galactose est le lactose. Le transport du galactose dans les cellules est ind pendant de l'insuline. Le galactose est d'abord phosphoryl par la galactokinase (une carence entra ne la cataracte) en galactose 1phosphate. Ce compos est converti en diphosphate d'uridine (UDP)galactose par la galactose-1-phosphate uridylyltransf rase (GALT), le nucl otide tant fourni par l'UDP-glucose. Une carence en cette enzyme provoque une galactos mie classique. Le galactose 1-phosphate s'accumule et l'exc s de galactose est converti en galactitol par l'aldose r ductase. Cela provoque des l sions h patiques, c r brales et des cataractes. Le traitement n cessite l' limination du galactose (et du lactose) de l'alimentation. Pour que l'UDP-galactose entre dans le m tabolisme principal du glucose, il doit d'abord tre isom ris en UDP-glucose par l'UDP-hexose 4- pim rase. Cette enzyme peut galement tre utilis e pour produire de l'UDP-galactose partir de l'UDP-glucose lorsque le premier est n cessaire la synth se des glycoprot ines et des glycolipides. Le lactose est un disaccharide du galactose et du glucose. Le lait et les autres produits laitiers sont les sources alimentaires de lactose. Le lactose est synth tis par la lactose synthase partir de l'UDP-galactose et du glucose dans la glande mammaire allaitante. L'enzyme a deux sous-unit s, la prot ine A (qui est une galactosyltransf rase pr sente dans la plupart des cellules o elle synth tise la N-ac tyllactosamine) et la prot ine B ( -lactalbumine, que l'on trouve uniquement dans les glandes mammaires alla
Biochimie_Lippincott	itantes, et dont la synth se est stimul e par l'hormone peptidique prolactine). Lorsque les deux sous-unit s sont pr sentes, la transf rase produit du lactose. Choisissez UNE meilleure r ponse. 2.1. Une femme allaitante atteinte de galactos mie classique suit un r gime sans galactose. Elle est capable de produire du lactose dans le lait maternel parce que : A. le galactose peut tre produit partir du fructose par isom risation.B. le galactose peut tre produit partir d'un m tabolite du glucose par pim risation.C. l'hexokinase peut phosphoryler efficacement le galactose en galactose 1phosphate. D. l'enzyme affect e dans la galactos mie est activ e par une hormone produite dans la glande mammaire. R ponse correcte = B. L'uridine diphosphate (UDP)-glucose est converti en UDPgalactose par l'UDP-hexose 4- pim rase, fournissant ainsi la forme appropri e de galactose pour la synth se du lactose. L'isom risation du fructose en galactose ne se produit pas dans le corps humain. Le galactose n'est pas converti en galactose 1phosphate par l'hexokinase. Un r gime sans galactose ne fournit pas de galactose. La galactos mie est le r sultat d'un d ficit enzymatique (galactose 1-phosphate uridylyltransf rase). 2.2. Un gar on de 5 mois est amen chez son m decin cause de vomissements, de sueurs nocturnes et de tremblements. L'histoire a r v l que ces sympt mes ont commenc apr s l'introduction de jus de fruits dans son alimentation alors qu'il tait sevr du lait maternel. L'examen physique a t remarquable pour l'h patom galie. Les tests sur l'urine du b b taient positifs pour la r duction du sucre, mais n gatifs pour le glucose. Le nourrisson souffre tr s probablement d'une carence de : A. aldolase, B.B. fructokinase.C. galactokinase. D. -galactosidase. Bonne r ponse = A. Les sympt mes sugg rent une intol rance h r ditaire au fructose, une carence en aldolase B. Les carences en fructokinase ou en galactokinase se traduisent par des affections relativement b nignes caract ris es par des taux lev s de fructose ou de galactose dans le sang et l'urine. Une carence en -galactosidase (lactase) entra ne une diminution de la capacit d grader le lactose (sucre du lait). Le d ficit cong nital en lactase est assez rare et se serait manifest beaucoup plus t t chez ce b b (et avec des sympt mes diff rents). Le d ficit typique en lactase (hypolactasie chez l'adulte) se manifeste un ge plus avanc . 2.3. La synth se du lactose est essentielle dans la production de lait par les glandes mammaires. Dans la synth se du lactose : Le galactose du galactose-1-phosphate est transf r au glucose par la galactosyltransf rase (prot ine A), g n rant ainsi le lactose. B. la prot ine A est utilis e exclusivement dans la synth se du lactose.C. La -lactalbumine (prot ine B) r gule la sp cificit de la prot ine A en diminuant son affinit pour le glucose. D. L'expression de la prot ine B est stimul e par la prolactine. Bonne r ponse = D. L'expression de la -lactalbumine (prot ine B) est augment e par l'hormone prolactine. L'uridine diphosphate-galactose est la forme utilis e par la galactosyltransf rase (prot ine A). La prot ine A est galement impliqu e dans la synth se du sucre amin N-ac tyllactosamine. La prot ine B diminue la constante de Michaelis (Km) et, par cons quent, augmente l'affinit de la prot ine A pour le glucose. 2.4. Une fillette de 3 mois d veloppe des cataractes. part le fait de ne pas avoir un sourire social ou de ne pas tre capable de suivre visuellement les objets, tous les autres aspects de l'examen de la fille sont normaux. Les tests sur l'urine du b b sont positifs pour la r duction du sucre mais n gatifs pour le glucose. Quelle enzyme est la plus susceptible d' tre d ficiente chez cette fille ? A. Aldolase B B. FructokinaseC. GalactokinaseD. Galactose 1-phosphate uridylyltransf rase Bonne r ponse = C. La fille est d ficiente en galactokinase et est incapable de phosphoryler correctement le galactose. Le galactose s'accumule dans le sang (et l'urine). Dans le cristallin de l' il, le galactose est r duit par l'aldose r ductase en galactitol, un alcool de sucre, ce qui provoque des effets osmotiques qui entra nent la formation de cataracte. La carence en galactose-1-phosphate uridylyltransf rase entra ne galement des cataractes, mais se caract rise par des l sions h patiques et des effets neurologiques. La carence en fructokinase est une affection b nigne. Le d ficit en aldolase B est s v re, avec des effets sur plusieurs tissus. Les cataractes ne sont g n ralement pas observ es. Pour obtenir d'autres documents auxiliaires relatifs ce chapitre, veuillez consulter le site thePoint. I. APER U La voie du pentose phosphate (ou shunt de l'hexose monophosphate) se produit dans le cytosol. Il comprend une phase oxydative irr versible, suivie d'une s rie d'interconversions r versibles sucre-phosphate (Fig. 13.1). Dans la phase oxydative, le carbone 1 d'une mol cule de glucose 6-phosphate es
Biochimie_Lippincott	t lib r sous forme de dioxyde de carbone (CO2), et un sucre-phosphate de pentose et deux phosphates r duits de nicotinamide ad nine dinucl otide (NADPH) sont produits. La vitesse et la direction des r actions r versibles sont d termin es par l'offre et la demande d'interm diaires de la voie. La voie du pentose phosphate fournit une partie importante du NADPH du corps, qui fonctionne comme un r ducteur biochimique. Il produit galement du ribose-5-phosphate, n cessaire la biosynth se des nucl otides (voir p. 293), et fournit un m canisme pour la conversion des sucres pentoses en interm diaires trioses et hexoses de la glycolyse. Aucun ATP n'est directement consomm ou produit dans la voie. II. R ACTIONS OXYDATIVES IRR VERSIBLES La partie oxydative de la voie du pentose phosphate se compose de trois r actions irr versibles qui conduisent la formation de ribulose-5-phosphate, de CO2 et de deux mol cules de NADPH pour chaque mol cule de glucose 6-phosphate oxyd e (Fig. 13.2). Cette partie de la voie est particuli rement importante dans le foie, les glandes mammaires allaitantes et le tissu adipeux pour la biosynth se des acides gras d pendante du NADPH (voir p. 186) ; dans les testicules, les ovaires, le placenta et le cortex surr nalien pour la biosynth se des hormones st ro des d pendante du NADPH (voir p. 237) ; et dans les globules rouges (GR) pour la r duction du glutathion d pendante du NADPH (voir p. 148). A. D shydrog nation du glucose 6-phosphate La glucose 6-phosphate d shydrog nase (G6PD) catalyse l'oxydation du glucose 6-phosphate en 6-phosphogluconolactone lorsque la coenzyme NADP+ est r duite en NADPH. Cette r action initiale est l' tape engag e, limitant le d bit et r gul e de la trajectoire. Le NADPH est un puissant inhibiteur comp titif de la G6PD, et le rapport NADPH/NADP+ est suffisamment lev pour inhiber consid rablement l'enzyme dans la plupart des conditions m taboliques. Cependant, avec l'augmentation de la demande de NADPH, le rapport NADPH/NADP+ diminue, et le flux travers la voie augmente en r ponse l'activit accrue de G6PD. [Remarque : L'insuline r gule la hausse l'expression du g ne G6PD, et le flux par la voie augmente l' tat d'absorption (voir p. 323).] Formation de ribulose 5-phosphate La 6-phosphogluconolactone est hydrolys e par la 6-phosphogluconolactone hydrolase dans la deuxi me tape. La d carboxylation oxydative du produit, le 6-phosphogluconate, est catalys e par la 6-phosphogluconate d shydrog nase. Cette troisi me tape irr versible produit le ribulose 5- phosphate (un sucre pentose phosphate), CO2 ( partir du carbone 1 du glucose) et une deuxi me mol cule de NADPH (voir Fig. 13.2). III. R ACTIONS NON OXYDATIVES R VERSIBLES Les r actions non oxydatives de la voie du pentose phosphate se produisent dans tous les types de cellules synth tisant des nucl otides et des acides nucl iques. Ces r actions catalysent l'interconversion de sucres contenant trois sept atomes de carbone (voir Fig. 13.2). Ces r actions r versibles permettent au ribulose 5-phosphate (produit par la partie oxydative de la voie) d' tre converti soit en ribose-5-phosphate (n cessaire la synth se des nucl otides ; voir p. 293), soit en interm diaires de la glycolyse (c'est- -dire le fructose 6-phosphate et le glyc rald hyde 3-phosphate). Par exemple, de nombreuses cellules qui effectuent des r actions de biosynth se r ductrices ont un besoin plus important de NADPH que de ribose-5-phosphate. Dans ce cas, la transc tolase (qui transf re des unit s deux atomes de carbone dans une r action n cessitant du pyrophosphate de thiamine [TPP]) et la transaldolase (qui transf re des unit s trois atomes de carbone) convertissent le ribulose 5phosphate produit comme produit final de la phase oxydative en glyc rald hyde 3-phosphate et en fructose 6-phosphate, qui sont des interm diaires glycolytiques. En revanche, lorsque la demande de ribose pour les nucl otides et les acides nucl iques est sup rieure aux besoins en NADPH, les r actions non oxydatives peuvent fournir le ribose 5phosphate partir du glyc rald hyde 3-phosphate et du fructose 6-phosphate en l'absence des tapes oxydatives (Fig. 13.3). En plus de la transc tolase, la TPP est n cessaire aux complexes multienzymatiques pyruvate d shydrog nase (voir p. 110), -c toglutarate d shydrog nase du cycle de l'acide tricarboxylique (voir p. 112) et cha ne ramifi e -c to d shydrog nase du catabolisme des acides amin s cha ne ramifi e (voir p. 266). IV. UTILISATIONS DU NADPH La coenzyme NADPH ne diff re du nicotinamide ad nine dinucl otide (NADH) que par la pr sence d'un groupe phosphate sur l'une des unit s ribose (Fig. 13.4). Ce changement de structure apparemment mineur permet au NADPH d'interagir avec les enzymes sp cifiques du NADPH qui ont des r les uniques dans la cellule. Par exemple, dans le cytosol des h patocytes, le rapport NADP+/NADPH l' tat d' quilibre est de ~0,1, ce qui favorise l'utilisation du NADPH dans les
Biochimie_Lippincott	r actions biosynth tiques r ductrices. Cela contraste avec le rapport NAD+/NADH lev (~1 000), qui favorise un r le oxydatif pour le NAD+. Cette section r sume certaines fonctions sp cifiques importantes du NADPH dans les r actions de biosynth se r ductrice et de d toxification. A. Biosynth se r ductrice Comme le NADH, le NADPH peut tre consid r comme une mol cule de haute nergie. Cependant, les lectrons du NADPH sont utilis s pour la biosynth se r ductrice, plut t que pour le transfert vers la cha ne de transport d' lectrons comme on le voit avec le NADH (voir p. 74). Ainsi, dans les transformations m taboliques de la voie du pentose phosphate, une partie de l' nergie du glucose 6-phosphate est conserv e dans le NADPH, une mol cule potentiel de r duction n gatif (voir p. 76), qui peut donc tre utilis e dans des r actions n cessitant un donneur d' lectrons, telles que la synth se d'acides gras (voir p. 186), de cholest rol (voir p. 221) et d'hormones st ro des (voir p. 237). B. R duction du peroxyde d'hydrog ne Le peroxyde d'hydrog ne (H2O2) fait partie d'une famille d'esp ces r actives de l'oxyg ne (ROS) qui se forment partir de la r duction partielle de l'oxyg ne mol culaire ([O2], Fig. 13.5A). Ces compos s sont form s en continu en tant que sous-produits du m tabolisme a robie, par des r actions avec des m dicaments et des toxines environnementales, ou lorsque le niveau d'antioxydants est diminu , cr ant tous la condition de stress oxydatif. Ces interm diaires de l'oxyg ne hautement r actifs peuvent causer de graves dommages chimiques l'ADN, aux prot ines et aux lipides insatur s et peuvent entra ner la mort cellulaire. Les ROS ont t impliqu s dans un certain nombre de processus pathologiques, notamment les l sions de reperfusion, le cancer, les maladies inflammatoires et le vieillissement. La cellule dispose de plusieurs m canismes de protection qui minimisent le potentiel toxique de ces compos s. [Remarque : Les ROS peuvent galement tre g n r s lors de la destruction des microbes par les globules blancs (GBP ; voir D. ci-dessous).] B. Actions des enzymes antioxydantes. G-SH = glutathion r duit ; G-S-S-G = glutathion oxyd . [Remarque : Voir la Fig. 13.6B pour la r g n ration de G-SH.] 1. Enzymes qui catalysent les r actions antioxydantes La r duction du glutathion (GSH), un tripeptide-thiol ( -glutamylcyst inylglycine) pr sent dans la plupart des cellules, peut d toxifier chimiquement H2O2 (Fig. 13.5B). Cette r action, catalys e par la s l noprot ine (voir p. 407) glutathion peroxydase, forme le glutathion oxyd (G-S-S-G), qui n'a plus de propri t s protectrices. La cellule r g n re G-SH dans une r action catalys e par la glutathion r ductase, en utilisant le NADPH comme source d' quivalents r ducteurs. Ainsi, le NADPH fournit indirectement des lectrons pour la r duction de H2O2 (Fig. 13.6). D'autres enzymes, telles que la superoxyde dismutase et la catalase, catalysent la conversion d'autres ROS en produits inoffensifs (voir Fig. 13.5B). En tant que groupe, ces enzymes servent de syst me de d fense pour se pr munir contre les effets toxiques des ROS. glutathion. 2. Produits chimiques antioxydants Un certain nombre d'agents r ducteurs intracellulaires, tels que l'ascorbate (voir p. 381), la vitamine E (voir p. 395) et le -carot ne (voir p. 386), sont capables de r duire et, par cons quent, de d toxifier les ROS en laboratoire. La consommation d'aliments riches en ces compos s antioxydants a t corr l e un risque r duit de certains types de cancers ainsi qu' une diminution de la fr quence de certains autres probl mes de sant chroniques. Par cons quent, il est tentant de supposer que les effets de ces compos s sont, en partie, l'expression de leur capacit teindre l'effet toxique des ROS. Cependant, les essais cliniques avec des antioxydants comme compl ments alimentaires n'ont pas montr d'effets b n fiques clairs. Dans le cas de la suppl mentation alimentaire en -carot ne, le taux de cancer du poumon chez les fumeurs a augment plut t que diminu . Ainsi, les effets b n fiques pour la sant des fruits et l gumes di t tiques refl tent probablement une interaction complexe entre de nombreux compos s naturels, qui n'a pas t reproduite par la consommation de compos s antioxydants isol s. C. Syst me de cytochrome P450 monooxyg nase Les monooxyg nases (oxydases fonctions mixtes) incorporent un atome d'O2 dans un substrat (cr ant un groupe hydroxyle), l'autre atome tant r duit en eau (H2O). Dans le syst me monooxyg nase du cytochrome P450 (CYP), le NADPH fournit les quivalents r ducteurs requis par cette s rie de r actions (Fig. 13.7). Ce syst me remplit diff rentes fonctions deux endroits distincts dans les cellules. La r action globale catalys e par une enzyme CYP est celle o R peut tre un st ro de, un m dicament ou un autre produit chimique. [Remarque : Les enzymes CYP sont en fait une superfamille de monooxyg nases apparent es, contenant de l'h me, qui partic
Biochimie_Lippincott	ipent une grande vari t de r actions. Le P450 dans le nom refl te l'absorbance 450 nm par la prot ine.] 1. Syst me mitochondrial Une fonction importante du syst me CYP monooxyg nase associ la membrane mitochondriale interne est la biosynth se des hormones st ro des. Dans les tissus st ro dog nes, tels que le placenta, les ovaires, les testicules et le cortex surr nalien, il est utilis pour hydroxyler les interm diaires dans la conversion du cholest rol en hormones st ro des, un processus qui rend ces compos s hydrophobes plus solubles dans l'eau (voir p. 237). Le foie utilise ce m me syst me dans la synth se des acides biliaires (voir p. 10). 224) et l'hydroxylation du chol calcif rol en 25hydroxychol calcif rol ([vitamine D3] voir p. 390), et le rein l'utilise pour hydroxyler la vitamine D3 en sa forme biologiquement active 1,25-dihydroxyl e. 2. Syst me microsomal Le syst me microsomal CYP monooxyg nase associ la membrane du r ticulum endoplasmique lisse (en particulier dans le foie) fonctionne principalement dans la d toxification des compos s trangers (x nobiotiques). Il s'agit notamment de nombreux m dicaments et de polluants aussi vari s que les produits p troliers et les pesticides. Les enzymes CYP du syst me microsomal (par exemple, CYP3A4) peuvent tre utilis es pour hydroxyler ces toxines (phase I). L'objectif de ces modifications est double. D'une part, il peut lui-m me activer ou inactiver un m dicament et, d'autre part, rendre un compos toxique plus soluble, facilitant ainsi son excr tion dans l'urine ou les mati res f cales. Fr quemment, cependant, le nouveau groupe hydroxyle servira de site de conjugaison avec une mol cule polaire, telle que l'acide glucuronique (voir p. 161), ce qui augmentera consid rablement la solubilit du compos (phase II). [Remarque : Les polymorphismes (voir p. 491) dans les g nes des enzymes CYP peuvent entra ner des diff rences dans le m tabolisme des m dicaments.] D. Phagocytose des globules blancs et destruction des microbes La phagocytose est l'ingestion par endocytose m di e par le r cepteur de micro-organismes, de particules trang res et de d bris cellulaires par des globules blancs (leucocytes) tels que les neutrophiles et les macrophages (monocytes). C'est un m canisme de d fense important, en particulier dans les infections bact riennes. Les neutrophiles et les monocytes sont arm s de m canismes ind pendants et d pendants de l'oxyg ne pour tuer les bact ries. 1. Les m canismes ind pendants de l'oxyg ne utilisent les changements de pH dans les phagolysosomes et les enzymes lysosomales pour d truire les agents pathog nes. 2. Les m canismes d pendants de l'oxyg ne comprennent les enzymes NADPH oxydase et my loperoxydase (MPO) qui travaillent ensemble pour tuer les bact ries (Fig. 13.8). Dans l'ensemble, le syst me MPO est le plus puissant des m canismes bact ricides. Une bact rie envahissante est reconnue par le syst me immunitaire et attaqu e par des anticorps qui la lient un r cepteur sur une cellule phagocytaire. Apr s l'internalisation du micro-organisme, la NADPH oxydase, situ e dans la membrane cellulaire leucocytaire, a activ et r duit l'O2 des tissus environnants en superoxyde ( ), un ROS radicalaire radicalaire, lorsque le NADPH est oxyd . La consommation rapide d'O2 qui accompagne la formation de est appel e sursaut respiratoire. [Remarque : La NADPH oxydase active est un complexe associ la membrane contenant un flavocytochrome et des peptides suppl mentaires qui se d placent du cytoplasme lors de l'activation du leucocyte. Les lectrons se d placent du NADPH l'O2 via le nucl otide flavine ad nine (FAD) et l'h me, . Des d ficiences g n tiques rares en NADPH oxydase provoquent une granulomatose chronique (CGD) caract ris e par des infections graves et persistantes et la formation de granulomes (zones nodulaires d'inflammation) qui s questrent les bact ries qui n'ont pas t d truites.] Ensuite, il est converti en H2O2 ( galement un ROS), soit spontan ment, soit catalys par la superoxyde dismutase. En pr sence de MPO, une enzyme lysosomale contenant de l'h me pr sente dans le phagolysosome, les ions peroxyde et chlorure sont convertis en acide hypochloreux ([HOCl] le principal composant de l'eau de Javel domestique), ce qui tue les bact ries. Le peroxyde peut galement tre partiellement r duit en radical hydroxyle (OH ), un ROS, ou tre enti rement r duit en H2O par la catalase ou la glutathion peroxydase. [Remarque : Les carences en MPO ne conf rent pas une sensibilit accrue aux infections, car le peroxyde de NADPH oxydase est bact ricide.] G; NADP(H) = nicotinamide ad nine dinucl otide phosphate ; = superoxyde ; H2O2 = peroxyde d'hydrog ne ; HOCl = acide hypochloreux ; OH = radical hydroxyle. E. Synth se de l'oxyde nitrique L'oxyde nitrique (NO) est reconnu comme un m diateur dans un large ventail de syst mes biologiques. Le NO est le facteur relaxant d riv de l'endoth lium qui provoque la vasodilatation en re
Biochimie_Lippincott	laxant le muscle lisse vasculaire. Il agit galement comme un neurotransmetteur, emp che l'agr gation plaquettaire et joue un r le essentiel dans la fonction des macrophages. Il a une demi-vie tr s courte dans les tissus (3 10 secondes) car il r agit avec l'O2 et est converti en nitrates et nitrites, y compris le peroxynitrite (O=NOO ), une esp ce azot e r active (RNS). [Remarque : Le NO est un gaz radical libre qui est souvent confondu avec le protoxyde d'azote (N2O), le gaz hilarant utilis comme anesth sique et chimiquement stable.] 1. L'oxyde nitrique synthase L'arginine, l'O2 et le NADPH sont des substrats du NO cytosolique synthase ([NOS], Fig. 13.9). La flavine mononucl otide (FMN), la FAD, l'h me et la t trahydrobiopt rine (voir p. 268) sont des coenzymes, et le NO et la citrulline sont des produits de la r action. Trois isoenzymes NOS, chacune tant le produit d'un g ne diff rent, ont t identifi es. Deux sont des enzymes constitutives (synth tis es un rythme constant) d pendantes du calcium (Ca2+)-calmoduline (CaM) (voir p. 133). Ils se trouvent principalement dans l'endoth lium (eNOS) et le tissu neural (nNOS) et produisent constamment de tr s faibles niveaux de NO pour la vasodilatation et la neurotransmission. Une enzyme inductible, ind pendante du Ca2+ (iNOS), peut tre exprim e dans de nombreuses cellules, y compris les macrophages et les neutrophiles, comme d fense pr coce contre les agents pathog nes. Les inducteurs sp cifiques de l'iNOS varient selon le type de cellule et comprennent des cytokines pro-inflammatoires, telles que le facteur de n crose tumorale (TNF- ) et l'interf ron- (IFN- ), ainsi que des endotoxines bact riennes telles que le lipopolysaccharide (LPS). Ces compos s favorisent la synth se d'iNOS, ce qui peut entra ner la production de grandes quantit s de NO pendant des heures, voire des jours. 2. L'oxyde nitrique et l'endoth lium vasculaire NO sont un m diateur important dans le contr le du tonus musculaire lisse vasculaire. Le NO est synth tis par eNOS dans les cellules endoth liales et se diffuse dans les muscles lisses vasculaires, o il active la forme cytosolique de la guanylyl cyclase (ou guanylate cyclase) pour former de la guanosine monophosphate cyclique (GMPc). [Remarque : Cette r action est analogue la formation d'ad nosine monophosphate cyclique (AMPc) par l'ad nylyl cyclase (voir p. 95).] L'augmentation r sultante de la GMPc provoque l'activation de la prot ine kinase G, qui phosphoryle les canaux Ca2+, provoquant une diminution de l'entr e de Ca2+ dans les cellules musculaires lisses. Cela diminue l'activation Ca2+-CaM de la myosine kinase cha ne l g re, diminuant ainsi la contraction des muscles lisses et favorisant la relaxation. Les nitrates vasodilatateurs, tels que la nitroglyc rine, sont m tabolis s en NO, ce qui provoque une relaxation des muscles lisses vasculaires et, par cons quent, abaisse la pression art rielle. Ainsi, le NO peut tre envisag comme un nitrovasodilatateur endog ne. [Remarque : Dans des conditions hypoxiques, le nitrite (NO2 ) peut tre r duit en NO, qui se lie la d soxyh moglobine. Le NO est lib r dans le sang, provoquant une vasodilatation et une augmentation du flux sanguin.] 3. L'activit bact ricide de l'oxyde nitrique et des macrophages Dans les macrophages, l'activit de l'iNOS est normalement faible, mais la synth se de l'enzyme est consid rablement stimul e par le LPS bact rien et par la lib ration de l'IFN- r ponse l'infection. Les macrophages activ s forment des radicaux qui se combinent avec le NO pour former des interm diaires qui se d composent, produisant le radical OH hautement bact ricide. 4. Le NO est un puissant inhibiteur de l'adh sion et de l'agr gation plaquettaires (en activant la voie GMPc). Il est galement caract ris comme un neurotransmetteur dans les syst mes nerveux central et p riph rique. V. D FICIT EN G6PD Le d ficit en G6PD est une maladie h r ditaire caract ris e par une an mie h molytique caus e par l'incapacit d toxifier les agents oxydants. Le d ficit en G6PD est l'anomalie enzymatique productrice de maladies la plus courante chez l'homme, affectant > 400 millions de personnes dans le monde. Cette carence a la pr valence la plus lev e au Moyen-Orient, en Afrique tropicale et en Asie, ainsi que dans certaines parties de la M diterran e. Le d ficit en G6PD est li l'X et est, en fait, une famille de d ficiences caus es par un certain nombre de mutations diff rentes dans le g ne codant pour le G6PD. Seules certaines des variantes prot iques r sultantes provoquent des sympt mes cliniques. [Remarque : En plus de l'an mie h molytique, une manifestation clinique du d ficit en G6PD est l'ict re n onatal apparaissant 1 4 jours apr s la naissance. L'ict re, qui peut tre s v re, r sulte g n ralement d'une production accrue de bilirubine non conjugu e (voir p. 285).] La dur e de vie des personnes atteintes d'une forme s v re de d ficit en G6PD peut tre quelque peu
Biochimie_Lippincott	raccourcie en raison de complications r sultant de l'h molyse chronique. Cet effet n gatif de la d ficience en G6PD a t compens au cours de l' volution par un avantage en termes de survie, une r sistance accrue au paludisme Plasmodium falciparum. [Remarque : Le trait dr panocytaire et les thalass mies conf rent galement une r sistance au paludisme.] A. R le de G6PD dans les globules rouges La diminution de l'activit de G6PD alt re la capacit de la cellule former le NADPH qui est essentiel au maintien du pool de G-SH. Il en r sulte une diminution de la d toxification des radicaux libres et des peroxydes form s dans la cellule (Fig. 13.10). G-SH aide galement maintenir les tats r duits des groupes sulfhydryles dans les prot ines, y compris l'h moglobine. L'oxydation de ces groupes sulfhydryles conduit la formation de prot ines d natur es qui forment des masses insolubles (appel es corps de Heinz) qui se fixent aux membranes des globules rouges (Fig. 13.11). L'oxydation suppl mentaire des prot ines membranaires rend les globules rouges rigides (moins d formables), et ils sont limin s de la circulation par les macrophages de la rate et du foie. Bien que le d ficit en G6PD se produise dans toutes les cellules de l'individu affect , il est plus grave dans les globules rouges, o la voie du pentose phosphate fournit le seul moyen de g n rer du NADPH. De plus, le GR n'a pas de noyau ni de ribosomes et ne peut pas renouveler son approvisionnement en enzyme. Ainsi, les GR sont particuli rement vuln rables aux variantes enzymatiques dont la stabilit est diminu e. [Remarque : D'autres tissus ont une source alternative de NADPH (malate d shydrog nase d pendante du NADP+ [enzyme malique] ; voir p. 186) qui peut maintenir la G-SH r duite.] voie du phosphate de pentose. B. Facteurs d clenchants du d ficit en G6PD La plupart des individus qui ont h rit de l'une des mutations G6PD ne pr sentent pas de manifestations cliniques (c'est- -dire qu'ils sont asymptomatiques). Cependant, certains patients atteints d'un d ficit en G6PD d veloppent une an mie h molytique s'ils sont trait s avec un m dicament oxydant, ing rent des f ves ou contractent une infection grave. 1. Les m dicaments couramment utilis s qui produisent une an mie h molytique chez les patients atteints d'un d ficit en G6PD sont surtout connus de l'AAA mn monique : antibiotiques (par exemple, sulfam thoxazole et chloramph nicol), antipalud ens (par exemple, primaquine mais pas de chloroquine ou de quinine) et antipyr tiques (par exemple, ac tanilide mais pas ac taminoph ne). 2. Certaines formes de d ficit en G6PD, par exemple la variante m diterran enne, sont particuli rement sensibles l'effet h molytique de la f ve, un aliment de base dans la r gion m diterran enne. Le favisme, l'effet h molytique de l'ingestion de f ves, n'est pas observ chez toutes les personnes atteintes d'un d ficit en G6PD, mais tous les patients atteints de favisme ont un d ficit en G6PD. 3. Infection L'infection est le facteur pr cipitant le plus courant de l'h molyse dans le d ficit en G6PD. La r ponse inflammatoire l'infection entra ne la g n ration de radicaux libres dans les macrophages. Les radicaux peuvent se diffuser dans les globules rouges et causer des dommages oxydatifs. C. Propri t s de la variante G6PD Presque toutes les variantes de G6PD sont caus es par des mutations ponctuelles (voir p. 449) dans le g ne de G6PD. Certaines mutations n'affectent pas l'activit enzymatique. Cependant, d'autres mutations entra nent une diminution de l'activit catalytique, une diminution de la stabilit ou une alt ration de l'affinit de liaison pour le NADP+ ou le glucose 6-phosphate. [Remarque : Le G6PD actif existe en tant qu'homodim re ou t tram re. Les mutations l'interface entre les sous-unit s peuvent affecter la stabilit .] La gravit de la maladie est g n ralement corr l e la quantit d'activit enzymatique r siduelle dans les globules rouges du patient. Par exemple, les variantes peuvent tre class es comme le montre la Figure 13.12. G6PD A est le prototype de la forme mod r e (classe III) de la maladie. Les globules rouges contiennent une G6PD instable mais cin tiquement normale, la majeure partie de l'activit enzymatique tant pr sente dans les r ticulocytes et les jeunes globules rouges (Fig. 13.13). Par cons quent, les globules rouges les plus anciens ont le plus faible niveau d'activit enzymatique et sont limin s pr f rentiellement lors d'un pisode h molytique. Parce que l'h molyse n'affecte pas les cellules plus jeunes, les pisodes sont auto-r solutifs. Le G6PD M diterran e est le prototype d'un d ficit plus s v re (classe II). Les mutations de classe I (rares) sont les plus s v res et sont associ es une an mie h molytique chronique non sph rocytaire, qui se produit m me en l'absence de stress oxydatif. D. G6PD biologie mol culaire Le clonage du g ne de la G6PD et le s quen age de son ADN (voir chapitre 34) ont permis d'identifi
Biochimie_Lippincott	er les mutations l'origine du d ficit en G6PD. Plus de 400 variantes de G6PD ont t identifi es, une d couverte qui explique les nombreux ph notypes biochimiques et cliniques qui ont t d crits. La plupart des mutations qui entra nent une d ficience enzymatique sont des mutations faux-sens (voir p. 449) dans la r gion codante. G6PD A et G6PD Mediterranean repr sentent toutes deux des enzymes mutantes qui diff rent des variantes normales respectives par un seul acide amin . Aucune d l tions importantes ou mutations de d calage de cadre n'a t identifi e, ce qui sugg re que l'absence totale d'activit de G6PD est probablement mortelle. VI. R SUM DU CHAPITRE La voie du pentose phosphate comprend une phase oxydative irr versible suivie d'une s rie d'interconversions r versibles sucre-phosphate (Fig. 13.14). Aucun ATP n'est directement consomm ou produit dans la voie. La partie oxydative de la voie productrice de nicotinamide ad nine dinucl otide phosphate (NADPH) est importante pour fournir des quivalents r ducteurs pour les r actions de biosynth se r ductrice et de d toxification. Dans cette partie de la voie, le glucose 6-phosphate est converti de mani re irr versible en ribulose 5-phosphate, et deux NADPH sont produits. L' tape r gul e est catalys e par la glucose 6-phosphate d shydrog nase (G6PD), qui est fortement inhib e par une augmentation du rapport NADPH/NADP+. Les r actions non oxydatives r versibles interconvertissent les sucres. Cette partie de la voie convertit le ribulose 5-phosphate en ribose-5-phosphate, n cessaire la synth se des nucl otides et des acides nucl iques, ou en fructose 6-phosphate et en glyc rald hyde 3-phosphate (interm diaires glycolytiques). Le NADPH est une source d' quivalents r ducteurs dans la biosynth se r ductrice, tels que la production d'acides gras dans le foie, le tissu adipeux et la glande mammaire ; cholest rol dans le foie ; et des hormones st ro des dans le placenta, les ovaires, les testicules et le cortex surr nalien. Il est galement requis par les globules rouges (GR) pour la r duction du peroxyde d'hydrog ne. Le glutathion r duit (G-SH) est utilis par la glutathion peroxydase pour r duire le peroxyde en eau. Le glutathion oxyd (G-S-S-G) produit est r duit par la glutathion r ductase, en utilisant le NADPH comme source d' lectrons. Le NADPH fournit des quivalents r ducteurs pour le syst me mitochondrial cytochrome P450 monooxyg nase, qui est utilis dans la synth se des hormones st ro des dans les tissus st ro dog nes, la synth se des acides biliaires dans le foie et l'activation de la vitamine D dans le foie et les reins. Le syst me microsomal utilise le NADPH pour d toxifier les compos s trangers (x nobiotiques), tels que les m dicaments et une vari t de polluants. Le NADPH fournit les quivalents r ducteurs des phagocytes dans le processus d' limination des micro-organismes envahisseurs. La NADPH oxydase utilise l'oxyg ne mol culaire (O2) et les lectrons du NADPH pour produire des radicaux superoxydes, qui, leur tour, peuvent tre convertis en peroxyde par la superoxyde dismutase. La my loperoxydase catalyse la formation d'acide hypochloreux bact ricide partir des ions peroxyde et chlorure. Des anomalies g n tiques rares de la NADPH oxydase provoquent une granulomatose chronique caract ris e par des infections graves et persistantes et la formation de granulomes. Le NADPH est n cessaire la synth se de l'oxyde nitrique (NO), un gaz radical libre important qui provoque la vasodilatation en relaxant les muscles lisses vasculaires, agit comme un neurotransmetteur, emp che l'agr gation plaquettaire et aide m dier l'activit bact ricide des macrophages. Le NO est fabriqu partir de l'arginine et de l'O2 par trois NO synthases (NOS) diff rentes d pendantes du NADPH. Les isoenzymes endoth liales (eNOS) et neuronales (nNOS) produisent constamment de tr s faibles niveaux de NO pour la vasodilatation et la neurotransmission, respectivement. L'isoenzyme inductible (iNOS) produit de grandes quantit s de NO pour la d fense contre les agents pathog nes. Le d ficit en G6PD alt re la capacit de la cellule former le NADPH qui est essentiel au maintien du pool G-SH. Les cellules les plus touch es sont les globules rouges, car elles n'ont pas de sources suppl mentaires de NADPH. Le d ficit en G6PD est une maladie li e l'X caract ris e par une an mie h molytique caus e par la production de radicaux libres et de peroxydes suite l'administration de m dicaments oxydants, l'ingestion de f ves ou des infections graves. L' tendue de l'an mie d pend de la quantit d'enzyme r siduelle. Les variants de classe I, les plus graves (et les moins courants), sont associ s des an mie h molytique. Les b b s atteints d'un d ficit en G6PD peuvent souffrir d'ict re n onatal. Choisissez UNE meilleure r ponse. 3.1. En pr paration d'un voyage dans une r gion de l'Inde o le paludisme r sistant la chloroquine est end mique, un jeune homme re oit de la prim
Biochimie_Lippincott	aquine titre prophylactique. Peu de temps apr s, il d veloppe une maladie h molytique due une carence en glucose 6-phosphate d shydrog nase. Un taux inf rieur la normale duquel des l ments suivants est une cons quence du d ficit enzymatique et la cause sous-jacente de l'h molyse ? A. Glucose 6-phosphateB. Forme oxyd e du nicotinamide ad nine dinucl otide C. Forme r duite du glutathion D. Ribose 5-phosphate R ponse correcte = C. Le glutathion (G-SH) est essentiel l'int grit des globules rouges et est maintenu sous cette forme r duite (fonctionnelle) par la glutathion r ductase d pendante du nicotinamide ad nine dinucl otide phosphate (NADPH). Le NADPH provient de la partie oxydative de la voie du pentose phosphate. Les personnes pr sentant une d ficience de l'enzyme r gul e de cette voie, la glucose 6-phosphate d shydrog nase (G6PD), ont une capacit r duite g n rer du NADPH et, par cons quent, une capacit r duite maintenir la G-SH r duite. Lorsqu'ils sont trait s avec un m dicament oxydant tel que la primaquine, certains patients atteints d'un d ficit en G6PD d veloppent une an mie h molytique. La primaquine n'affecte pas les niveaux de glucose 6phosphate. Le nicotinamide ad nine dinucl otide (NAD[H]) n'est ni produit par la voie ni utilis comme coenzyme par la G-SH r ductase. Une diminution du ribose 5-phosphate ne provoque pas d'h molyse. 3.2. Le choc septique, un tat d'insuffisance circulatoire aigu caract ris par une hypotension art rielle persistante (pression art rielle basse) et une perfusion inad quate d'organes r fractaires la r animation liquidienne, r sulte d'une r ponse inflammatoire s v re une infection bact rienne. Il a un taux de mortalit lev et est associ des changements dans le niveau d'oxyde nitrique. Quelle affirmation concernant le choc septique est la plus susceptible d' tre correcte ? A. L'activation de l'oxyde nitrique synthase endoth liale provoque une augmentation du monoxyde d'azote.B. Une mortalit lev e est le r sultat de la longue demi-vie de l'oxyde nitrique.C. La lysine, la source d'azote pour la synth se de l'oxyde nitrique, est d samin e par les bact ries.D. La surproduction d'oxyde nitrique par une enzyme ind pendante du calcium est la cause de l'hypotension. Bonne r ponse = D. La surproduction d'oxyde nitrique (NO) courte dur e de vie (et non longue dur e de vie) par l'oxyde nitrique synthase (iNOS) inductible et ind pendante du calcium entra ne une vasodilatation excessive conduisant l'hypotension. L'enzyme endoth liale (eNOS) est constitutive et produit de faibles niveaux de NO un rythme constant. Les NOS utilisent de l'arginine, et non de la lysine, comme source d'azote. 3.3. Il est conseill une personne qui l'on a r cemment prescrit un m dicament (atorvastatine) pour abaisser le taux de cholest rol de limiter sa consommation de jus de pamplemousse, car une consommation lev e de ce jus entra nerait une augmentation du taux de m dicament dans le sang, ce qui augmente le risque d'effets secondaires. L'atorvastatine est un substrat de l'enzyme cytochrome P450 CYP3A4, et le jus de pamplemousse inhibe l'enzyme. Quelle affirmation concernant les enzymes CYP est la plus probablement correcte ? Ils: A. accepter des lectrons de nicotinamide ad nine dinucl otide r duit. B. catalyser l'hydroxylation des mol cules hydrophobes. C. diff rent de l'oxyde nitrique synthase en ce qu'elles contiennent de l'h me. D. fonction en association avec une oxydase. Bonne r ponse = B. Les enzymes CYP hydroxylent les compos s hydrophobes, ce qui les rend plus solubles dans l'eau. La r duction du nicotinamide ad nine dinucl otide phosphate (NADPH) de la voie du pentose phosphate est le donneur d' lectrons. Les enzymes CYP et les isoenzymes de l'oxyde nitrique synthase contiennent de l'h me. 3.4. Chez les patients masculins qui sont h mizygotes pour un d ficit en glucose 6-phosphate d shydrog nase li l'X, les cons quences physiopathologiques sont plus apparentes dans les globules rouges (GR) que dans d'autres cellules telles que le foie. Laquelle des propositions suivantes fournit l'explication la plus raisonnable de cette r ponse diff rente ? R. L'exc s de glucose 6-phosphate dans le foie, mais pas dans les globules rouges, peut tre canalis vers le glycog ne, vitant ainsi les dommages cellulaires. B. Les cellules h patiques, contrairement aux globules rouges, ont d'autres m canismes pour fournir le nicotinamide ad nine dinucl otide phosphate r duit n cessaire au maintien de l'int grit cellulaire. C. Comme les globules rouges n'ont pas de mitochondries, la production d'ATP n cessaire au maintien de l'int grit cellulaire d pend exclusivement de la d rivation du glucose 6-phosphate vers la voie du pentose phosphate. D. Dans les globules rouges, contrairement aux cellules h patiques, l'activit de la glucose 6-phosphatase diminue le niveau de glucose 6-phosphate, ce qui entra ne des l sions cellulaires. Bonne r ponse = B. Les dommages c
Biochimie_Lippincott	ellulaires sont directement li s la diminution de la capacit de la cellule r g n rer le glutathion r duit, pour lequel de grandes quantit s de nicotinamide ad nine dinucl otide phosphate (NADPH) r duit sont n cessaires, et les globules rouges n'ont d'autres moyens que la voie du pentose phosphate pour g n rer du NADPH. C'est la diminution du produit (NADPH), et non l'augmentation du substrat (glucose 6phosphate), qui est le probl me. Les globules rouges n'ont pas de glucose 6-phosphatase. La voie du pentose phosphate ne g n re pas d'ATP. 3.5. Une coenzyme essentielle pour plusieurs enzymes du m tabolisme est d riv e de la vitamine thiamine. Mesure de l'activit de quelle enzyme dans les globules rouges pourrait tre utilis e pour d terminer le statut de la thiamine dans le corps ? Les globules rouges n'ont pas de mitochondries et, par cons quent, ne contiennent pas d'enzymes mitochondriales telles que la pyruvate d shydrog nase qui n cessitent la coenzyme thiamine pyrophosphate (TPP) d riv e de la thiamine. Cependant, ils contiennent la transc tolase cytosolique n cessitant le TPP, dont l'activit est utilis e cliniquement pour valuer le statut de la thiamine. Glycosaminoglycanes, prot oglycanes et glycoprot ines 14Pour plus de mat riel auxiliaire li ce chapitre, veuillez visiter thePoint. I. APER U DES GLYCOSAMINOGLYCANES Les glycosaminoglycanes (GAG) sont de grands complexes de cha nes h t ropolysaccharidiques charg es n gativement. Ils sont g n ralement associ s une petite quantit de prot ines (prot ine centrale), formant des prot oglycanes, qui contiennent g n ralement jusqu' 95 % de glucides. Les GAG ont la capacit sp ciale de lier de grandes quantit s d'eau, produisant ainsi la matrice g latineuse qui forme la base de la substance fondamentale du corps, qui, le long de la avec des prot ines structurelles fibreuses telles que le collag ne, l' lastine et la fibrilline-1, et des prot ines adh sives telles que la fibronectine, constitue la matrice extracellulaire (MEC). Le GAG hydrat sert de support flexible pour l'ECM, interagissant avec les prot ines structurelles et adh sives, et de tamis mol culaire, influen ant le mouvement des mat riaux travers l'ECM. Les propri t s visqueuses et lubrifiantes des s cr tions muqueuses r sultent galement de la pr sence de GAG, ce qui a conduit la d signation originale de ces compos s comme mucopolysaccharides. II. STRUCTURE Les GAG sont de longues cha nes h t ropolysaccharidiques non ramifi es compos es d'une unit disaccharide r p titive [sucre acide-sucre amin ]n (Fig. 14.1). [Remarque : Une seule exception est le sulfate de k ratane, qui contient du galactose plut t qu'un sucre acide.] Le sucre amin est soit la D-glucosamine, soit la D-galactosamine, dans laquelle le groupe amino est g n ralement ac tyl , liminant ainsi sa charge positive. Le sucre amin peut galement tre sulfat sur du carbone 4 ou 6 ou sur un azote non ac tyl . Le sucre acide est soit l'acide D-glucuronique, soit son pim re C-5, l'acide liduronique (Fig. 14.2). Ces sucres uroniques contiennent des groupes carboxyle qui sont charg s n gativement au pH physiologique et, avec les groupes sulfates (-SO42-), conf rent au GAG leur nature fortement n gative. A. Relation structure-fonction En raison de la forte concentration de charges n gatives, ces cha nes h t ropolysaccharidiques ont tendance tre tendues en solution. Ils se repoussent et sont entour s d'une coquille de mol cules d'eau. Lorsqu'ils sont r unis, ils glissent l'un sur l'autre, un peu comme deux aimants de m me polarit semblent glisser l'un sur l'autre. Cela produit la consistance glissante des s cr tions muqueuses et du liquide synovial. Lorsqu'une solution de GAG est comprim e, l'eau est expuls e et les GAG sont forc s d'occuper un volume plus petit. Lorsque la compression est rel ch e, les GAG reviennent leur volume hydrat d'origine en raison de la r pulsion de leurs charges n gatives. Cette propri t contribue la r silience du liquide synovial et de l'humeur vitr e de l' il (Fig. 14.3). B. Classification Les six principaux types de GAG sont divis s en fonction de la composition monom re, du type de liaisons glycosidiques et du degr et de l'emplacement des unit s sulfates. La structure des GAG et leur distribution dans le corps sont illustr es la figure 14.4. Tous les GAG, l'exception de l'acide hyaluronique, sont sulfat s et se trouvent attach s de mani re covalente des prot ines, formant des monom res de prot oglycanes. C. Prot oglycanesLes prot oglycanes se trouvent dans l'ECM et sur la surface externe des cellules. 1. Structure monom re : Un monom re prot oglycane pr sent dans le cartilage est constitu d'une prot ine centrale laquelle jusqu' 100 cha nes lin aires de GAG sont attach es de mani re covalente. Ces cha nes, qui peuvent chacune tre compos es d'un maximum de 200 unit s disaccharides, s' tendent partir de la prot ine centrale et restent s par es les unes des autr
Biochimie_Lippincott	es en raison de la r pulsion de charge. La structure r sultante ressemble un goupillon (Fig. 14.5). Dans les prot oglycanes du cartilage, les esp ces de GAG comprennent le sulfate de chondro tine et le sulfate de k ratane. [Remarque : Les prot oglycanes sont regroup s en familles de g nes qui codent pour des prot ines de base avec des caract ristiques structurelles communes. La famille des agr gats (aggr can, versican, neurocanien et brevican), abondante en cartilage, en est un exemple.] 2. Liaison GAG-prot ine : Cette liaison covalente se fait le plus souvent par le biais d'un trihexoside (galactose-galactose-xylose) et d'un r sidu s rine dans la prot ine. Une liaison O-glycosidique (voir p. 86) se forme entre le xylose et le groupe hydroxyle de la s rine (Fig. 14.6). 3. Formation d'agr gats : De nombreux monom res prot oglycanes peuvent s'associer une mol cule d'acide hyaluronique pour former des agr gats de prot oglycanes. L'association n'est pas covalente et se produit principalement par le biais d'interactions ioniques entre la prot ine centrale et l'acide hyaluronique. L'association est stabilis e par de petites prot ines suppl mentaires appel es prot ines de liaison (Fig. 14.7). III. SYNTH SE Les cha nes h t ropolysaccharides sont allong es par l'ajout s quentiel d'une alternance de sucres acides et amin s donn s principalement par leurs d riv s d'uridine diphosphate (UDP). Les r actions sont catalys es par une famille de glycosyltransf rases sp cifiques. Parce que les GAG sont produits pour tre export s partir de la cellule, leur synth se se produit principalement dans le Golgi et non dans le cytosol. A. Synth se des sucres amin s Les sucres amin s sont des composants essentiels des glycoconjugu s tels que les prot oglycanes, les glycoprot ines et les glycolipides. La voie synth tique des sucres amin s (hexosamines) est tr s active dans les tissus conjonctifs, o jusqu' 20 % du glucose circule par cette voie. 1. N-ac tylglucosamine et N-ac tylgalactosamine : Le monosaccharide fructose 6-phosphate est le pr curseur de la N-ac tylglucosamine (GlcNAc) et de la N-ac tylgalactosamine (GalNAc). Un groupe hydroxyle sur le fructose est remplac par l'azote amide d'une glutamine, et le produit glucosamine 6phosphate est ac tyl , isom ris et activ , produisant le sucre nucl otidique UDP-GlcNAc (Fig. 14.8). L'UDP-GalNAc est g n r par l' pim risation de l'UDP-GlcNAc. Ce sont ces formes de sucre nucl otidique des sucres amin s qui sont utilis es pour allonger les cha nes de glucides. Pyrophosphate. 2. Acide N-ac tylneuraminique : Le NANA, un monosaccharide acide neuf atomes de carbone (voir Fig. 17.15, p. 209), fait partie de la famille des acides sialiques, chacun tant acyl un site diff rent. Ces compos s se trouvent g n ralement sous forme de r sidus glucidiques terminaux des cha nes lat rales d'oligosaccharides des glycoprot ines, des glycolipides ou, moins fr quemment, des GAG. La N-ac tylmannosamine 6-phosphate (d riv e du fructose 6-phosphate) et le phospho nolpyruvate (un interm diaire dans la glycolyse ; voir p. 102) sont les sources imm diates de carbones et d'azotes pour la synth se des NANA (voir Fig. 14.8). Avant que le NANA puisse tre ajout un oligosaccharide en croissance, il doit tre activ en tant que cytidine monophosphate (CMP)NANA en r agissant avec le cytidine triphosphate (CTP). La CMP-NANA synth tase catalyse la r action. [Remarque : Le CMP-NANA est le seul sucre nucl otidique du m tabolisme humain dans lequel le nucl otide porteur est un monophosphate plut t qu'un diphosphate.] B. Synth se des sucres acides L'acide D-glucuronique, dont la structure est celle du glucose carbone 6 oxyd ( CH2OH COOH), et son pim re C-5, l'acide L-iduronique, sont des composants essentiels du GAG. L'acide glucuronique est galement n cessaire la d toxification des compos s lipophiles, tels que la bilirubine (voir p. 282), les st ro des (voir p. 240) et de nombreux m dicaments, y compris les statines (voir p. 224), car la conjugaison avec le glucuronate (glucuronidation) augmente la solubilit dans l'eau. Chez les plantes et les mammif res (autres que les cobayes et les primates, y compris les humains), l'acide glucuronique est un pr curseur de l'acide ascorbique (vitamine C) comme le montre la Figure 14.9. Cette voie de l'acide uronique fournit galement un m canisme par lequel le D- Le xylulose peut p n trer dans les voies m taboliques centrales. 1. Acide glucuronique : L'acide glucuronique peut tre obtenu en petites quantit s partir de l'alimentation et de la d gradation lysosomale du GAG. Il peut galement tre synth tis par la voie de l'acide uronique, dans laquelle le glucose 1-phosphate r agit avec l'uridine triphosphate (UTP) et est converti en UDP-glucose. L'oxydation du glucose UDP produit de l'acide glucuronique UDP, la forme qui fournit de l'acide glucuronique pour la synth se du GAG et la glucuronidation (Fig. 14.10). Le produit final du m tabolisme
Biochimie_Lippincott	de l'acide glucuronique chez l'homme est le 5-phosphate de dxylulose, qui peut p n trer dans la voie du pentose phosphate et produire les interm diaires glycolytiques glyc rald hyde 3-phosphate et fructose 6-phosphate (voir Fig. 14.9 ; voir aussi Fig. 13.2, p. 146). 2. Acide l-Iduronic : La synth se de l'acide L-iduronique se produit apr s que l'acide D-glucuronique a t incorpor dans la cha ne glucidique. L'uronosyl 5 pim rase provoque l' pim risation du D-en L-sucre. C. Synth se des prot ines de base La prot ine centrale est fabriqu e par les ribosomes sur le r ticulum endoplasmique rugueux (RER), p n tre dans la lumi re du RER, puis se d place vers le Golgi, o elle est glycosyl e par des glycosyltransf rases li es la membrane. D. Synth se de la cha ne glucidique La formation de la cha ne glucidique est initi e par la synth se d'un liant court sur la prot ine centrale sur laquelle la synth se de la cha ne glucidique aura lieu. L'agent de liaison le plus courant est un trihexoside form par le transfert d'un xylose de l'UDP-xylose au groupe hydroxyle d'une s rine (ou thr onine) catalys par la xylosyltransf rase. Deux mol cules de galactose sont ensuite ajout es, compl tant le trihexoside. S'ensuit l'addition s quentielle d'une alternance de sucres acides et de sucres amin s (Fig. 14.11) et l' pim risation de certains r sidus de D-glucuronyle en liduronyle. E. Addition du groupe sulfate La sulfatation d'un GAG se produit apr s que le monosaccharide sulfater a t incorpor dans la cha ne glucidique en croissance. La source du sulfate est le 3-phosphoad nosyl-5-phosphosulfate ([PAPS] une mol cule d'ad nosine monophosphate avec un groupe sulfate attach au phosphate 5 ; voir Fig. 17.16, p. 210). La r action de sulfatation est catalys e par les sulfotransf rases. La synth se du sulfate de chondro tine GAG sulfat est illustr e la Figure 14.11. [Remarque : le PAPS est galement le donneur de soufre dans la synth se des glycosphingolipides (voir p. 210).] Un d faut dans la sulfatation des cha nes GAG en croissance entra ne l'une des nombreuses maladies autosomiques r cessives, les chondrodystrophies, qui affectent le bon d veloppement et le maintien du syst me squelettique. IV. D GRADATION Les GAG sont d grad s dans les lysosomes, qui contiennent des enzymes hydrolytiques qui sont les plus actives un pH de ~5. Par cons quent, en tant que groupe, ces enzymes sont appel es hydrolases acides. [Remarque : Le pH optimal bas est un m canisme de protection qui emp che les enzymes de d truire la cellule en cas de fuite dans le cytosol o le pH est neutre.] Les demi-vies du GAG varient de quelques minutes quelques mois et sont influenc es par le type de GAG et son emplacement dans le corps. A. Phagocytose GAG Parce que les GAG sont des compos s extracellulaires ou de surface cellulaire, ils doivent d'abord tre engloutis par invagination de la membrane cellulaire (phagocytose), formant une v sicule l'int rieur de laquelle se trouve le GAG d grader. Cette v sicule fusionne ensuite avec un lysosome, formant une seule v sicule digestive dans laquelle les GAG sont efficacement d grad s (voir p. 150 pour une discussion sur la phagocytose). B. D gradation lysosomale La d gradation lysosomale du GAG n cessite un grand nombre d'hydrolases acides pour une digestion compl te. Tout d'abord, les cha nes polysaccharidiques sont cliv es par des endoglycosidases, produisant des oligosaccharides. La d gradation ult rieure des oligosaccharides se produit s quentiellement partir de l'extr mit non r ductrice (voir p. 127) de chaque cha ne, le dernier groupe (sulfate ou sucre) ajout lors de la synth se tant le premier groupe limin (par les sulfatases ou les exoglycosidases). Des exemples de certaines de ces enzymes et des liaisons qu'elles hydrolysent sont illustr s la figure 14.12. [Note : Les endo- et exoglycosidases sont galement impliqu es dans la d gradation lysosomale des glycoprot ines (voir p. 170) et des glycolipides (voir p. 210). Les carences en ces enzymes entra nent l'accumulation de glucides partiellement d grad s, causant des l sions tissulaires.] Glucosamine; S = sulfate. Le d ficit en sulfatases multiples (maladie d'Austin) est une maladie de surcharge lysosomale rare dans laquelle toutes les sulfatases ne fonctionnent pas en raison d'un d faut de formation de formylglycine, un d riv d'acide amin requis au site actif pour que l'activit enzymatique se produise. V. MUCOPOLYSACCHARIDOSES Les mucopolysaccharidoses sont des maladies h r ditaires (environ 1:25 000 naissances vivantes) caus es par un d ficit de l'une des hydrolases lysosomales normalement impliqu es dans la d gradation de l'h parane sulfate et/ou du dermatan sulfate (voir Fig. 14.12). Il s'agit de troubles progressifs caract ris s par une accumulation lysosomale de GAG dans divers tissus, provoquant une gamme de sympt mes, tels que des d formations squelettiques et ECM, et une d ficience intellectuelle. Tous sont des
Biochimie_Lippincott	troubles autosomiques r cessifs, l'exception du syndrome de Hunter, qui est li l'X. Les enfants homozygotes pour l'une de ces maladies sont apparemment normaux la naissance et se d t riorent progressivement. Dans les carences s v res, la mort survient dans l'enfance. Il n'existe actuellement aucun rem de. La d gradation lysosomale incompl te du GAG entra ne la pr sence d'oligosaccharides dans l'urine. Ces fragments peuvent tre utilis s pour diagnostiquer la mucopolysaccharidose sp cifique en identifiant la structure pr sente l'extr mit non r ductrice de l'oligosaccharide, car ce r sidu aurait t le substrat de l'enzyme manquante. Le diagnostic est confirm par la mesure du taux cellulaire des hydrolases lysosomales du patient. Les greffes de moelle osseuse et de sang de cordon, dans lesquelles les macrophages transplant s produisent les enzymes qui d gradent le GAG, ont t utilis es pour traiter les syndromes de Hurler et de Hunter, avec un succ s limit . L'enzymoth rapie substitutive est disponible pour les deux syndromes, mais ne pr vient pas les dommages neurologiques. VI. APER U DES GLYCOPROT INES Les glycoprot ines sont des prot ines auxquelles des oligosaccharides (glycanes) sont attach s de mani re covalente. [Remarque : La glycosylation est la modification post-traductionnelle la plus courante des prot ines.] Ils diff rent des prot oglycanes de plusieurs mani res importantes. Les glycoprot ines contiennent des quantit s tr s variables de glucides, mais g n ralement moins que celles des prot oglycanes. Par exemple, la glycoprot ine immunoglobuline G (IgG) contient <4 % de sa masse sous forme de glucides, tandis que l'agr gat prot oglycane en contient >80 %. Dans les glycoprot ines, le glycane est relativement court (g n ralement de deux dix r sidus de sucre, bien qu'il puisse tre plus long) ; ne contient pas d'unit s disaccharides r p titives et, par cons quent, est structurellement diversifi ; est souvent ramifi au lieu d' tre lin aire ; et peut ou non tre charg n gativement. Les glycoprot ines li es la membrane participent un large ventail de ph nom nes cellulaires, y compris la reconnaissance de la surface cellulaire (par d'autres cellules, hormones et virus), l'antig nicit de la surface cellulaire (comme les antig nes du groupe sanguin) et en tant que composants de la MEC et des mucines des voies gastro-intestinales et urog nitales, o elles agissent comme des lubrifiants biologiques protecteurs. De plus, presque toutes les prot ines globulaires pr sentes dans le plasma humain sont des glycoprot ines, bien que l'albumine soit une exception. La figure 14.13 r sume certaines fonctions des glycoprot ines. VII. STRUCTURE DES OLIGOSACCHARIDES Les composants oligosaccharidiques (glycanes) des glycoprot ines sont g n ralement des h t ropolym res ramifi s compos s principalement de D-hexoses, avec l'ajout dans certains cas d'acide neuraminique (un nonose) et de L-fucose, un 6-d soxyhexose. A. Liaison glucides-prot ines Le glycane peut tre attach la prot ine par une liaison N-glycosidique ou O-glycosidique (voir p. 86). Dans le premier cas, la cha ne glucidique est attach e au groupe amide d'une cha ne lat rale d'asparagine et, dans le second cas, au groupe hydroxyle d'une cha ne lat rale de s rine ou de thr onine. [Remarque : Dans le cas du collag ne, il existe une liaison O-glycosidique entre le galactose ou le glucose et le groupe hydroxyle de l'hydroxylysine (voir p. 47).] B. Oligosaccharides li s l'N et l'O Une glycoprot ine peut ne contenir qu'un seul type de liaison glycosidique (li e N ou O) ou avoir les deux types dans la m me mol cule. 1. Li O : Les glycanes li s O peuvent avoir un ou plusieurs sucres parmi une grande vari t dispos s selon un motif lin aire ou ramifi . Beaucoup se trouvent dans les glycoprot ines extracellulaires ou sous forme de composants de glycoprot ines membranaires. Par exemple, les oligosaccharides li s O la surface des globules rouges aident fournir les d terminants du groupe sanguin ABO. Si le sucre terminal sur le glycane est GalNAc, le groupe sanguin est A. S'il s'agit de galactose, le groupe sanguin est B. Si ni GalNAc ni galactose ne sont pr sents, le groupe sanguin est O. 2. N-Linked : Les glycanes N-linked se divisent en deux grandes classes : les oligosaccharides complexes et les oligosaccharides haute teneur en mannose. Les deux contiennent le m me noyau pentasaccharide que celui illustr la Figure 14.14, mais les oligosaccharides complexes contiennent un groupe diversifi de sucres suppl mentaires, par exemple, GlcNAc, GalNAc, L-fucose et NANA, tandis que les oligosaccharides forte teneur en mannose contiennent principalement du mannose. VIII. SYNTH SE DES GLYCOPROT INES Les prot ines destin es fonctionner dans le cytoplasme sont synth tis es sur des ribosomes cytosoliques libres. Cependant, les prot ines, y compris les glycoprot ines, qui sont destin es aux membranes cellulaires, aux lysosomes ou
Biochimie_Lippincott	l'exportation de la cellule, sont synth tis es sur des ribosomes attach s au RER. Ces prot ines contiennent des s quences de signal sp cifiques qui agissent comme des adresses mol culaires, ciblant les prot ines vers leurs destinations appropri es. Une s quence hydrophobe N-terminale dirige initialement ces prot ines vers le RER, permettant au polypeptide en croissance d' tre extrud dans la lumi re (voir p. 10). 459). Les prot ines sont ensuite transport es par des v sicules s cr toires vers le Golgi, qui agit comme un centre de tri (Fig. 14.15). Dans le Golgi, les glycoprot ines qui doivent tre s cr t es par la cellule (ou qui sont cibl es pour les lysosomes) sont emball es dans des v sicules qui fusionnent avec la membrane cellulaire (ou lysosomale) et lib rent leur contenu. Ceux qui sont destin s devenir des composants de la membrane cellulaire sont int gr s dans la membrane de Golgi, qui bourgeonne, formant des v sicules qui ajoutent leurs glycoprot ines li es la membrane cellulaire la membrane cellulaire. [Remarque : Par cons quent, les glycoprot ines membranaires sont orient es avec la partie glucidique l'ext rieur de la cellule (voir Fig. 14.15).] Un. Les pr curseurs des composants glucidiques des glycoprot ines sont les sucres nucl otidiques, qui comprennent l'UDP-glucose, l'UDP-galactose, l'UDP-GlcNAc et l'UDP-GalNAc. De plus, la guanosine diphosphate Le (GDP)mannose, le GDP-L-fucose (qui est synth tis partir du GDP-mannose) et le CMP-NANA peuvent donner des sucres la cha ne de croissance. [Remarque : Lorsque le NANA acide est pr sent, l'oligosaccharide a une charge n gative au pH physiologique.] Les oligosaccharides sont attach s de mani re covalente aux cha nes lat rales d'acides amin s sp cifiques dans la prot ine, o la structure tridimensionnelle de la prot ine d termine si un acide amin sp cifique est glycosyl ou non. B. Synth se des glycoprot ines li es O La synth se des glycoprot ines li es l'O est tr s similaire celle des GAG (voir p. 158). Tout d'abord, la prot ine laquelle les sucres doivent tre attach s est synth tis e sur le RER et extrud e dans sa lumi re. La glycosylation commence par le transfert de GalNAc (de UDP-GalNAc) vers le groupe hydroxyle d'un r sidu sp cifique de s rine ou de thr onine. Les glycosyltransf rases responsables de la synth se par tapes ( partir de sucres individuels) des oligosaccharides sont li es aux membranes du Golgi. Ils agissent dans un ordre sp cifique, sans utiliser de matrice comme c'est le cas pour la synth se de l'ADN, de l'acide ribonucl ique (ARN) et des prot ines (voir Unit VII), mais en reconnaissant la structure r elle de l'oligosaccharide en croissance comme le substrat appropri . C. Synth se des glycoprot ines N-li es La synth se des glycoprot ines li es l'azote se produit dans la lumi re du RER et n cessite la participation de la forme phosphoryl e du dolichol (pyrophosphate de dolichol), un lipide de la membrane du RER (Fig. 14.16). Le premier produit est transform dans le RER et Golgi. = groupe terminal (fucose ou acide nac tylneuraminique) ; ARNm = ARN messager ; Asn = asparagine. 1. Synth se d'oligosaccharides li s au dolicholl : Comme pour les glycoprot ines li es au O, la prot ine est synth tis e sur le RER et p n tre dans sa lumi re. Cependant, il ne devient pas glycosyl avec les sucres individuels. Au lieu de cela, un oligosaccharide li aux lipides est d'abord construit. Il s'agit de dolichol (un lipide membranaire RER fabriqu partir d'un interm diaire de la synth se du cholest rol ; voir p. 221) attach par une liaison pyrophosphate un oligosaccharide contenant de la GlcNAc, du mannose et du glucose. Les sucres ajouter s quentiellement au dolichol par les glycosyltransf rases membranaires sont d'abord la GlcNAc, suivie du mannose et du glucose (voir Fig. 14.16). L'int gralit de l'oligosaccharide de 14 sucres est ensuite transf r e du dolichol l'azote amide d'un r sidu asparagine dans la prot ine pour tre glycosyl e par une prot ine-oligosaccharide transf rase pr sente dans le RER. [Remarque : La tunicamycine inhibe la glycosylation li e l'azote.] Les troubles cong nitaux de la glycosylation (CDG) sont des syndromes caus s principalement par des d fauts de la glycosylation li e l'N des prot ines, soit l'assemblage des oligosaccharides (type I), soit le traitement (type II). 2. Traitement des oligosaccharides li s l'azote : Apr s l'ajout la prot ine, l'oligosaccharide li l'azote est trait par l' limination de r sidus sp cifiques de mannosyle et de glucosyle lorsque la glycoprot ine se d place dans le RER. Enfin, les cha nes d'oligosaccharides sont compl t es dans le Golgi par l'ajout d'une vari t de sucres (par exemple, GlcNAc, GalNAc et des mannoses suppl mentaires, puis du fucose ou du NANA en tant que groupes terminaux) pour produire une glycoprot ine complexe. Alternativement, ils ne sont pas trait s davantage, laissant des cha nes ramifi es contenant du mann
Biochimie_Lippincott	ose dans une glycoprot ine haute teneur en mannose (voir Fig. 14.16). Le destin ultime des glycoprot ines li es l'O est le m me que celui des glycoprot ines li es l'O (par exemple, elles peuvent tre lib r es par la cellule ou faire partie d'une membrane cellulaire). De plus, les glycoprot ines li es l'azote peuvent tre cibl es sur les lysosomes. [Remarque : La glycosylation non enzymatique des prot ines est connue sous le nom de glycation (voir p. 33).] 3. Enzymes lysosomales : Les glycoprot ines li es l'azote trait es dans le Golgi peuvent tre phosphoryl es sur le carbone 6 d'un ou plusieurs r sidus de mannosyle. L'UDP-GlcNAc fournit le phosphate dans une r action catalys e par un phosphotransf rase. Les r cepteurs, situ s dans la membrane de Golgi, se lient aux r sidus de mannose 6-phosphate de ces prot ines, qui sont ensuite emball s dans des v sicules et envoy s aux lysosomes (Fig. 14.17). La maladie I-Cell est une maladie lysosomale rare dans laquelle la phosphotransf rase est d ficiente. Cela provoque la s cr tion des prot ines, plut t que de les cibler sur les lysosomes. Par cons quent, les hydrolases acides normalement pr sentes dans la matrice lysosomale sont absentes, ce qui entra ne une accumulation des substrats de ces enzymes manquantes. [Remarque : La maladie I-Cell est ainsi nomm e en raison des grands corps d'inclusion observ s dans les cellules des patients atteints de cette maladie.] De plus, de grandes quantit s d'enzymes lysosomales sont trouv es dans le plasma et l'urine du patient, ce qui indique que le processus de ciblage des lysosomes (plut t que la voie de synth se de ces enzymes) est d ficient. La maladie I-Cell se caract rise par des anomalies squelettiques, des mouvements articulaires restreints, des traits faciaux grossiers (dysmorphiques) et une d ficience psychomotrice s v re. [Remarque : Parce que la maladie cellules I a des caract ristiques communes avec les mucopolysaccharidoses et les sphingolipidoses (voir p. 210), on parle de mucolipidose (type II).] Actuellement, il n'existe aucun rem de et la mort due des complications cardiorespiratoires survient g n ralement dans la petite enfance. IX. D GRADATION DES GLYCOPROT INES LYSOSOMALES La d gradation des glycoprot ines est similaire celle des GAG (voir p. 163). Les hydrolases acides lysosomales sont g n ralement sp cifiques pour l' limination d'un composant de la glycoprot ine. Il s'agit principalement d'exoenzymes qui liminent leurs groupes respectifs dans l'ordre inverse de leur incorporation (en dernier, en premier). Si l'une des enzymes de d gradation est manquante, la d gradation par les autres exoenzymes ne peut pas continuer. Un groupe de maladies autosomiques r cessives tr s rares appel es maladies de stockage des glycoprot ines (oligosaccharidoses), caus es par une d ficience de l'une des enzymes de d gradation, entra ne l'accumulation de structures partiellement d grad es dans les lysosomes. Par exemple, la -mannosidase de type 3 est un d ficit grave, progressif et mortel de l'enzyme -mannosidase. La pr sentation est similaire au syndrome de Hurler, mais une immunod ficience est galement observ e. Des fragments d'oligosaccharides riches en mannose apparaissent dans l'urine. Le diagnostic repose sur un dosage enzymatique. X. R SUM DU CHAPITRE Les glycosaminoglycanes (GAG) sont de longues cha nes h t ropolysaccharidiques, charg es n gativement, non ramifi es, g n ralement compos es d'une unit disaccharide r p titive [sucre acide-sucre amin ]n (Fig. 14.18). Le sucre amin est soit la D-glucosamine, soit la D-galactosamine dans laquelle le groupe amino est g n ralement ac tyl , liminant ainsi sa charge positive. Le sucre amin peut galement tre sulfat sur du carbone 4 ou 6 ou sur un azote non ac tyl . Le sucre acide est soit de l'acide D-glucuronique, soit son pim re C-5, l'acide L-iduronique. Les GAG lient de grandes quantit s d'eau, produisant ainsi la matrice g latineuse qui forme la base de la substance fondamentale du corps. Les propri t s visqueuses et lubrifiantes des s cr tions muqueuses sont galement caus es par la pr sence de GAG, ce qui a conduit la d signation originale de ces compos s comme mucopolysaccharides. Il existe six principaux types de GAG, notamment les 4-et 6-sulfates de chondro tine, le sulfate de k ratane, le sulfate de dermatane, l'h parine, le sulfate d'h parane et l'acide hyaluronique. Tous les GAG, l'exception de l'acide hyaluronique, se trouvent attach s de mani re covalente une prot ine centrale, formant des monom res de prot oglycanes. De nombreux monom res de prot oglycanes s'associent une mol cule d'acide hyaluronique pour former des agr gats de prot oglycanes. Les GAG sont synth tis s dans le Golgi. Les cha nes polysaccharidiques sont allong es par l'ajout s quentiel d'une alternance de sucres acides et amin s, donn s par leurs d riv s UDP. Le D-glucuronate peut tre pim ris en L-iduronate. La derni re tape de la synth se est la sulfa
Biochimie_Lippincott	tation d'une partie des sucres amin s. La source du sulfate est le 3-phosphoad nosyl-5-phosphosulfate (PAPS). Les prot oglycanes termin s sont s cr t s dans la matrice extracellulaire (MEC) ou restent associ s la surface externe des cellules. Les GAG sont d grad s par les hydrolases d'acide lysosomal. Ils sont d'abord d compos s en oligosaccharides, qui sont d grad s s quentiellement partir de l'extr mit non r ductrice de chaque cha ne. Une carence de l'une des hydrolases entra ne une mucopolysaccharidose. Il s'agit de troubles h r ditaires dans lesquels les GAG s'accumulent dans les tissus, provoquant des sympt mes tels que des d formations squelettiques et ECM et une d ficience intellectuelle. Des exemples de ces maladies g n tiques comprennent les syndromes de Hunter (li l'X) et de Hurler. Les glycoprot ines sont des prot ines auxquelles des oligosaccharides (glycanes) sont attach s de mani re covalente. Ils diff rent des prot oglycanes dans que la longueur de la cha ne glucidique de la glycoprot ine est relativement courte (g n ralement de deux dix r sidus de sucre, bien qu'elle puisse tre plus longue), peut tre ramifi e et ne contient pas d'unit s disaccharides en s rie. Les glycoprot ines li es la membrane participent un large ventail de ph nom nes cellulaires, y compris la reconnaissance de la surface cellulaire (par d'autres cellules, hormones et virus), l'antig nicit de la surface cellulaire (comme les antig nes du groupe sanguin) et en tant que composants de la MEC et des mucines des voies gastro-intestinales et urog nitales, o elles agissent comme des lubrifiants biologiques protecteurs. De plus, presque toutes les prot ines globulaires pr sentes dans le plasma humain sont des glycoprot ines. Les glycoprot ines sont synth tis es dans le r ticulum endoplasmique rugueux (RER) et le Golgi. Les pr curseurs des composants glucidiques des glycoprot ines sont les sucres nucl otidiques. Les glycoprot ines li es l'O sont synth tis es dans le Golgi par le transfert s quentiel des sucres de leurs porteurs de nucl otides au groupe hydroxyle d'un r sidu de s rine ou de thr onine dans la prot ine. Les glycoprot ines li es l'azote sont synth tis es par le transfert d'un oligosaccharide pr form de son support lipidique membranaire RER, le pyrophosphate de dolichol, l'amide N d'un r sidu d'asparagine dans la prot ine. Ils contiennent des quantit s variables de mannose. Une d ficience de la phosphotransf rase qui phosphoryle les r sidus de mannose au carbone 6 dans les enzymes glycoprot iques li es l'azote destin es aux lysosomes entra ne une maladie des cellules I. Les glycoprot ines sont d grad es dans les lysosomes par les hydrolases acides. Une carence en l'une de ces enzymes entra ne une maladie de stockage des glycoprot ines lysosomales (oligosaccharidose), entra nant l'accumulation de structures partiellement d grad es dans le lysosome. Choisissez UNE meilleure r ponse.4.1. Les mucopolysaccharidoses sont des maladies lysosomales. Ils sont caus s par : A. des d fauts dans la d gradation des glycosaminoglycanes.B. des d fauts dans le ciblage des enzymes vers les lysosomes.C. une augmentation du taux de synth se du composant glucidique des prot oglycanes.D. un taux insuffisant de synth se des enzymes prot olytiques.E. la synth se de quantit s anormalement petites de prot ines centrales.F. la synth se d'h t ropolysaccharides avec une structure alt r e. Bonne r ponse = A. Les mucopolysaccharidoses sont caus es par des d ficiences en l'une des hydrolases d'acide lysosomal responsables de la d gradation des glycosaminoglycanes (et non des prot ines). L'enzyme est correctement cibl e sur le lysosome, de sorte que les taux sanguins de l'enzyme n'augmentent pas, mais elle n'est pas fonctionnelle. Dans ces maladies, la synth se des composants prot iques et glucidiques des prot oglycanes n'est pas affect e, tant en termes de structure que de quantit . 4.2. La pr sence du compos suivant dans l'urine d'un patient sugg re une d ficience dans laquelle l'une des enzymes num r es ci-dessous ? A. Galactosidase B. Glucuronidase C. Iduronidase D. Mannosidase E. Sulfatase Bonne r ponse = E. La d gradation des glycoprot ines suit la r gle : dernier allum , premier arriv . Comme la sulfatation est la derni re tape de la synth se de cette s quence, une sulfatase est n cessaire pour l' tape suivante de la d gradation du compos pr sent . 4.3. Un gar on de 8 mois pr sentant des traits faciaux grossiers, des anomalies squelettiques et des retards de croissance et de d veloppement est diagnostiqu avec une maladie cellules I sur la base de sa pr sentation et des tests histologiques et biochimiques. La maladie I-Cell se caract rise par : A. diminution de la production de glycoprot ines li es l'O la surface cellulaire. B. taux lev s d'hydrolases acides dans le sang.C. incapacit utiliser les prot ines N-glycosylates.D. augmentation de la synth se des prot oglycanes. E. oligosaccharides dan
Biochimie_Lippincott	s l'urine. R ponse correcte = B. La maladie I-Cell est une maladie de surcharge lysosomale caus e par une d ficience de la phosphotransf rase n cessaire la synth se du signal mannose 6phosphate qui cible les hydrolases acides vers la matrice lysosomale. Cela entra ne la s cr tion de ces enzymes par la cellule et l'accumulation de mat riaux dans le lysosome en raison d'une d gradation alt r e. Aucun des autres choix n'est li la maladie des cellules I ou la fonction lysosomale. Les oligosaccharides dans l'urine sont caract ristiques des muco- et polysacchariodes, mais pas de la maladie des cellules I (mucolipidose de type II). 4.4. Un nourrisson atteint d'opacification de la corn e a du sulfate de dermatane et du sulfate d'h parane dans son urine. Une diminution de l'activit de laquelle des enzymes num r es ci-dessous confirmerait le diagnostic suspect de syndrome de Hurler ? A. -L-IduronidaseB. -glucuronidaseC. Glycosyltransf rase D. Iduronate sulfatase Bonne r ponse = A. Le syndrome de Hurler, un d faut de la d gradation lysosomale des glycosaminoglycanes (GAG) avec opacification corn enne, est d un d ficit en L-iduronidase. -glucuronidase est d ficiente dans le syndrome de Sly, et l'iduronate sulfatase est d ficiente dans le syndrome de Hunter. Les glycosyltransf rases sont des enzymes de synth se des GAG. 4.5. Distinguer les glycoprot ines et les prot oglycanes. Les glycoprot ines sont des prot ines auxquelles sont attach es de courtes cha nes d'oligosaccharides (glycanes) ramifi es et structurellement diverses. Les prot oglycanes sont constitu s d'une prot ine centrale laquelle sont attach es de longues cha nes de glycosaminoglycanes (GAG) non ramifi es. Les GAG sont de grands complexes d'h t ropolysaccharides charg s n gativement compos s d'unit s r p titives [sucre acide-sucre amino] et disaccharides. Pour obtenir d'autres documents auxiliaires relatifs ce chapitre, veuillez consulter le site thePoint. I. APER U Les lipides sont un groupe h t rog ne de mol cules organiques insolubles dans l'eau (hydrophobes) (Fig. 15.1). En raison de leur insolubilit dans les solutions aqueuses, les lipides corporels se trouvent g n ralement compartiment s, comme dans le cas des lipides associ s la membrane ou des gouttelettes de triacylglyc rol dans les adipocytes, ou transport s dans le sang en association avec des prot ines, comme dans les particules de lipoprot ines (voir p. 227) ou sur l'albumine. Les lipides sont une source d' nergie majeure pour l'organisme, et ils fournissent galement la barri re hydrophobe qui permet la r partition du contenu aqueux des cellules et des structures subcellulaires. Les lipides remplissent des fonctions suppl mentaires dans le corps (par exemple, certaines vitamines liposolubles ont des fonctions r gulatrices ou coenzymes, et les prostaglandines et les hormones st ro des jouent un r le majeur dans le contr le de l'hom ostasie du corps). Les d ficiences ou les d s quilibres du m tabolisme des lipides peuvent entra ner certains des principaux probl mes cliniques rencontr s par les m decins, tels que l'ath roscl rose, le diab te et l'ob sit . II. DIGESTION, ABSORPTION, S CR TION ET UTILISATION L'apport quotidien moyen en lipides par les adultes am ricains est de ~78 g, dont >90% sont du triacylglyc rol ([TAG], anciennement appel triglyc ride [TG]), qui se compose de trois acides gras (AG) est rifi s dans un squelette glyc rolique (voir Fig. 15.1). Le reste des lipides alimentaires se compose principalement de cholest rol, d'esters cholest riques, de phospholipides et d'acides gras non est rifi s (libres). La digestion des lipides alimentaires commence dans l'estomac et se termine dans l'intestin gr le. Le processus est r sum la figure 15.2. A. Digestion dans l'estomac La digestion des lipides dans l'estomac est limit e. Il est catalys par la lipase linguale qui provient des glandes situ es l'arri re de la langue et la lipase gastrique qui est s cr t e par la muqueuse gastrique. Les deux enzymes sont relativement stables l'acide, avec des valeurs de pH optimales de 4 6. Ces lipases acides hydrolysent les acides gras des mol cules de TAG, en particulier celles qui contiennent des acides gras cha ne courte ou moyenne ( 12 atomes de carbone) tels que ceux que l'on trouve dans la mati re grasse du lait. Par cons quent, ces lipases jouent un r le particuli rement important dans la digestion des lipides chez les nourrissons pour qui la mati re grasse du lait est la principale source de calories. Ils deviennent galement des enzymes digestives importantes chez les personnes atteintes d'insuffisance pancr atique, comme celles atteintes de mucoviscidose. Les lipases linguales et gastriques aident ces patients d grader les mol cules TAG (en particulier ceux atteints d'AF cha ne courte moyenne) malgr une quasi-absence ou une absence totale de lipase pancr atique (voir section D.1. ci-dessous). B. Mucoviscidose La mucoviscidose est la mal
Biochimie_Lippincott	adie g n tique l tale la plus courante chez les Caucasiens d'origine nord-europ enne et a une pr valence de ~1:3 300 naissances aux tats-Unis. La mucoviscidose est une maladie autosomique r cessive caus e par des mutations du g ne de la prot ine r gulateur de la conductance transmembranaire de la mucoviscidose (CFTR) qui fonctionne comme un canal chlorure sur l' pith lium du pancr as, des poumons, des testicules et des glandes sudoripares. Un CFTR d fectueux entra ne une diminution de la s cr tion de chlorure et une augmentation de l'absorption de sodium et d'eau. Dans le pancr as, l' puisement de l'eau la surface des cellules entra ne un mucus paissi qui obstrue les canaux pancr atiques, emp chant les enzymes pancr atiques d'atteindre l'intestin, entra nant ainsi une insuffisance pancr atique. Le traitement comprend le remplacement de ces enzymes et une suppl mentation en vitamines liposolubles. [Remarque : La mucoviscidose provoque galement des infections pulmonaires chroniques avec une maladie pulmonaire progressive et l'infertilit masculine.] C. mulsification dans l'intestin gr leLe processus critique d' mulsification des lipides alimentaires se produit dans le duod num. L' mulsification augmente la surface des gouttelettes lipidiques hydrophobes afin que les enzymes digestives, qui travaillent l'interface de la gouttelette et de la solution aqueuse environnante, puissent agir efficacement. L' mulsification est r alis e par deux m canismes compl mentaires, savoir l'utilisation des propri t s d tergentes des sels biliaires conjugu s et le m lange m canique d au p ristaltisme. Sels biliaires, fabriqu s dans le foie et stock s dans la v sicule biliaire, sont des d riv s amphipathiques du cholest rol (voir p. 224). Les sels biliaires conjugu s sont constitu s d'une structure cyclique de st rols hydroxyl s avec une cha ne lat rale laquelle une mol cule de glycine ou de taurine est attach e de mani re covalente par une liaison amide (Fig. 15.3). Ces agents mulsifiants interagissent avec les gouttelettes lipidiques alimentaires et le contenu duod nal aqueux, stabilisant ainsi les gouttelettes mesure qu'elles deviennent plus petites cause du p ristaltisme et les emp chant de fusionner. [Note : Voir p. 225 pour une discussion plus compl te du m tabolisme des sels biliaires.] D. D gradation par les enzymes pancr atiques Le TAG alimentaire, les esters de cholest rol et les phospholipides sont d grad s (dig r s) enzymatiquement dans l'intestin gr le par les enzymes pancr atiques, dont la s cr tion est contr l e par des hormones. 1. D gradation du triacylglyc rol : Les mol cules de TAG sont trop grosses pour tre absorb es efficacement par les cellules de la muqueuse (ent rocytes) des villosit s intestinales. Par cons quent, ils sont hydrolys s par une est rase, la lipase pancr atique, qui limine pr f rentiellement les FA aux carbones 1 et 3. Les principaux produits de l'hydrolyse sont donc un m lange de 2-monoacylglyc rol (2-MAG) et d'AGL (voir Fig. 15.2). [Remarque : La lipase pancr atique se trouve en fortes concentrations dans les s cr tions pancr atiques (2% 3% de la prot ine totale pr sente), et elle est tr s efficace titre catalytique, garantissant ainsi que seule une d ficience pancr atique s v re, comme celle observ e dans la mucoviscidose, entra ne une malabsorption significative des graisses.] Une deuxi me prot ine, la colipase, galement s cr t e par le pancr as, lie la lipase dans un rapport de 1:1 et l'ancre l'interface lipide-aqueux. La colipase redonne de l'activit la lipase en pr sence de substances inhibitrices comme les sels biliaires qui lient les micelles. [Remarque : La colipase est s cr t e sous forme de zymog ne, la procolipase, qui est activ e dans l'intestin par la trypsine.] L'orlistat, un m dicament anti-ob sit , inhibe les lipases gastriques et pancr atiques, diminuant ainsi l'absorption des graisses, entra nant une perte de poids. 2. D gradation de l'ester cholest rique : La majeure partie du cholest rol alimentaire est pr sente sous forme libre (non est rifi e), avec 10 15 % pr sente sous la forme est rifi e. Les esters cholest ryliques sont hydrolys s par l'hydrolase pancr atique des esters cholest ryliques (cholest rol est rase), qui produit du cholest rol et des AGL (voir Fig. 15.2). L'activit de cette enzyme est consid rablement augment e en pr sence de sels biliaires. 3. D gradation des phospholipides : Le suc pancr atique est riche en proenzyme de la phospholipase A2 qui, comme la procolipase, est activ e par la trypsine et, comme l'hydrolase d'ester de cholest ryle, n cessite des sels biliaires pour une activit optimale. La phospholipase A2 limine un FA du carbone 2 d'un phospholipide, laissant un lysophospholipide. Par exemple, la phosphatidylcholine (le phospholipide pr dominant de la digestion) devient la lysophosphatidylcholine. Le FA restant au carbone 1 peut tre limin par la lysophospholipase, laissant une base glyc rylphosph
Biochimie_Lippincott	orylique (par exemple, glyc rylphosphorylcholine, voir Fig. 15.2) qui peut tre excr t e dans les f ces, d grad e davantage ou absorb e. 4. Contr le : La s cr tion pancr atique des enzymes hydrolytiques qui d gradent les lipides alimentaires dans l'intestin gr le est contr l e par des hormones (Fig. 15.4). Les cellules de la muqueuse du duod num inf rieur et du j junum produisent l'hormone peptidique chol cystokinine (CCK), en r ponse la pr sence de lipides et de prot ines partiellement dig r es p n trant dans ces r gions de la partie sup rieure de l'intestin gr le. La CCK agit sur la v sicule biliaire (la faisant se contracter et lib rer de la bile, un m lange de sels biliaires, de phospholipides et de cholest rol libre) et sur les cellules exocrines du pancr as (les amenant lib rer des enzymes digestives). Il diminue galement la motilit gastrique, ce qui entra ne une lib ration plus lente du contenu gastrique dans l'intestin gr le (voir p. 353). D'autres cellules intestinales produisent une autre hormone peptidique, la s cr tine, en r ponse au faible pH du chyme entrant dans l'intestin partir de l'estomac. La s cr tine provoque la lib ration par le pancr as d'une solution riche en bicarbonate qui aide neutraliser le pH du contenu intestinal, en l'amenant au pH appropri pour l'activit digestive par les enzymes pancr atiques. E. Absorption par les ent rocytes Les AGL, le cholest rol libre et le 2-MAG sont les principaux produits de la digestion des lipides dans le j junum. Ceux-ci, ainsi que les sels biliaires et les vitamines liposolubles (A, D, E et K), forment des micelles mixtes (c'est- -dire des amas en forme de disque d'un m lange de lipides amphipathiques qui fusionnent avec leurs groupes hydrophobes l'int rieur et leurs groupes hydrophiles l'ext rieur). Par cons quent, les micelles mixtes sont solubles dans l'environnement aqueux de la lumi re intestinale (Fig. 15.5). Ces particules s'approchent du site primaire d'absorption des lipides, la membrane en brosse des ent rocytes. Cette membrane apicale riche en microvillosit s est s par e du contenu liquide de la lumi re intestinale par une couche d'eau non agit e qui se m lange mal avec le liquide en vrac. La surface hydrophile des micelles facilite le transport des lipides hydrophobes travers la couche d'eau non agit e jusqu' la membrane de bordure de brosse o ils sont absorb s. Les sels biliaires sont absorb s dans l'il on terminal, <5 % tant perdus dans les mati res f cales. [Remarque : Par rapport d'autres lipides alimentaires, le cholest rol n'est que faiblement absorb par les ent rocytes. Un traitement m dicamenteux (par exemple, avec de l' z timibe) peut r duire davantage l'absorption du cholest rol dans l'intestin gr le.] Parce que les AF cha ne courte et moyenne sont solubles dans l'eau, ils ne n cessitent pas l'aide de micelles mixtes pour tre absorb s par la muqueuse intestinale. F. Resynth se du triacylglyc rol et de l'ester de cholest ryle Le m lange de lipides absorb par les ent rocytes migre vers le r ticulum endoplasmique lisse (SER) o a lieu la biosynth se des lipides complexes. Les acides gras longue cha ne sont d'abord convertis en leur forme activ e par la coenzyme acyle A (CoA) synth tase (thiokinase), comme le montre la figure 15.6. En utilisant les d riv s gras de l'acyl-CoA, le 2-MAG absorb par les ent rocytes est converti en TAG par des r acylations s quentielles par deux acyltransf rases, acyl CoA :monoacylglyc rol acyltransf rase et acyl CoA :diacylglyc rol acyltransf rase. Les lysophospholipides sont r acyl s pour former des phospholipides par une famille d'acyltransf rases, et le cholest rol est acyl principalement par l'acyl CoA :cholest rol acyltransf rase (voir p. 232). [Remarque : Pratiquement tous les AF longue cha ne qui p n trent dans les ent rocytes sont utilis s de cette mani re pour former le TAG, les phospholipides et les esters de cholest ryle. Les FA cha ne courte et moyenne ne sont pas convertis en leurs d riv s CoA et ne sont pas r est rifi s en 2-MAG. Au lieu de cela, ils sont lib r s dans la circulation porte, o ils sont transport s par l'albumine s rique vers le foie.] G. Malabsorption des lipides La malabsorption des lipides, entra nant une augmentation des lipides (y compris les vitamines liposolubles et les acides gras essentiels, voir p. 182) dans les f ces, une affection connue sous le nom de st atorrh e, peut tre caus e par des perturbations de la digestion et/ou de l'absorption des lipides (Fig. 15.7). De tels troubles peuvent r sulter de plusieurs affections, notamment la mucoviscidose (entra nant une mauvaise digestion) et le syndrome de l'intestin court (entra nant une diminution de l'absorption). La capacit des AF cha ne courte et moyenne tre absorb e par les ent rocytes sans l'aide de micelles mixtes les a rendus importants dans la th rapie nutritionnelle m dicale pour les personnes atteintes de troubles de malabsorption. H. S cr tion d'ent r
Biochimie_Lippincott	ocytes Les esters TAG et cholest raux nouvellement resynth tis s sont tr s hydrophobes et s'agr gent dans un environnement aqueux. Par cons quent, ils doivent tre emball s sous forme de particules de gouttelettes lipidiques entour es d'une fine couche compos e de phospholipides, de cholest rol non est rifi et d'une mol cule de la prot ine apolipoprot ine (apo) B-48 (voir p. 228). Cette couche stabilise la particule et augmente sa solubilit , emp chant ainsi plusieurs particules de fusionner. [Remarque : La prot ine de transfert de triglyc rides microsomiques est essentielle l'assemblage de toutes les particules contenant de l'apo B riches en TAG dans le RE (voir p. 228).] Les particules de lipoprot ines sont lib r es par exocytose des ent rocytes dans les lact es (vaisseaux lymphatiques dans les villosit s de l'intestin gr le). Le La pr sence de ces particules dans la lymphe apr s un repas riche en lipides lui donne un aspect laiteux. Cette lymphe est appel e chyle (par opposition au chyme, le nom donn la masse semi-fluide des aliments partiellement dig r s qui passe de l'estomac au duod num), et les particules sont appel es chylomicrons. Les chylomicrons suivent le syst me lymphatique jusqu'au canal thoracique et sont ensuite achemin s vers la veine sous-clavi re gauche, o ils p n trent dans le sang. Les tapes de la production des chylomicrons sont r sum es la figure 15.6. [Remarque : Une fois lib r s dans le sang, les chylomicrons naissants (immatures) captent les apolipoprot ines E et C-II des lipoprot ines de haute densit et m rissent. (Pour une description plus d taill e de la structure et du m tabolisme du chylomicron, voir p. 227.)] I. Utilisation par les tissus La majeure partie du TAG contenu dans les chylomicrons est d compos e dans les lits capillaires des muscles squelettiques et cardiaques et du tissu adipeux. Le TAG est d grad en FFA et en glyc rol par la lipoprot ine lipase (LPL). Cette enzyme est synth tis e et s cr t e principalement par les adipocytes et les cellules musculaires. La LPL s cr t e est ancr e la surface luminale des cellules endoth liales dans les capillaires des tissus musculaires et adipeux. [Remarque : La chylomicron mie familiale (hyperlipoprot in mie de type I) est une maladie autosomique r cessive rare caus e par un d ficit en LPL ou en sa coenzyme apo C-II (voir p. 228). Le r sultat est une chylomicron mie jeun et une hypertriacylglyc rol mie s v re, qui peut provoquer une pancr atite.] 1. Devenir des acides gras libres : Les AGL issus de l'hydrolyse du TAG peuvent soit p n trer directement dans les cellules musculaires et les adipocytes adjacents, soit tre transport s dans le sang en association avec l'albumine s rique jusqu' ce qu'ils soient absorb s par les cellules. [Remarque : L'albumine s rique humaine est une grande prot ine s cr t e par le foie. Il transporte un certain nombre de compos s principalement hydrophobes dans la circulation, y compris le FFA et certains m dicaments.] La plupart des cellules peuvent oxyder l'AF pour produire de l' nergie (voir p. 190). Les adipocytes peuvent galement r esterifier les FFA pour produire des mol cules de TAG, qui sont stock es jusqu' ce que les FA soient n cessaires l'organisme (voir p. 188). 2. Devenir du glyc rol : Le glyc rol lib r par le TAG est absorb dans le sang et phosphoryl par la glyc rol kinase h patique pour produire du glyc rol 3phosphate, qui peut entrer dans la glycolyse ou la glucon ogen se par oxydation en phosphate de dihydroxyac tone (voir p. 101) ou tre utilis dans la synth se du TAG (voir p. 189). 3. Devenir des restes de chylomicrons : Une fois que la majeure partie du TAG a t retir e, les restes de chylomicron (qui contiennent des esters cholest ryliques, des phospholipides, des apolipoprot ines, des vitamines liposolubles et une petite quantit de TAG) se lient des r cepteurs sur le foie (apo E est le ligand ; voir p. 229) et sont endocytos s. Les restes intracellulaires sont hydrolys s en leurs composants. Le cholest rol et les bases azot es des phospholipides (par exemple, la choline) peuvent tre recycl s par l'organisme. [Remarque : Si l' limination des restes par le foie est diminu e en raison d'une liaison alt r e leur r cepteur, ils s'accumulent dans le plasma. C'est ce que l'on observe dans la rare hyperlipoprot in mie de type III ( galement appel e dysb talipoprot in mie familiale ou maladie b ta large, voir p. 231).] III. R SUM DU CHAPITRE La digestion des lipides alimentaires commence dans l'estomac et se poursuit dans l'intestin gr le (Fig. 15.8). Les esters de cholest rol, les phospholipides et les triacylglyc rols (TAG) contenant des acides gras (AG) longue cha ne sont d grad s dans l'intestin gr le par les enzymes pancr atiques. Les plus importantes de ces enzymes sont l'est rase de cholest rol, la phospholipase A2 et la lipase pancr atique. Dans la mucoviscidose, le mucus paissi emp che ces enzymes d'atteindre l'intestin. En revanch
Biochimie_Lippincott	e, les TAG dans la mati re grasse du lait contiennent des AF cha ne courte moyenne et sont d grad s dans l'estomac par des lipases acides (lipase linguale). et lipase gastrique). La nature hydrophobe des lipides n cessite que les lipides alimentaires soient mulsionn s pour une d gradation efficace. L' mulsification se produit dans l'intestin gr le par l'action p ristaltique (m lange m canique) et les sels biliaires (d tergents). Les principaux produits de la d gradation des lipides alimentaires sont le 2monoacylglyc rol, le cholest rol non est rifi (libre) et l'AF libre. Ces compos s, ainsi que les vitamines liposolubles, forment des micelles mixtes qui facilitent l'absorption des lipides alimentaires par les cellules de la muqueuse intestinale (ent rocytes). Ces cellules utilisent l'AF longue cha ne activ e pour r g n rer les esters de TAG et de cholest ryle et synth tiser galement des prot ines (apolipoprot ine [apo] B-48), qui sont ensuite assembl es avec les vitamines liposolubles en particules lipoprot iques appel es chylomicrons. Les AF cha ne courte et moyenne p n trent directement dans le sang. Les chylomicrons sont d'abord lib r s dans la lymphe, puis dans le sang, o leur noyau lipidique est d grad par la lipoprot ine lipase (avec l'apo C-II comme coenzyme) dans les capillaires des tissus musculaires et adipeux. Ainsi, les lipides alimentaires sont mis la disposition des tissus p riph riques. La maldigestion ou la malabsorption des graisses provoque une st atorrh e (lipide dans les selles). Une d ficience dans la capacit de d grader les composants du chylomicron, ou d' liminer les restes de chylomicron apr s la d gradation du TAG, entra ne l'accumulation de ces particules dans le sang. Choisissez UNE meilleure r ponse.5.1. Laquelle des affirmations suivantes sur la digestion des lipides est correcte ? R. Les grosses gouttelettes lipidiques sont mulsionn es (leur surface augment e) dans la bouche par l'acte de mastication (mastication). B. L'enzyme colipase facilite la liaison des sels biliaires aux micelles mixtes, maximisant ainsi l'activit de la lipase pancr atique. C. L'hormone peptidique s cr tine provoque la contraction de la v sicule biliaire et la lib ration de la bile. D. Les patients atteints de mucoviscidose ont des difficult s dig rer parce que leurs s cr tions pancr atiques sont moins capables d'atteindre l'intestin gr le, le principal site de digestion des lipides. E. La formation de chylomicrons riches en triacylglyc rols est ind pendante de la synth se des prot ines dans la muqueuse intestinale. Bonne r ponse = D. Les patients atteints de mucoviscidose, une maladie g n tique entra nant une d ficience d'un transporteur de chlorure fonctionnel, ont un mucus paissi qui entrave la circulation des enzymes pancr atiques dans le duod num. L' mulsification se produit par le p ristaltisme, qui fournit un m lange m canique, et les sels biliaires qui fonctionnent comme des d tergents. La colipase redonne de l'activit la lipase pancr atique en pr sence de sels biliaires inhibiteurs qui lient les micelles. La chol cystokinine est l'hormone qui provoque la contraction de la v sicule biliaire et la lib ration de la bile stock e, et la s cr tine provoque la lib ration de bicarbonate. La formation de chylomicrons n cessite la synth se de l'apolipoprot ine B-48. 5.2. Laquelle des affirmations suivantes sur l'absorption des lipides par l'intestin est correcte ?A. Le triacylglyc rol alimentaire doit tre compl tement hydrolys en acides gras libres et en glyc rol avant d' tre absorb . B. Le triacylglyc rol transport par les chylomicrons est d grad par la lipoprot ine lipase, produisant des acides gras qui sont absorb s par les tissus musculaires et adipeux et du glyc rol qui est absorb par le foie. C. Les acides gras qui contiennent 12 atomes de carbone sont absorb s et p n trent dans la circulation principalement via le syst me lymphatique. D. Les d ficiences dans la capacit d'absorption des graisses entra nent des quantit s excessives de chylomicrons dans le sang. Bonne r ponse = B. Les triacylglyc rols (TAG) dans les chylomicrons sont d grad s en acides gras (AG) et en glyc rol par la lipoprot ine lipase sur les surfaces endoth liales capillaires dans les tissus musculaires et adipeux, fournissant ainsi une source d'AF ces tissus pour la d gradation ou le stockage et fournissant du glyc rol pour le m tabolisme h patique. Dans le duod num, les TAG sont d grad s en un 2-monoacylglyc rol + deux FA libres qui sont absorb s. Les AF cha ne moyenne et courte p n trent directement dans le sang (pas dans la lymphe), et ils ne n cessitent pas de micelles et ne sont pas emball s dans des chylomicrons. Parce que les chylomicrons contiennent des lipides alimentaires qui ont t dig r s et absorb s, un d faut d'absorption des graisses entra nerait une diminution de la production de chylomicrons. M tabolisme des acides gras, du triacylglyc rol et des corps c toniques 1
Biochimie_Lippincott	6Pour des documents auxiliaires suppl mentaires li s ce chapitre, veuillez visiter thePoint. I. APER U Les acides gras existent libres dans le corps (c'est- -dire qu'ils ne sont pas est rifi s) et sous forme d'esters d'acyle gras dans des mol cules plus complexes telles que les triacylglyc rols (TAG). De faibles niveaux d'acides gras libres (AGL) sont pr sents dans tous les tissus, mais des quantit s substantielles peuvent parfois tre trouv es dans le plasma, en particulier pendant le je ne. Les AGL plasmatiques (transport s par l'albumine s rique) sont en route depuis leur point d'origine (TAG du tissu adipeux ou des lipoprot ines circulantes) jusqu' leur lieu de consommation (la plupart des tissus). Les AGL peuvent tre oxyd s par de nombreux tissus, en particulier le foie et les muscles, pour fournir de l' nergie et, dans le foie, pour fournir le substrat n cessaire la synth se des corps c toniques. Les acides gras sont galement des composants structurels des lipides membranaires, tels que les phospholipides et les glycolipides (voir p. 201). Les acides gras attach s certaines prot ines am liorent la capacit de ces prot ines s'associer aux membranes (voir p. 206). Les acides gras sont galement des pr curseurs des prostaglandines de type hormonal (voir p. 213). Les acides gras est rifi s, sous forme de TAG stock dans le tissu adipeux blanc (WAT), constituent la principale r serve d' nergie de l'organisme. Les alt rations du m tabolisme des acides gras sont associ es l'ob sit et au diab te. La figure 16.1 illustre les voies m taboliques de la synth se et de la d gradation des acides gras et leur relation avec le m tabolisme des glucides. II. STRUCTURE DES ACIDES GRAS Un acide gras est constitu d'une cha ne hydrocarbon e hydrophobe avec un groupe carboxyle terminal qui a un pKa (voir p. 6) de ~4,8 (Fig. 16.2). Au pH physiologique, le groupe carboxyle terminal ( COOH) s'ionise, devenant COO . [Remarque : Lorsque le pH est sup rieur au pK, la forme d proton e pr domine (voir p. 7).] Ce groupe anionique a une affinit pour l'eau, ce qui donne l'acide gras sa nature amphipathique (ayant la fois une r gion hydrophile et une r gion hydrophobe). Cependant, pour les acides gras longue cha ne (AGLC), la partie hydrophobe est pr dominante. Ces mol cules sont tr s insolubles dans l'eau et doivent tre transport es dans la circulation en association avec les prot ines. Plus de 90 % des acides gras pr sents dans le plasma se pr sentent sous forme d'esters d'acides gras (principalement TAG, esters de cholest rol et phospholipides) contenus dans les particules de lipoprot ines circulantes (voir p. 227). Les AGL sont transport s dans la circulation en association avec l'albumine, la prot ine la plus abondante dans le s rum. A. Saturation en acides gras Les cha nes d'acides gras peuvent ne pas contenir de doubles liaisons (c'est- -dire tre satur es) ou contenir une ou plusieurs doubles liaisons (c'est- -dire tre mono ou polyinsatur es). Chez l'homme, la majorit sont satur s ou monoinsatur s. Lorsque des doubles liaisons sont pr sentes, elles sont presque toujours dans la configuration cis plut t que dans la configuration trans. L'introduction d'une double liaison cis provoque la flexion ou la flexion de l'acide gras cette position (Fig. 16.3). Si l'acide gras a deux doubles liaisons ou plus, elles sont toujours espac es trois atomes de carbone. [Remarque : En g n ral, l'ajout de doubles liaisons diminue la temp rature de fusion (Tm) d'un acide gras, tandis que l'augmentation de la longueur de la cha ne augmente la Tm. tant donn que les lipides membranaires contiennent g n ralement des AGLC, la pr sence de doubles liaisons dans certains acides gras aide maintenir la nature fluide de ces lipides. Voir p. 363 pour une discussion sur la pr sence alimentaire des acides gras insatur s cis et trans.] B. Longueur de la cha ne d'acides gras et positions de double liaison Les noms communs et les structures de certains acides gras d'importance physiologique sont num r s la figure 16.4. Chez l'homme, les acides gras avec un nombre pair d'atomes de carbone (16, 18 ou 20) pr dominent, tandis que les acides gras plus longs (>22 atomes de carbone) se trouvent dans le cerveau. Les atomes de carbone sont num rot s, en commen ant par le carbone carbonyle comme carbone 1. Le nombre avant les deux-points indique le nombre de carbones dans la cha ne, et ceux apr s les deux-points indiquent les nombres et les positions (par rapport l'extr mit carboxyle) des doubles liaisons. Par exemple, comme l'indique la figure 16.4, l'acide arachidonique, 20:4(5,8,11,14), a une longueur de 20 atomes de carbone et a quatre doubles liaisons (entre les carbones 5-6, 8-9, 11-12 et 14-15). [Remarque : Le carbone 2, le carbone auquel le groupe carboxyle est attach , est galement appel -carbone, le carbone 3 est le carbone et le carbone 4 est le -carbone. Le carbone du groupe m thyle terminal est appel carbone
Biochimie_Lippincott	quelle que soit la longueur de la cha ne.] Les doubles liaisons d'un acide gras peuvent galement tre r f renc es par rapport l'extr mit (m thyle) de la cha ne. L'acide arachidonique est consid r comme un acide gras -6 car la double liaison terminale est six liaisons de l'extr mit (Fig. 16.5A). [Remarque : La d signation quivalente de n-6 peut galement tre utilis e (Fig. 16.5B).] Un autre acide gras -6 est l'acide linol ique essentiel 18:2(9,12). En revanche, l'acide -linol nique, 18:3(9,12,15), est un acide gras -3 essentiel. C. Acides gras essentiels L'acide linol ique, le pr curseur de l'acide arachidonique -6 qui est le substrat de la synth se des prostaglandines (voir p. 213), et l'acide -linol nique, le pr curseur des acides gras -3 qui sont importants pour la croissance et le d veloppement, sont des l ments essentiels de l'alimentation chez l'homme car nous manquons des enzymes n cessaires pour les synth tiser. Les plantes nous fournissent ces acides gras essentiels. [Remarque : L'acide arachidonique devient essentiel si l'acide linol ique est d ficient dans l'alimentation. Voir p. 362 pour une discussion sur la signification nutritionnelle des acides gras -3 et -6.] Une carence en acides gras essentiels (rare) peut entra ner une dermatite s che et squameuse en raison d'une incapacit synth tiser des mol cules qui fournissent la barri re d'eau dans la peau (voir p. 206). III. SYNTH SE DE NOVO DES ACIDES GRAS Les glucides et les prot ines obtenus partir de l'alimentation en exc s des besoins de l'organisme pour ces nutriments peuvent tre convertis en acides gras. Chez l'adulte, la synth se de novo des acides gras se produit principalement dans le foie et les glandes mammaires allaitantes et, dans une moindre mesure, dans le tissu adipeux. Ce processus cytosolique est endergonique (voir p. 70) et r ducteur. Il incorpore les carbones de l'ac tyl coenzyme A (CoA) dans la cha ne d'acides gras en croissance, en utilisant l'ATP et le nicotinamide ad nine dinucl otide phosphate r duit (NADPH). [Remarque : Les TAG alimentaires fournissent galement des acides gras. Voir p. 321 pour une discussion sur le m tabolisme des nutriments alimentaires l' tat bien nourri.] A. Production d'ac tylCoA cytosolique La premi re tape de la synth se des acides gras est le transfert d'unit s d'ac tate de l'ac tyl CoA mitochondrial vers le cytosol. L'ac tylCoA mitochondrial est produit par l'oxydation du pyruvate (voir p. 109) et par le catabolisme de certains acides amin s (voir p. 266). Cependant, la partie CoA de l'ac tyl-CoA ne peut pas traverser la membrane mitochondriale interne, et seule la partie ac tyle p n tre dans le cytosol. Il le fait dans le cadre du citrate produit par la condensation de l'ac tyl CoA avec de l'oxaloac tate (OAA) par la citrate synthase (Fig. 16.6). [Remarque : Le transport du citrate vers le cytosol se produit lorsque la concentration de citrate mitochondrial est lev e. Ceci est observ lorsque l'isocitrate d shydrog nase du cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) est inhib e par la pr sence de grandes quantit s d'ATP, provoquant l'accumulation de citrate et d'isocitrate (voir p. 112). Par cons quent, le citrate cytosolique peut tre consid r comme un signal de haute nergie. Parce qu'une grande quantit d'ATP est n cessaire pour la synth se des acides gras, l'augmentation de l'ATP et du citrate am liore cette voie.] Dans le cytosol, le citrate est cliv en OAA et en ac tyl CoA par la citrate lyase ATP. B. Carboxylation de l'ac tyl-CoA en malonyl-CoA L' nergie n cessaire aux condensations carbone-carbone dans la synth se des acides gras est fournie par la carboxylation puis la d carboxylation des groupes acyles dans le cytosol. La carboxylation de l'ac tyl CoA en malonyl CoA est catalys e par l'ac tyl CoA carboxylase (ACC) (Fig. 16.7). L'ACC transf re le dioxyde de carbone (CO2) du bicarbonate ( ) dans une r action n cessitant de l'ATP. La coenzyme est la biotine (vitamine B7), qui est li e de mani re covalente un r sidu lysyle de la carboxylase (voir Fig. 28.16, p. 385). L'ACC carboxyle la biotine li e, qui transf re le groupe carboxyle activ l'ac tyl-CoA. ac tylCoAcarboxylase. Diphosphate. 1. R gulation court terme de l'ac tyl CoA carboxylase : Cette carboxylation est la fois l' tape limitant le taux et l' tape r gul e de la synth se des acides gras (voir Fig. 16.7). La forme inactive de l'ACC est un protom re (complexe de 2 polypeptides). L'enzyme est activ e allost riquement par le citrate, qui provoque la polym risation des protom res, et osmos e par le palmitoyl-CoA (le produit final de la voie), qui provoque la d polym risation. Un deuxi me m canisme de r gulation court terme est la phosphorylation r versible. L'ad nosine monophosphate-activ e prot ine kinase (AMPK) phosphoryle et inactive l'ACC. L'AMPK elle-m me est activ e allost riquement par l'AMP et de mani re covalente par phosphorylation via plusieurs kinases. Au moins une de
Biochimie_Lippincott	ces kinases AMPK est activ e par la prot ine kinase A (PKA) d pendante de l'AMP cyclique. Ainsi, en pr sence d'hormones contre-r gulatrices, telles que l' pin phrine et le glucagon, l'ACC est phosphoryl et inactif (Fig. 16.8). En pr sence d'insuline, l'ACC est d phosphoryl et actif. [Note : Ceci est analogue la r gulation de la glycog ne synthase (voir p. 131).] lui-m me est r gul la fois de mani re covalente et allost rique. CoA = coenzyme A ; Phosphate ADP. 2. R gulation long terme de l'ac tyl CoA carboxylase : La consommation prolong e d'un r gime contenant des calories en exc s (en particulier les r gimes riches en glucides et faibles en gras) provoque une augmentation de la synth se de l'ACC, augmentant ainsi la synth se des acides gras. Un r gime hypocalorique ou riche en graisses et pauvre en glucides a l'effet inverse. [Remarque : La synth se de l'ACC est r gul e la hausse par les glucides (en particulier le glucose) via le facteur de transcription ChREBP (ChREBP) et par l'insuline via la prot ine 1c de liaison l' l ment r gulateur de st rols du facteur de transcription (SREBP-1c). L'acide gras synthase (voir C. ci-dessous) est r gul de la m me mani re. La fonction et la r gulation du SREBP sont d crites la p. 222.] La metformine, utilis e dans le traitement du diab te de type 2, abaisse le TAG plasmatique par l'activation de l'AMPK, ce qui entra ne l'inhibition de l'activit de l'ACC (par phosphorylation) et l'inhibition de l'expression de l'ACC et de l'acide gras synthase (en diminuant la SREBP-1c). La metformine abaisse la glyc mie en augmentant l'absorption de glucose par les muscles. C. Acide gras synthase eucaryote La s rie restante de r actions de synth se des acides gras chez les eucaryotes est catalys e par l'enzyme homodim rique multifonctionnelle synthase d'acide gras (FAS). Le processus implique l'ajout de deux carbones de malonyl CoA l'extr mit carboxyle d'une s rie d'accepteurs d'acyle. Chaque monom re du SAF est un polypeptide multicatalytique avec six domaines enzymatiques diff rents plus un domaine de prot ine acyle porteuse (ACP) contenant 4 phosphopantetheine. La 4-Phosphopanteth ine, un d riv de l'acide pantoth nique (vitamine B5, voir p. 10). 385), porte des unit s acyles sur son groupe thiol terminal ( SH) et les pr sente aux domaines catalytiques du SAF lors de la synth se des acides gras. C'est aussi une composante de la CoA. [Remarque : Chez les procaryotes, le SAF est un complexe multienzymatique.] Les num ros de r action entre parenth ses ci-dessous se rapportent la figure 16.9. phosphate d'ad nine dinucl otide. 1. Un groupe ac tyle est transf r de l'ac tyle CoA au groupe SH de l'ACP. Domaine : Malonyl/ac tyl CoA ACP transacylase. 2. Ensuite, ce fragment deux atomes de carbone est transf r vers un site de maintien temporaire, le groupe SH d'un r sidu de cyst ine sur le domaine de l'enzyme de condensation (voir [4] ci-dessous). 3. L'ACP, d sormais vacant, accepte un groupe malonyle trois atomes de carbone du malonyl CoA. Domaine : Malonyl/ac tyl CoA-ACP transacylase. 4. Le groupe ac tyle sur le r sidu cyst ine se condense avec le groupe malonyle sur l'ACP lorsque le CO2 ajout l'origine par ACC est lib r . Le r sultat est une unit quatre carbones attach e au domaine ACP. La perte d' nergie libre due la d carboxylation entra ne la r action. Domaine : 3Ketoacyl ACP synthase, galement connue sous le nom d'enzyme de condensation. Les trois r actions suivantes convertissent le groupe 3-c toacyle en groupe acyle satur correspondant par une paire de r ductions n cessitant du NADPH et une tape de d shydratation. 1. Le groupe c to est r duit un alcool. Domaine : 3-c toacyl-ACP r ductase. 2. Une mol cule d'eau est retir e, cr ant une double liaison trans entre les carbones 2 et 3 (les carbones et ). Domaine : 3-hydroxyacyl-ACP d shydratase. 3. Le double lien est r duit. Domaine : Enoyl-ACP r ductase. Cette s quence d' tapes aboutit la production d'un groupe quatre atomes de carbone (butyryle) dont les trois carbones terminaux sont enti rement satur s et qui reste attach au domaine ACP. Les tapes sont r p t es (indiqu es par un ast risque), en commen ant par le transfert de l'unit butyryle de l'ACP au r sidu cyst ine [2], la fixation d'un groupe malonyle l'ACP [3] et la condensation des deux groupes lib rant du CO2 [4]. Le groupe carbonyle au niveau du carbone (carbone 3, le troisi me carbone du soufre) est ensuite r duit [5], d shydrat [6] et r duit [7], g n rant de l'hexanoyl-ACP. Ce cycle de r actions est r p t cinq fois de plus, en incorporant chaque fois une unit deux atomes de carbone (d riv e du malonyl CoA) dans la cha ne d'acides gras en croissance l'extr mit carboxyle. Lorsque l'acide gras atteint une longueur de 16 carbones, le processus de synth se se termine par du palmitoyl-S-ACP. [Remarque : Des acides gras de plus courte longueur sont produits dans la glande mammaire allaitante.]
Biochimie_Lippincott	La palmitoyl thioest rase, l'activit catalytique finale du SAF, clive la liaison thioester, lib rant une mol cule de palmitate enti rement satur e (16:0). [Remarque : Tous les carbones de l'acide palmitique sont pass s par le malonyl-CoA, l'exception des deux donn s par l'ac tyl-CoA original (le premier accepteur d'acyle), qui se trouvent l'extr mit m thyle ( ) de l'acide gras. Cela souligne la nature limitative de la r action ACC.] D. Sources r ductrices La synth se d'un palmitate n cessite du 14 NADPH, un r ducteur (agent r ducteur). La voie du pentose phosphate (voir p. 145) est un fournisseur majeur du NADPH. Deux NADPH sont produits pour chaque mol cule de glucose 6phosphate qui entre dans cette voie. La conversion cytosolique du malate en pyruvate, dans laquelle le malate est oxyd et d carboxyl par l'enzyme malique cytosolique (malate d shydrog nase d pendante du NADP+), produit galement du NADPH cytosolique (et du CO2), comme le montre la figure 16.10. [Remarque : Le malate peut r sulter de la r duction de l'OAA par la malate d shydrog nase cytosolique d pendante du NADH (voir Fig. 16.10). L'une des sources de NADH cytosolique n cessaire cette r action est la glycolyse (voir p. 101). L'OAA, son tour, peut r sulter du clivage du citrate par la citrate lyase ATP.] La figure 16.11 r sume l'interrelation entre le m tabolisme du glucose et la synth se du palmitate. acide tricarboxylique ; PC = pyruvate carboxylase ; PDH = pyruvate d shydrog nase. E. Allongement suppl mentaire Bien que le palmitate, un AGCL 16 carbones enti rement satur (16:0), soit le principal produit final de l'activit du SAF, il peut tre allong davantage par l'ajout d'unit s deux atomes de carbone l'extr mit carboxylate, principalement dans le r ticulum endoplasmique lisse (SER). L'allongement n cessite un syst me d'enzymes distinctes plut t qu'une enzyme multifonctionnelle. Le malonyl CoA est le donneur de deux carbones, et le NADPH fournit les lectrons. Le cerveau a des capacit s d' longation suppl mentaires, ce qui lui permet de produire les acides gras tr s longue cha ne ([VLCFA] sur 22 carbones) qui sont n cessaires la synth se des lipides c r braux. F. D saturation en cha ne Les enzymes (acyl CoA d saturases grasses) galement pr sentes dans le SER sont responsables de la d saturation des AGLC (c'est- -dire de l'ajout de doubles liaisons cis). Les r actions de d saturation n cessitent de l'oxyg ne (O2), du NADH, du cytochrome b5 et de la r ductase li e la flavine ad nine dinucl otide (FAD). L'acide gras et le Le NADH s'oxyde mesure que l'O2 se r duit en H2O. La premi re double liaison est g n ralement ins r e entre les carbones 9 et 10, produisant principalement de l'acide ol ique, 18:1(9), et de petites quantit s d'acide palmitol ique, 16:1(9). Une vari t d'acides gras polyinsatur s peut tre obtenue par une d saturation suppl mentaire combin e un allongement. Les humains ont des d saturases de carbone 9, 6, 5 et 4, mais n'ont pas la capacit d'introduire des doubles liaisons du carbone 10 l'extr mit de la cha ne. C'est la base de l'essentialit nutritionnelle de l'acide linol ique polyinsatur -6 et de l'acide linol nique -3. G. Stockage en tant que composants du triacylglyc rol Les mono-, di- et triacylglyc rols sont constitu s d'une, deux ou trois mol cules d'acide gras est rifi es en une mol cule de glyc rol. Les acides gras sont est rifi s par leurs groupes carboxyles, ce qui entra ne une perte de charge n gative et la formation de graisse neutre. [Remarque : Un acylglyc rol qui est solide temp rature ambiante est appel une graisse. S'il est liquide, c'est une huile.] 1. Agencement : Les trois acides gras est rifi s en une mol cule de glyc rol pour former un TAG ne sont g n ralement pas du m me type. L'acide gras du carbone 1 est g n ralement satur , celui du carbone 2 est g n ralement insatur et celui du carbone 3 peut tre l'un ou l'autre. Rappelons que la pr sence du ou des acides gras insatur s diminue la Tm du lipide. La Figure 16.12 donne l'exemple d'une mol cule TAG. 2. Stockage et fonction des triacylglyc rols : Parce que les TAG ne sont que l g rement solubles dans l'eau et ne peuvent pas former de micelles stables par eux-m mes, ils fusionnent dans les adipocytes blancs pour former de grosses gouttelettes huileuses qui sont presque anhydre. Ces gouttelettes lipidiques cytosoliques constituent la principale r serve d' nergie de l'organisme. [Remarque : Les TAG stock s dans les adipocytes bruns servent de source de chaleur par thermogen se non frissonnante (voir p. 79).] 3. Synth se du glyc rol 3-phosphate : Le glyc rol 3-phosphate est le premier accepteur des acides gras lors de la synth se du TAG. Il existe deux voies principales pour sa production (Fig. 16.13). [Note : Un troisi me processus (glyc ron ogen se) est d crit la p. 190.] Dans le foie (le site primaire de la synth se du TAG) et le tissu adipeux, le glyc rol 3-phosphate peut tre produit p
Biochimie_Lippincott	artir du glucose, en utilisant d'abord les r actions de la voie glycolytique pour produire du phosphate de dihydroxyac tone ([DHAP], voir p. 101). La DHAP est r duite par la glyc rol 3-phosphate d shydrog nase en glyc rol 3phosphate. Une deuxi me voie trouv e dans le foie, mais pas dans le tissu adipeux, utilise la glyc rol kinase pour convertir le glyc rol libre en glyc rol 3phosphate (voir Fig. 16.13). [Remarque : Le transporteur de glucose dans les adipocytes (GLUT-4) est insulino-d pendant (voir p. 312). Ainsi, lorsque les taux de glucose plasmatique sont bas, les adipocytes n'ont qu'une capacit limit e synth tiser le phosphate de glyc rol et ne peuvent pas produire de TAG de novo.] 4. Activation des acides gras : Un acide gras libre doit tre converti en sa forme activ e (li e au CoA par un lien thioester) avant de pouvoir participer des processus m taboliques tels que la synth se de TAG. Cette r action, illustr e la figure 15.6 la p. 177, est catalys e par une famille d'acyles CoA synth tases grasses (thiokinases). 5. Synth se du triacylglyc rol : Cette voie du glyc rol 3-phosphate implique quatre r actions, illustr es la Figure 16.14. Il s'agit notamment de l'ajout s quentiel de deux acides gras partir de l'acyl CoA gras, de l' limination du phosphate et de l'ajout du troisi me acide gras. H. Devenir du triacylglyc rol dans le foie et le tissu adipeux Dans le WAT, le TAG est stock sous une forme presque anhydre sous forme de gouttelettes de graisse dans le cytosol des cellules. Il sert de graisse de d p t , pr te tre mobilis e lorsque le corps en a besoin comme carburant. Little TAG est stock dans le foie sain. Au lieu de cela, la majeure partie est export e, emball e avec d'autres lipides et apolipoprot ines pour former des particules de lipoprot ines appel es lipoprot ines de tr s basse densit (VLDL). Les VLDL naissants sont s cr t s directement dans le sang o ils m rissent et fonctionnent pour d livrer les lipides d riv s de l'endog ne aux tissus p riph riques. [Remarque : Rappelez-vous du chapitre 15 que les chylomicrons transportent des lipides alimentaires (d'origine exog ne). Les lipoprot ines plasmatiques sont abord es au chapitre 18.] IV. MOBILISATION DES GRAISSES ET OXYDATION DES ACIDES GRAS Les acides gras stock s dans le WAT, sous forme de TAG neutre, constituent la principale r serve de stockage de carburant de l'organisme. Les TAG fournissent des r serves concentr es d' nergie m tabolique car elles sont fortement r duites et largement anhydres. Le rendement de l'oxydation compl te des acides gras en CO2 et H2O est de 9 kcal/g de mati res grasses (contre 4 kcal/g de prot ines ou de glucides, voir Fig. 27.5 la p. 359). A. Lib ration d'acides gras partir des graisses La mobilisation des graisses stock es n cessite la lib ration hydrolytique d'AGL et de glyc rol partir de leur forme TAG. Ce processus de lipolyse est r alis par les lipases. Elle est initi e par la triglyc ride lipase adipeuse (ATGL), qui g n re un diacylglyc rol qui est le substrat privil gi de la lipase hormono-sensible (HSL). Le produit monoacylglyc rol (MAG) de HSL est agi par la MAG lipase. 1. R gulation de la lipase hormonosensible : HSL est active lorsqu'elle est phosphoryl e par la PKA, une prot ine kinase d pendante de l'AMPc. L'AMPc est produite dans l'adipocyte lorsque les cat cholamines (comme l' pin phrine) se lient la membrane cellulaire aux r cepteurs adr nergiques et activent l'ad nylyl cyclase (Fig. 16.15). Le processus est similaire celui de l'activation de la glycog ne phosphorylase (voir Fig. 11.9, p. 131). [Remarque : Parce que l'ACC est inhib par phosphorylation dirig e par l'hormone, lorsque la cascade m di e par l'AMPc est activ e (voir Fig. 16.8), la synth se des acides gras est d sactiv e et la d gradation du TAG est activ e.] En pr sence de taux plasmatiques lev s d'insuline, la HSL est d phosphoryl e et inactiv e. L'insuline supprime galement l'expression de l'ATGL. [Remarque : Les gouttelettes de graisse sont enrob es d'une prot ine (p rilipine) qui limite l'acc s au HSL. La phosphorylation de la p rilipine par PKA permet la translocation et la liaison de la HSL phosphoryl e la gouttelette.] Pyrophosphate; ADP = ad nosine diphosphate ; = phosphate. 2. Devenir du glyc rol : Le glyc rol lib r lors de la d gradation du TAG ne peut pas tre m tabolis par les adipocytes car ils n'ont pas de glyc rol kinase. Au lieu de cela, le glyc rol est transport par le sang vers le foie, qui a la kinase. Le glyc rol-3-phosphate r sultant peut tre utilis pour former du TAG dans le foie ou peut tre converti en DHAP par inversion de la r action du glyc rol 3phosphate d shydrog nase illustr e la figure 16.13. La DHAP peut participer la glycolyse ou la glucon ogen se. 3. Devenir des acides gras : Les AGL traversent la membrane cellulaire de l'adipocyte et se lient l'albumine s rique. Ils sont transport s vers des tissus tels que les muscles, p n tren
Biochimie_Lippincott	t dans les cellules, sont activ s par leurs d riv s de CoA et sont oxyd s pour produire de l' nergie dans les mitochondries. Quels que soient leurs niveaux, les AGL plasmatiques ne peuvent pas tre utilis s comme carburant par les globules rouges (GR), qui n'ont pas de mitochondries. Le cerveau n'utilise pas les acides gras pour l' nergie dans une mesure appr ciable, mais les raisons sont moins claires. [Remarque : Plus de 50 % des acides gras lib r s par le TAG adipeux sont r est rifi s en glyc rol 3phosphate. WAT n'exprime pas la glyc rol kinase, et le glyc rol 3phosphate est produit par glyc ron ogen se, une version incompl te de la glucon ogen se : pyruvate en OAA via pyruvate carboxylase et OAA en phospho nolpyruvate (PEP) via phospho nolpyruvate carboxykinase. La PEP est convertie (par des r actions communes la glycolyse et la glucon ogen se) en DHAP, qui est r duite en glyc rol 3-phosphate. Le processus diminue les AGL plasmatiques, mol cules associ es la r sistance l'insuline dans le diab te de type 2 et l'ob sit (voir p. 343).] B. Oxydation acides gras La principale voie de catabolisme des acides gras est une voie mitochondriale appel e -oxydation, dans laquelle des fragments deux atomes de carbone sont successivement retir s de l'extr mit carboxyle de l'acyle CoA gras, produisant de l'ac tylCoA, du NADH et du FADH2. 1. Transport d'acides gras longue cha ne dans les mitochondries : Une fois qu'un AGLC p n tre dans une cellule, il est converti dans le cytosol en son d riv CoA par l'acyle gras longue cha ne CoA synth tase (thiokinase), une enzyme de la membrane mitochondriale externe. tant donn que la -oxydation se produit dans la matrice mitochondriale, l'acide gras doit tre transport travers la membrane mitochondriale interne qui est imperm able au CoA. Par cons quent, un transporteur sp cialis transporte le groupe acyle longue cha ne du cytosol vers la matrice mitochondriale. Ce vecteur est la carnitine, et ce processus de transport limitant le d bit est appel la navette de la carnitine (Fig. 16.16). un. tapes de translocation : Tout d'abord, le groupe acyle est transf r de la CoA la carnitine par la carnitine palmitoyltransf rase I (CPT-I), une enzyme de la membrane mitochondriale externe. [Remarque : CPT-I est galement connu sous le nom de CAT-I pour carnitine acyltransf rase I.] Cette r action forme une acylcarnitine et r g n re la CoA libre. Deuxi mement, l'acylcarnitine est transport e dans la matrice mitochondriale en change de carnitine libre par la translocase carnitine-acylcarnitine. La carnitine palmitoyltransf rase 2 (CPT-II, ou CAT-II), une enzyme de la membrane mitochondriale interne, catalyse le transfert du groupe acyle de la carnitine au CoA dans la matrice mitochondriale, r g n rant ainsi la carnitine libre. b. Inhibiteur de la navette carnitine : Le malonyl CoA inhibe la CPT-I, emp chant ainsi l'entr e des groupes acyle longue cha ne dans la matrice mitochondriale. Par cons quent, lorsque la synth se des acides gras se produit dans le cytosol (comme l'indique la pr sence de malonyl CoA), le palmitate nouvellement fabriqu ne peut pas tre transf r dans les mitochondries et d grad . [Remarque : Le tissu musculaire, bien qu'il ne synth tise pas d'acides gras, contient l'isoenzyme mitochondriale de l'ACC (ACC2), permettant la r gulation de la oxydation. Le foie contient les deux isoenzymes.] L'oxydation des acides gras est galement r gul e par le rapport ac tyle CoA/CoA : mesure que le rapport augmente, la r action de thiolase n cessitant du CoA diminue (Fig. 16.17). nicotinamide ad nine dinucl otide. c. Sources de carnitine : La carnitine peut tre obtenue partir de l'alimentation, o elle se trouve principalement dans les produits carn s. Il peut galement tre synth tis partir des acides amin s lysine et m thionine par une voie enzymatique trouv e dans le foie et les reins, mais pas dans le muscle squelettique ou cardiaque. Par cons quent, ces derniers tissus sont totalement d pendants de l'absorption de la carnitine fournie par synth se endog ne ou par l'alimentation et distribu e par le sang. [Remarque : le muscle squelettique contient ~97% de toute la carnitine dans le corps.] d. Carences en carnitine : De telles carences entra nent une diminution de la capacit des tissus utiliser les AGLC comme carburant. La carence primaire en carnitine est caus e par des d fauts dans un transporteur membranaire qui emp chent l'absorption de la carnitine par les muscles cardiaques et squelettiques et les reins, provoquant l'excr tion de la carnitine. Le traitement comprend une suppl mentation en carnitine. La carence secondaire en carnitine se produit principalement la suite de d fauts d'oxydation des acides gras conduisant l'accumulation d'acylcarnitines qui sont excr t es dans l'urine, diminuant la disponibilit de la carnitine. Une carence secondaire acquise en carnitine peut tre observ e, par exemple, chez les patients
Biochimie_Lippincott	atteints d'une maladie du foie (diminution de la synth se de la carnitine) ou ceux prenant l'acide valpro que, un m dicament anticonvulsivant (diminution de la r absorption r nale). [Remarque : Les d fauts d'oxydation mitochondriale peuvent galement tre caus s par des d ficiences en CPT-I et CPT-II. La carence en CPT-I affecte le foie, o l'incapacit utiliser les AGLC comme carburant alt re consid rablement la capacit de ce tissu synth tiser le glucose (un processus endergonique) pendant un je ne. Cela peut entra ner une hypoglyc mie s v re, le coma et la mort. Le d ficit en CPT-II peut affecter le foie et les muscles cardiaques et squelettiques. La forme la plus courante (et la moins grave) affecte le muscle squelettique. Il se pr sente sous la forme d'une faiblesse musculaire avec une myoglobin mie apr s un exercice prolong . Le traitement comprend l' vitement du je ne et l'adoption d'un r gime riche en glucides et pauvre en graisses, mais compl t par un TAG cha ne moyenne.] 2. Entr e des acides gras cha ne plus courte dans les mitochondries : Les acides gras 12 carbones peuvent traverser la membrane mitochondriale interne sans l'aide de la carnitine ou du syst me CPT. Une fois l'int rieur des mitochondries, elles sont activ es par des enzymes matricielles pour obtenir leurs d riv s CoA et sont oxyd es. [Remarque : Les acides gras cha ne moyenne sont abondants dans le lait maternel. Parce que leur oxydation ne d pend pas du CPT-I, le malonyl CoA n'est pas inhibiteur.] 3. R actions de -oxydation : Le premier cycle de -oxydation est illustr la Figure 16.17. Il s'agit d'une s quence de quatre r actions impliquant le carbone (carbone 3) qui entra ne un raccourcissement de l'acide gras de deux carbones l'extr mit carboxylate. Les tapes comprennent une oxydation qui produit FADH2, une hydratation, une seconde oxydation qui produit du NADH et un clivage thiolytique CoAd pendant qui lib re une mol cule d'ac tyl CoA. Chaque tape est catalys e par des enzymes ayant une sp cificit de longueur de cha ne. [Remarque : Pour les AGLC, les trois derni res tapes sont catalys es par une prot ine trifonctionnelle.] Ces quatre tapes sont r p t es pour les acides gras satur s de cha nes carbon es paires (n/2) 1 fois (o n est le nombre de carbones), chaque cycle produisant un ac tyl-CoA plus un NADH et un FADH2. Le cycle final produit deux ac tylCoA. L'ac tyl CoA peut tre oxyd ou utilis dans la c togen se h patique (voir V. ci-dessous). Les coenzymes r duites sont oxyd es par le cha ne de transport d' lectrons, le NADH par le complexe I et le FADH2 par la coenzyme Q (voir p. 75). [Remarque : L'ac tyl-CoA est un effecteur allost rique positif de la pyruvate carboxylase (voir p. 119), liant ainsi l'oxydation des acides gras et la glucon ogen se.] 4. Rendement nerg tique de la -oxydation : Le rendement nerg tique de la -oxydation des acides gras est lev . Par exemple, l'oxydation d'une mol cule de palmitoyl CoA en CO2 et H2O produit 8 ac tyl CoA, 7 NADH et 7 FADH2, partir desquels 131 ATP peuvent tre g n r s. Cependant, l'activation de l'acide gras n cessite deux ATP. Par cons quent, le rendement net du palmitate est de 129 ATP (Fig. 16.18). La Figure 16.19 compare les processus de synth se et de d gradation des acides gras satur s longue cha ne avec un nombre pair d'atomes de carbone. ad nine dinucl otide ; NADH = nicotinamide ad nine dinucl otide ; TCA = acide tricarboxylique ; CoQ = coenzyme Q ; CO2 = dioxyde de carbone. 5. D ficit en acyl CoA d shydrog nase grasse cha ne moyenne : Dans les mitochondries, il existe quatre esp ces d'acyl CoA d shydrog nase grasse, chacune ayant une sp cificit distincte mais chevauchante pour les acides gras cha ne courte, moyenne, longue ou tr s longue. Le d ficit en acyl CoA d shydrog nase (MCAD) cha ne moyenne, une maladie autosomique r cessive, est l'erreur inn e la plus courante de -oxydation, tant trouv e dans 1:14 000 naissances dans le monde, avec une incidence plus lev e chez les Caucasiens d'origine nord-europ enne. Il en r sulte une diminution de la capacit d'oxyder les acides gras avec six dix atomes de carbone (qui s'accumulent et peuvent tre mesur s dans l'urine), une hypoglyc mie s v re (parce que les tissus doivent augmenter leur d pendance au glucose) et une hypoc ton mie (en raison de la diminution de la production d'ac tyl-CoA ; voir p. 195). Le traitement consiste viter le je ne. 6. Oxydation des acides gras avec un nombre impair de carbones : Ce processus se d roule selon les m mes tapes de r action que celui des acides gras avec un nombre pair de carbones, jusqu' ce que les trois derniers carbones soient atteints. Ce produit, le propionylCoA, est m tabolis par une voie en trois tapes (Fig. 16.20). [Remarque : Le propionyl-CoA est galement produit au cours du m tabolisme de certains acides amin s (voir Fig. 20.11, p. 266).] a. Synth se du d-m thylmalonyl-CoA : Tout d'abord, le propionyl CoA est c
Biochimie_Lippincott	arboxyl , formant du D-m thylmalonyl CoA. L'enzyme propionyl CoA carboxylase a un besoin absolu pour les coenzymes biotine et ATP, comme le font l'ACC et la plupart des autres carboxylases. b. Formation de l-m thylmalonyl CoA : Ensuite, l'isom re D est converti en forme L par l'enzyme m thylmalonyl CoA rac mase. c. Synth se du succinyl-CoA : Enfin, les carbones du L-m thylmalonyl-CoA sont r arrang s, formant du succinyl CoA, qui peut entrer dans le cycle du TCA (voir p. 113). [Remarque : Il s'agit du seul exemple d'un pr curseur glucog nique g n r par l'oxydation des acides gras.] L'enzyme m thylmalonyl CoA mutase n cessite une forme coenzyme de la vitamine B12 (d soxyad nosylcobalamine). La r action mutase est l'une des deux seules r actions dans le corps qui n cessitent de la vitamine B12 (voir p. 379). [Remarque : Chez les patients pr sentant une carence en vitamine B12, le propionate et le m thylmalonate sont excr t s dans l'urine. Deux types d'acid mie m thylmalonique h r ditaire et d'acidurie ont t d crits : l'un dans lequel la mutase est absente ou d ficiente (ou a une affinit r duite pour la coenzyme) et l'autre dans lequel le patient est incapable de convertir la vitamine B12 en sa forme coenzyme. Ou entra ne une acidose m tabolique et des manifestations neurologiques.] 7. Acides gras insatur s -oxydation : L'oxydation des acides gras insatur s g n re des interm diaires qui ne peuvent pas servir de substrats pour la 2,3- noyl CoA hydratase (voir Fig. 16.17). Par cons quent, des enzymes suppl mentaires sont n cessaires. L'oxydation d'une double liaison au niveau d'un carbone impair, tel que le 18:1(9) (acide ol ique), n cessite une enzyme suppl mentaire, la 3,2- noyl CoA isom rase, qui convertit le d riv 3-cis obtenu apr s trois cycles de -oxydation en d riv 2-trans requis par l'hydratase. L'oxydation d'une double liaison au niveau d'un carbone pair, tel que l'acide linol ique 18:2(9,12), n cessite une 2,4-di noyl CoA r ductase d pendante du NADPH en plus de l'isom rase. [Remarque : Parce que les acides gras insatur s sont moins r duits que les acides gras satur s, leur oxydation produit moins d' quivalents r ducteurs.] 8. -oxydation des peroxysomes : Les carbones VLCFA 22 de longueur subissent une -oxydation pr liminaire dans les peroxysomes, car les peroxysomes et non les mitochondries sont le site primaire de la synth tase qui active les acides gras de cette longueur. L'acide gras raccourci (li la carnitine) se diffuse vers une mitochondrie pour une oxydation suppl mentaire. Contrairement la oxydation mitochondriale, la d shydrog nation initiale des peroxysomes est catalys e par une acyl CoA oxydase contenant du FAD. Le FADH2 produit est oxyd par l'O2, qui est r duit en peroxyde d'hydrog ne (H2O2). Par cons quent, aucun DAV n'est g n r partir de cette tape. Le H2O2 est r duit en H2O par la catalase (voir p. 148). [Remarque : Des d fauts g n tiques dans la capacit soit cibler les prot ines matricielles vers les peroxysomes (entra nant le syndrome de Zellweger, un trouble de la biogen se des peroxysomes), soit transporter les AGTLC travers la membrane peroxysomale (entra nant une adr noleucodystrophie li e l'X) conduisent l'accumulation d'AGTLC dans le sang et les tissus.] C. -oxydation peroxysomale L'acide phytanique cha ne ramifi e, un produit du m tabolisme de la chlorophylle, n'est pas un substrat pour l'acyl-CoA d shydrog nase en raison du groupe m thyle sur son carbone (Fig. 16.21). Au lieu de cela, il est hydroxyl au -carbone par la phytanoyl CoA -hydroxylase (PhyH) ; le carbone 1 est lib r sous forme de CO2 ; et le produit, le pristanal de 15 atomes de carbone, est oxyd en acide pristanique, qui est activ en son d riv CoA et subit une -oxydation. La maladie de Refsum est une maladie autosomique r cessive rare caus e par un d ficit en PhyH peroxysomique. Il en r sulte l'accumulation d'acide phytanique dans le plasma et les tissus. Les sympt mes sont principalement neurologiques, et le traitement implique une restriction alimentaire pour arr ter la progression de la maladie. [Remarque : l'oxydation - ( l'extr mit m thyle) est galement connue et g n re des acides dicarboxyliques. Normalement une voie mineure du SER, sa r gulation positive est observ e avec des conditions telles que le d ficit en MCAD qui limitent la -oxydation des acides gras.] V. CORPS C TONIQUES : CARBURANT ALTERNATIF POUR LES PILES Les mitochondries h patiques ont la capacit de convertir l'ac tylCoA d riv de l'oxydation des acides gras en corps c toniques. Les compos s class s comme corps c toniques sont l'ac toac tate, le 3-hydroxybutyrate ( galement appel -hydroxybutyrate) et l'ac tone (un produit secondaire non m tabolis , Fig. 16.22). [Remarque : Les deux corps c toniques fonctionnels sont des acides organiques.] L'ac toac tate et le 3-hydroxybutyrate sont transport s dans le sang vers les tissus p riph riques. L , ils peuvent tre reconvertis en ac tyl C
Biochimie_Lippincott	oA, qui peut tre oxyd par le cycle TCA. Les corps c toniques sont d'importantes sources d' nergie pour les tissus p riph riques car ils 1) sont solubles dans une solution aqueuse et, par cons quent, n'ont pas besoin d' tre incorpor s dans les lipoprot ines ou transport s par l'albumine comme le font les autres lipides ; 2) sont produites dans le foie pendant les p riodes o la quantit d'ac tylCoA pr sente d passe la capacit oxydative du foie ; et 3) sont utilis s proportionnellement leur concentration dans le sang par les tissus extrah patiques, tels que les muscles squelettiques et cardiaques, la muqueuse intestinale et le cortex r nal. M me le cerveau peut utiliser des corps c toniques pour aider r pondre ses besoins nerg tiques si les niveaux sanguins augmentent suffisamment. Ainsi, les corps c toniques pargnent du glucose, ce qui est particuli rement important pendant les p riodes prolong es de je ne (voir p. 332). [Remarque : Les troubles de l'oxydation des acides gras se manifestent par un tableau g n ral d'hypoc tose (en raison d'une diminution de la disponibilit de l'ac tylCoA) et d'une hypoglyc mie (en raison d'une d pendance accrue au glucose pour l' nergie).] dioxyde de carbone. A. Synth se des corps c toniques par le foie : c togen se Pendant un je ne, le foie est inond d'acides gras mobilis s partir du tissu adipeux. L' l vation de l'ac tyl-CoA h patique produite par l'oxydation des acides gras inhibe la pyruvate d shydrog nase (voir p. 111) et active la pyruvate carboxylase ([PC] voir p. 119). L'OAA produit par le PC est utilis par le foie pour la glucon ogen se plut t que pour le cycle du TCA. De plus, l'oxydation des acides gras diminue le rapport NAD+/NADH, et l'augmentation du NADH d place l'OAA vers le malate (voir p. 113). La diminution de la disponibilit de l'OAA pour la condensation avec l'ac tylCoA entra ne une utilisation accrue de l'ac tylCoA pour la synth se des corps c toniques. [Remarque : L'ac tyl-CoA pour la c togen se est galement g n r par le catabolisme des acides amin s c tog nes (voir p. 262).] 1. Synth se de la 3-hydroxy-3-m thylglutaryl-CoA : La premi re tape, la formation de l'ac toac tyl-CoA, se produit par inversion de la r action finale de la thiolase lors de l'oxydation des acides gras (voir Fig. 16.17). La 3-hydroxy-3m thylglutaryl synthase mitochondriale (HMG) synthase combine une troisi me mol cule d'ac tyl-CoA avec de l'ac toac tyl-CoA pour produire HMG CoA. L'HMG CoA synthase est l' tape limitant le taux de synth se des corps c toniques et n'est pr sente en quantit s importantes que dans le foie. [Remarque : L'HMG CoA est galement un interm diaire dans la synth se du cholest rol cytosolique (voir p. 220). Les deux voies sont s par es par l'emplacement et les conditions de la cellule.] 2. Synth se des corps c toniques : HMG CoA est cliv e par la lyase HMG CoA pour produire de l'ac toac tate et de l'ac tyl CoA, comme le montre la figure 16.22. L'ac toac tate peut tre r duit pour former du 3-hydroxybutyrate avec le NADH comme donneur d' lectrons. [Remarque : Parce que les corps c toniques ne sont pas li s CoA, ils peuvent traverser la membrane mitochondriale interne.] L'ac toac tate peut galement se d carboxyler spontan ment dans le sang pour former de l'ac tone, un compos volatil biologiquement non m tabolis qui peut tre d tect dans l'haleine. L' quilibre entre l'ac toac tate et le 3-hydroxybutyrate est d termin par le rapport NAD+/NADH. Parce que ce rapport est faible lors de l'oxydation des acides gras, la synth se du 3-hydroxybutyrate est favoris e. B. Utilisation du corps c tonique par les tissus p riph riques : c tolyse Bien que le foie synth tise constamment de faibles niveaux de corps c toniques, leur production augmente pendant le je ne lorsque les corps c toniques sont n cessaires pour fournir de l' nergie aux tissus p riph riques. Le 3-hydroxybutyrate est oxyd en ac toac tate par la 3-hydroxybutyrate d shydrog nase, produisant du NADH (Fig. 16.23). L'ac toac tate est ensuite fourni avec une mol cule de CoA extraite du succinyl CoA par le succinyl CoA : ac toac tate CoA transf rase (thiophorase). Cette r action est r versible, mais le produit, l'ac toac tyl CoA, est activement limin par son clivage en deux ac tyl CoA par la thiolase. Cela tire la r action vers l'avant. Les tissus extrah patiques, y compris le cerveau, mais l'exclusion des cellules d pourvues de mitochondries (par exemple, les globules rouges), oxydent efficacement l'ac toac tate et le 3-hydroxybutyrate de cette mani re. En revanche, bien que le foie produise activement des corps c toniques, il manque de thiophorase et, par cons quent, est incapable d'utiliser les corps c toniques comme carburant. C. Production excessive de corps c toniques dans le diab te sucr Lorsque le taux de formation des corps c toniques est sup rieur au taux de leur utilisation, leurs niveaux commencent augmenter dans le sang (c ton mie) et, ventuellement, dans l'urin
Biochimie_Lippincott	e (c tonurie). Ceci est le plus souvent observ dans les cas de diab te sucr de type 1 non contr l (DT1), o la concentration sanguine des corps c toniques peut atteindre 90 mg / dl (contre <3 mg / dl chez les individus normaux) et l'excr tion urinaire des corps c toniques peut atteindre 5 000 mg / 24 heures. L' l vation de la concentration de corps c toniques dans le sang peut entra ner une acid mie. [Remarque : Le groupe carboxyle d'un corps c tonique a un pKa de ~4. Par cons quent, chaque corps c tonique perd un proton (H+) lorsqu'il circule dans le sang, ce qui abaisse le pH.] De plus, dans le DT1 non contr l , la perte urinaire de glucose et de corps c toniques entra ne une d shydratation. Par cons quent, l'augmentation du nombre de H+ circulant dans un volume plasmatique r duit peut provoquer une acidose s v re (acidoc tose, Fig. 16.24) connue sous le nom d'acidoc tose diab tique (ACD).] Un sympt me fr quent de l'acidoc tose diab tique est une odeur fruit e dans l'haleine, qui r sulte d'une production accrue d'ac tone. L'acidoc tose peut galement tre observ e en cas de je ne prolong (voir p. 330) et de consommation excessive d' thanol (voir p. 318). VI. R SUM DU CHAPITRE Un acide gras, g n ralement une cha ne hydrocarbon e lin aire avec un groupe carboxyle terminal, peut tre satur ou insatur . Deux acides gras insatur s sont essentiels l'alimentation : l'acide linol ique et l'acide -linol nique. Les acides gras sont synth tis s dans le cytosol h patique la suite d'un repas contenant un exc s de glucides et de prot ines. Les carbones utilis s pour synth tiser les acides gras sont fournis par l'ac tyl coenzyme A (CoA), l' nergie par l'ATP et les quivalents r ducteurs par le nicotinamide ad nine dinucl otide phosphate ([NADPH], Fig. 16.25) fournis par la voie du pentose phosphate et l'enzyme malique. Le citrate transporte des unit s ac tyle deux atomes de carbone de la matrice mitochondriale au cytosol. L' tape r gul e de la synth se des acides gras est la carboxylation de l'ac tyl-CoA en malonyl-CoA par l'ac tylCoA carboxylase (ACC) n cessitant de la biotine et de l'ATP. Le citrate active allost riquement l'ACC et le palmitoyl CoA l'inhibe. L'ACC peut galement tre activ e par l'insuline et inactiv e par l'ad nosine monophosphate-prot ine kinase activ e (AMPK) en r ponse l' pin phrine, au glucagon ou une augmentation de l'AMP. Les tapes restantes de la synth se des acides gras sont catalys es par l'enzyme multifonctionnelle, l'acide gras synthase, qui produit du palmitoyl-CoA en ajoutant des unit s deux atomes de carbone du malonyl-CoA une s rie d'accepteurs d'acyle. Les acides gras peuvent tre allong s et d satur s dans le r ticulum endoplasmique lisse (SER). Lorsque les acides gras sont n cessaires l' nergie, la lipase hormonosensible (activ e par l' pin phrine et inhib e par l'insuline), ainsi que d'autres lipases, d grade le triacylglyc rol (TAG) stock dans les adipocytes. Les produits d'acides gras sont transport s par l'albumine s rique vers le foie et les tissus p riph riques, o leur oxydation fournit de l' nergie. Le squelette glyc rol du TAG d grad est transport par le sang vers le foie, o il sert de pr curseur glucon og nique. La d gradation des acides gras ( -oxydation) se produit dans les mitochondries. La navette de la carnitine est n cessaire pour transporter les acides gras longue cha ne du cytosol la matrice mitochondriale. Une translocase et les enzymes carnitine palmitoyltransf rases (CPT) I et II sont n cessaires. Le CPT-I est inhib par le malonyl-CoA, emp chant ainsi la synth se et la d gradation simultan es des acides gras. La -oxydation des acides gras mitochondriaux produit de l'ac tylCoA, du nicotinamide ad nine dinucl otide (NADH) et de la flavine ad nine dinucl otide (FADH2). La premi re tape de la -oxydation est catalys e par l'une des quatre acyl-CoA d shydrog nases, chacune ayant une sp cificit de longueur de cha ne. Le d ficit en acyl CoA d shydrog nase cha ne moyenne (MCAD) entra ne une diminution de l'oxydation des acides gras (le processus s'arr te une fois qu'un acide gras cha ne moyenne est produit), entra nant une hypoc ton mie et une hypoglyc mie s v re. L'oxydation des acides gras avec un nombre impair de carbones se d roule deux atomes la fois (produisant de l'ac tyl-CoA) jusqu' ce qu'il reste trois atomes de carbone propionylCoA. Ce compos est carboxyl en m thylmalonyl CoA (par la propionyl CoA carboxylase n cessitant de la biotine et de l'ATP), qui est ensuite converti en succinyl CoA (un pr curseur glucon og nique) par la m thylmalonyl CoA mutase n cessitant de la vitamine B12. Une erreur g n tique dans la mutase ou une carence en vitamine B12 provoque une acid mie m thylmalonique et une acidurie. -oxydation des acides gras insatur s n cessite des enzymes suppl mentaires. -oxydation des acides gras tr s longue cha ne et -oxydation des acides gras cha ne ramifi e se produisent dans le peroxysome. Les
Biochimie_Lippincott	carences entra nent respectivement l'adr noleucodystrophie li e l'X et la maladie de Refsum. Les mitochondries h patiques peuvent convertir l'ac tylCoA d riv de l'oxydation des acides gras en ac toac tate et en 3-hydroxybutyrate (corps c toniques). Les tissus p riph riques poss dant des mitochondries peuvent oxyder le 3hydroxybutyrate en ac toac tate, qui peut tre cliv en deux ac tylCoA, produisant ainsi de l' nergie pour la cellule. Contrairement aux acides gras, les corps c toniques sont utilis s par le cerveau et, par cons quent, sont des carburants importants pendant un je ne. Parce que le foie manque de thiophorase n cessaire pour d grader les corps c toniques, il les synth tise sp cifiquement pour les tissus p riph riques. L'acidoc tose se produit lorsque le taux de formation de corps c toniques est sup rieur au taux d'utilisation, comme on le voit dans les cas de diab te sucr de type 1 non contr l . acide tricarboxylique ; VLDL = lipoprot ine de tr s basse densit . Choisissez UNE meilleure r ponse. 6.1. Lorsque l'acide ol ique, 18:1(9), est d satur au carbone 6 puis allong , quelle est la repr sentation correcte du produit ? A. 19:2(7,9) B. 20:2 ( -6) C. 20:2(6,9) D. 20:2(8,11) R ponse correcte = D. Les acides gras sont allong s dans le r ticulum endoplasmique lisse en ajoutant deux carbones la fois l'extr mit carboxylate (carbone 1) de la mol cule. Cela loigne les doubles liaisons au carbone 6 et au carbone 9 du carbone 1. Le produit 20:2(8,11) est un acide gras -9 (n-9). 6.2. Un enfant de 4 mois est valu pour une hypoglyc mie jeun. Les tests de laboratoire l'admission r v lent de faibles niveaux de corps c toniques (hypoc ton mie), de carnitine libre et d'acylcarnitines longue cha ne dans le sang. Les niveaux d'acides gras libres dans le sang taient lev s. L'insuffisance de laquelle des propositions suivantes expliquerait le mieux ces r sultats ? A. Triglyc ride lipase adipeuxB. Transporteur de carnitineC. Carnitine palmitoyltransf rase-ID. D shydrog nase d'acide gras longue cha ne Bonne r ponse = B. Un d faut dans le transporteur de la carnitine (carence primaire en carnitine) entra nerait de faibles niveaux de carnitine dans le sang (en raison d'une perte urinaire accrue) et de faibles niveaux dans les tissus. Dans le foie, cela diminue l'oxydation des acides gras et la c togen se. Par cons quent, les taux sanguins d'acides gras libres augmentent. Les carences en triglyc ride lipase adipeux diminueraient la disponibilit des acides gras. Une carence en carnitine palmitoyltransf rase I entra nerait une augmentation de la carnitine dans le sang. Des d fauts dans l'une des enzymes de l'oxydation de la entra neraient une carence secondaire en carnitine, avec une augmentation des acylcarnitines. 6.3. Un adolescent, pr occup par son poids, tente de maintenir un r gime sans gras pendant une p riode de plusieurs semaines. Si sa capacit synth tiser divers lipides tait examin e, on constaterait qu'il est le plus d ficient dans sa capacit synth tiser : A. cholest rol.B. glycolipides.C. phospholipides. D. les prostaglandines. E. triacylglyc rol. Bonne r ponse = D. Les prostaglandines sont synth tis es partir de l'acide arachidonique. L'acide arachidonique est synth tis partir de l'acide linol ique, un acide gras essentiel obtenu par l'homme partir des lipides alimentaires. L'adolescent serait capable de synth tiser tous les autres compos s, mais, vraisemblablement, en quantit s quelque peu r duites. 6.4. Un gar on de 6 mois a t hospitalis la suite d'une crise d' pilepsie. L'anamn se a r v l que pendant plusieurs jours auparavant, son app tit avait diminu en raison d'un virus de l'estomac. l'admission, sa glyc mie tait de 24 mg/dl (la normale selon l' ge est de 60 100). Son urine tait n gative pour les corps c toniques et positive pour une vari t d'acides dicarboxyliques. Les taux de carnitine dans le sang (libre et li l'acyle) taient normaux. Un diagnostic provisoire de d ficit en acyl coenzyme A d shydrog nase (MCAD) gras cha ne moyenne est pos . Chez les patients atteints de MCAD carence, l'hypoglyc mie jeun est une cons quence de :A. diminution de la production d'ac tyl coenzyme A.B. diminution de la capacit convertir l'ac tyl coenzyme A en glucose.C. augmentation de la conversion de l'ac tyl coenzyme A en ac toac tate.D. augmentation de la production d'ATP et de nicotinamide ad nine dinucl otide. R ponse correcte = A. Une oxydation alt r e des acides gras de <12 atomes de carbone entra ne une diminution de la production d'ac tyl-coenzyme A (CoA), l'activateur allost rique de la pyruvate carboxylase, une enzyme glucon og nique, et, par cons quent, une baisse du taux de glucose. L'ac tyl-CoA ne peut jamais tre utilis pour la synth se nette du glucose. L'ac toac tate est un corps c tonique, et avec un d ficit en acyl CoA d shydrog nase grasse cha ne moyenne, la c togen se est diminu e en raison d'une diminution de la produc
Biochimie_Lippincott	tion du substrat, l'ac tyl CoA. L'oxydation alt r e des acides gras signifie que moins d'ATP et de nicotinamide ad nine dinucl otide sont fabriqu s, et les deux sont n cessaires la glucon ogen se. 6.5. Expliquez pourquoi, dans le syndrome de Zellweger, les acides gras tr s longue cha ne (AGTLC) et l'acide phytanique longue cha ne s'accumulent, alors que dans le cas de l'adr noleucodystrophie li e l'X, seuls les AGTLC s'accumulent. Le syndrome de Zellweger est caus par une incapacit cibler les prot ines matricielles sur le peroxysome. Par cons quent, toutes les activit s peroxysomales sont affect es car les peroxysomes fonctionnels ne peuvent pas se former. Dans l'adr noleucodystrophie li e l'X, le d faut est une incapacit transporter les AGTLC dans le peroxysome, mais d'autres fonctions peroxysomales, telles que la -oxydation, sont normales. M tabolisme des phospholipides, des glycosphingolides et des eicosano des 17Pour plus de mat riel auxiliaire li ce chapitre, veuillez visiter thePoint. I. APER U DES PHOSPHOLIPIDES Les phospholipides sont des compos s ioniques polaires compos s d'un alcool qui est li par une liaison phosphodiester au diacylglyc rol (DAG) ou la sphingosine. Comme les acides gras (AG), les phospholipides sont de nature amphipathique. C'est- -dire que chacun a une t te hydrophile, qui est le groupe phosphate plus l'alcool qui y est attach (par exemple, la s rine, l' thanolamine et la choline ; mis en vidence en bleu sur la figure 17.1A), et une longue queue hydrophobe contenant des hydrocarbures d riv s de l'AF (illustr e en orange sur la figure 17.1A). Les phospholipides sont les lipides pr dominants des membranes cellulaires. Dans les membranes, la partie hydrophobe d'une mol cule de phospholipide est associ e aux parties non polaires d'autres constituants membranaires, tels que les glycolipides, les prot ines et le cholest rol. La t te hydrophile (polaire) du phospholipide s' tend vers l'ext rieur, interagissant avec l'environnement aqueux intracellulaire ou extracellulaire (voir Fig. 17.1A). Les phospholipides membranaires fonctionnent galement comme un r servoir pour les messagers intracellulaires et, pour certaines prot ines, les phospholipides servent d'ancrages aux membranes cellulaires. Les phospholipides non membranaires remplissent des fonctions suppl mentaires dans le corps, par exemple, en tant que composants du tensioactif pulmonaire et composants essentiels de la bile, o leurs propri t s d tergentes facilitent la solubilisation du cholest rol. II. STRUCTURE DES PHOSPHOLIPIDES Il existe deux classes de phospholipides : ceux qui ont du glyc rol (du glucose) comme squelette et ceux qui ont de la sphingosine (de la s rine et du palmitate). Les deux classes se trouvent en tant que composants structurels des membranes, et les deux jouent un r le dans la g n ration de mol cules de signalisation lipidique. A. Glyc rophospholipides Les phospholipides qui contiennent du glyc rol sont appel s glyc rophospholipides (ou phosphoglyc rides). Les glyc rophospholipides constituent la principale classe de phospholipides et sont les lipides pr dominants dans les membranes. Tous contiennent (ou sont des d riv s de) l'acide phosphatidique (PA), qui est un DAG avec un groupe phosphate sur le carbone 3 (Fig. 17.1B). Le PA est le phosphoglyc ride le plus simple et est le pr curseur des autres membres de ce groupe. 1. partir d'acide phosphatidique et d'un alcool : Le groupe phosphate sur PA peut tre est rifi en un compos contenant un groupe alcool (voir Fig. 17.1). Par exemple : 2. Cardiolipin : Deux mol cules de PA est rifi es par leurs groupes phosphate en une mol cule suppl mentaire de glyc rol forment la cardiolipine, ou diphosphatidylglyc rol (Fig. 17.2). La cardiolipine se trouve dans les membranes des bact ries et des eucaryotes. Chez les eucaryotes, la cardiolipine est pratiquement exclusive la membrane mitochondriale interne, o elle maintient la structure et la fonction de certains complexes respiratoires de la cha ne de transport d' lectrons. [Remarque : La cardiolipine est antig nique et est reconnue par les anticorps 3. Plasmalog nes : Lorsque l'AF au carbone 1 d'un glyc rophospholipide est remplac par un groupe alkyle insatur attach par une liaison ther (plut t que par un ester) la mol cule de glyc rol centrale, un phosphoglyc ride d' ther connu sous le nom de plasmalog ne est produit. Par exemple, la phosphatidal thanolamine, qui est abondante dans le tissu nerveux (Fig. 17.3A), est le plasmalog ne dont la structure est similaire celle (Ab) lev e contre Treponema pallidum, la bact rie qui cause la syphilis. Le test de Wasserman pour la syphilis d tecte ces Ab.] phosphatidyl thanolamine. La phosphatidalcholine (abondante dans le muscle cardiaque) est l'autre lipide ther quantitativement significatif chez les mammif res. [Remarque : Les plasmalog nes ont al plut t que yl dans leurs noms.] plasmalog ne phosphatidal thanolam
Biochimie_Lippincott	ine. B. Facteur d'activation plaquettaire. ( est une longue cha ne hydrocarbon e hydrophobe.) 4. Facteur d'activation plaquettaire : Un deuxi me exemple de glyc rophospholipide d' ther est le facteur d'activation plaquettaire (PAF), qui a un groupe alkyle satur dans un lien ther avec le carbone 1 et un r sidu ac tyle (plut t qu'un FA) au carbone 2 du squelette glyc rol (Fig. 17.3B). Le PAF est synth tis et lib r par une vari t de types de cellules. Il se lie aux r cepteurs de surface, d clenchant de puissants v nements thrombotiques et inflammatoires aigus. Par exemple, le PAF active les cellules inflammatoires et m die l'hypersensibilit , les r actions inflammatoires aigu s et anaphylactiques. Il provoque l'agr gation et l'activation des plaquettes et la g n ration de radicaux superoxydes par les neutrophiles et les macrophages alv olaires pour tuer les bact ries (voir p. 150). Il abaisse galement la tension art rielle. [Remarque : le PAF est l'une des mol cules bioactives les plus puissantes connues, provoquant des effets des concentrations aussi faibles que 10-11 mol/l.] B. Sphingophospholipides : Sphingomy line L' pine dorsale de la sphingomy line est l'amino-alcool sphingosine, plut t que le glyc rol (Fig. 17.4). Un AF de longue longueur de cha ne (LCFA) est attach au groupe amino de la sphingosine par une liaison amide, produisant un c ramide, qui peut galement servir de pr curseur des glycolipides (voir p. 209). Le groupe alcool au carbone 1 de la sphingosine est est rifi en phosphorylcholine, produisant de la sphingomy line, le seul sphingopholipide significatif chez l'homme. La sphingomamy line est un constituant important de la gaine de my line des fibres nerveuses. [Remarque : La gaine de my line est une structure membraneuse en couches qui isole et prot ge les axones neuronaux du syst me nerveux central (SNC).] III. SYNTH SE DES PHOSPHOLIPIDES La synth se des glyc rophospholipides implique soit le don de PA provenant du diphosphate de cytidine (CDP)-DAG un alcool, soit le don du phosphomonoester de l'alcool CDP un DAG (Fig. 17.5). Dans les deux cas, la structure li e la CDP est consid r e comme un interm diaire activ , et la cytidine monophosphate (CMP) est lib r e comme produit secondaire. Par cons quent, un concept cl dans le glyc rophospholipide la synth se est l'activation, soit du DAG, soit de l'alcool ajouter, par liaison avec la CDP. [Note : Ceci est similaire en principe l'activation des sucres par leur fixation au diphosphate d'uridine (UDP) (voir p. 126).] L'AF est rifi aux groupes alcool glyc rol peut varier consid rablement, ce qui contribue l'h t rog n it de ce groupe de compos s, les FA satur s se trouvant g n ralement au carbone 1 et les insatur s au carbone 2. La plupart des phospholipides sont synth tis s dans le r ticulum endoplasmique lisse (SER). De l , ils sont transport s vers le Golgi puis vers les membranes des organites ou la membrane plasmique ou sont s cr t s par exocytose. [Remarque : La synth se lipidique de l' ther partir du phosphate de dihydroxyac tone commence dans les peroxysomes.] Pyrophosphate. ( est une cha ne hydrocarbon e d'acide gras.) A. Acide phosphatidique Le PA est le pr curseur d'autres glyc rophospholipides. Les tapes de sa synth se partir du glyc rol 3-phosphate et de deux mol cules grasses d'acyl coenzyme A (CoA) ont t illustr es la figure 16.14, p. 189, dans laquelle le PA est repr sent comme un pr curseur du triacylglyc rol (TAG). Essentiellement, toutes les cellules, l'exception des rythrocytes matures, peuvent synth tiser des phospholipides, tandis que la synth se de TAG ne se produit essentiellement que dans le foie, le tissu adipeux, les glandes mammaires allaitantes et les cellules de la muqueuse intestinale. B. Phosphatidylcholine et phosphatidyl thanolamine Les phospholipides neutres PC et PE sont les phospholipides les plus abondants dans la plupart des cellules eucaryotes. La premi re voie de leur synth se utilise la choline et l' thanolamine obtenues soit partir de l'alimentation, soit partir du renouvellement des phospholipides de l'organisme. [Remarque : Dans le foie, le PC peut galement tre synth tis partir du PS et du PE (voir 2. ci-dessous).] 1. Synth se partir de choline et d' thanolamine pr existantes : Ces voies synth tiques impliquent la phosphorylation de la choline ou de l' thanolamine par les kinases, suivie d'une conversion en forme activ e, CDP-choline ou CDP- thanolamine. Enfin, le phosphate de choline ou le phosphate d' thanolamine est transf r du nucl otide (en sortant du CMP) une mol cule de DAG (voir Fig. 17.5). un. Importance de la r utilisation de la choline : La r utilisation de la choline est importante car, bien que les humains puissent synth tiser la choline de novo, la quantit produite est insuffisante pour nos besoins. Ainsi, la choline est un nutriment alimentaire essentiel avec un apport ad quat (voir p. 358) de 550 mg pour les hommes et de 4
Biochimie_Lippincott	25 mg pour les femmes. [Remarque : La choline est galement utilis e pour la synth se de l'ac tylcholine, un neurotransmetteur.] b. Phosphatidylcholine dans le surfactant pulmonaire : La voie d crite ci-dessus est la principale voie de synth se de la dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC ou l cithine de dipalmitoyle). Dans le DPPC, les positions 1 et 2 sur le glyc rol sont occup es par le palmitate, un AGCL satur . Le DPPC, fabriqu et s cr t par les pneumocytes de type II, est un composant lipidique majeur du surfactant pulmonaire, qui est la couche de liquide extracellulaire tapissant les alv oles. Le tensioactif sert diminuer la tension superficielle de cette couche fluide, r duisant ainsi la pression n cessaire pour regonfler les alv oles, emp chant ainsi l'affaissement alv olaire (at lectasie). [Remarque : Le tensioactif est un m lange complexe de lipides (90 %) et de prot ines (10 %), le DPPC tant le principal composant de la r duction de la tension superficielle.] La maturit pulmonaire f tale peut tre valu e en d terminant le rapport DPPC/sphingomy line, g n ralement crit L (pour l cithine)/S, dans le liquide amniotique. Une valeur 2 est une preuve de maturit , car elle refl te le passage de la synth se de la sphingomy line la synth se de DPPC qui se produit dans les pneumocytes ~32 semaines de gestation. c. Maturit pulmonaire : Le syndrome de d tresse respiratoire (SDR) chez les nouveau-n s pr matur s est associ une production et/ou une s cr tion insuffisantes de surfactant et constitue une cause importante de tous les d c s n onatals dans les pays occidentaux. La maturation pulmonaire peut tre acc l r e en administrant des glucocortico des la m re peu de temps avant l'accouchement pour induire l'expression de g nes sp cifiques. L'administration postnatale de surfactant naturel ou synth tique (par instillation intratrach ale) est galement utilis e. [Remarque : Le SDR aigu, observ dans tous les groupes d' ge, est le r sultat de l sions alv olaires (dues une infection, une blessure ou une aspiration) qui provoquent une accumulation de liquide dans les alv oles, emp chant l' change d'oxyg ne (O2) et de dioxyde de carbone (CO2).] 2. Synth se de la phosphatidylcholine partir de la phosphatidyls rine : Le foie a besoin d'un m canisme pour produire du PC, m me lorsque les niveaux de choline libre sont faibles, car il exporte des quantit s importantes de PC dans la bile et en tant que composant des lipoprot ines plasmatiques. Pour fournir le PC n cessaire, le PS est d carboxyl en PE par la d carboxylase PS. Le PE subit ensuite trois tapes de m thylation pour produire du PC, comme illustr la Figure 17.6. La sad nosylm thionine est le donneur du groupe m thyle (voir p. 264). C. Phosphatidyls rine La synth se de la PS dans les tissus des mammif res est assur e par la r action d' change de bases, dans laquelle l' thanolamine de PE est remplac e par de la s rine libre (voir Fig. 17.6). Cette r action, bien que r versible, est principalement utilis e pour produire le PS n cessaire la synth se membranaire. PS a une charge n gative nette. (Voir en ligne le chapitre 35 pour le r le du PS dans la coagulation.) D. Phosphatidylinositol L'IP est synth tis partir de l'inositol libre et du CDP-DAG, comme le montre la figure 17.5. L'IP est un phospholipide inhabituel en ce sens qu'il contient le plus souvent de l'acide st arique sur le carbone 1 et de l'acide arachidonique sur le carbone 2 du glyc rol. Par cons quent, l'IP sert de r servoir d'acide arachidonique dans les membranes et, par cons quent, fournit le substrat pour la synth se de la prostaglandine (voir p. 213) lorsque n cessaire. Comme PS, PI a une charge n gative nette. [Remarque : Il y a une asym trie dans la composition en phospholipides de la membrane cellulaire. Le PS et le PI, par exemple, se trouvent principalement sur le feuillet interne. L'asym trie est obtenue par des enzymes d pendantes de l'ATP connues sous le nom de flippases et floppases .] 1. R le dans la transduction du signal travers les membranes : La phosphorylation de l'IP li la membrane produit des polyphosphoinositides tels que le phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate ([PIP2] ; Fig. 17.7). Le clivage de PIP2 par la phospholipase C se produit en r ponse la liaison de divers neurotransmetteurs, hormones et facteurs de croissance aux r cepteurs coupl s aux prot ines G (RCPG), tels que le r cepteur adr nergique 1, sur la membrane cellulaire et l'activation de la sous-unit Gq (Fig. 17.8). Les produits de ce clivage, l'inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3) et le DAG, interviennent dans la mobilisation du calcium intracellulaire et l'activation de la prot ine kinase C, qui agissent en synergie pour voquer des r ponses cellulaires sp cifiques. La transduction du signal travers la membrane est donc accomplie. 2. R le dans l'ancrage des prot ines membranaires : Des prot ines sp cifiques peuvent tre attach es de mani re covalente par un
Biochimie_Lippincott	pont glucidique l'IP li la membrane (Fig. 17.9). Par exemple, la lipoprot ine lipase, une enzyme qui d grade le triacylglyc rol dans les particules de lipoprot ines (voir p. 228), est attach e aux cellules endoth liales capillaires par une ancre glycosyl phosphatidylinositol (GPI). [Remarque : Les prot ines li es GPI se trouvent galement dans une vari t de protozoaires parasites, tels que les trypanosomes et la leishmaniose.] Le fait d' tre attach un lipide membranaire (plut t que d' tre une partie int grante de la membrane) permet aux prot ines ancr es par GPI d'augmenter la mobilit lat rale sur la surface extracellulaire de la membrane plasmique. La prot ine peut tre cliv e de son ancrage par l'action de la phospholipase C (voir Fig. 17.9). [Remarque : Une d ficience dans la synth se de GPI dans les cellules h matopo tiques entra ne la maladie h molytique h moglobinurie paroxystique nocturne, car les prot ines ancr es GPI prot gent les cellules sanguines de la lyse m di e par le compl ment.] E. Phosphatidylglyc rol et cardiolipine Le phosphatidylglyc rol est pr sent en quantit s relativement importantes dans les membranes mitochondriales et est un pr curseur de la cardiolipine (diphosphatidyglyc rol). Il est synth tis partir de CDP-DAG et de glyc rol 3-phosphate. La cardiolipine (voir Fig. 17.2) est synth tis e par le transfert du DAG 3-phosphate du CDPDAG une mol cule pr existante de phosphatidylglyc rol. F. Sphingomy line La sphingomy line, un phospholipide base de sphingosine, se trouve dans les membranes cellulaires et dans la gaine de my line. La synth se de la sphingomy line est illustr e la Figure 17.10. En bref, le palmitoyl-CoA se condense avec la s rine, car le CoA et le groupe carboxyle (sous forme de CO2) de la s rine sont perdus. [Remarque : Cette r action, comme les r actions de d carboxylation impliqu es dans la synth se du PE partir du PS et des r gulateurs partir des acides amin s (par exemple, les cat cholamines partir de la tyrosine ; voir p. 286), n cessite du phosphate de pyridoxal (un d riv de la vitamine B6) en tant que coenzyme.] Le produit est r duit dans une r action de nicotinamide ad nine dinucl otide phosphate (NADPH) n cessitant une r action la sphinganine (dihydrosphingosine). La sphingonine est acyl e au niveau du groupe amino avec l'une des vari t s d'AGLC, puis d satur e pour produire un c ramide, le pr curseur imm diat de la sphingomy line (et d'autres sphingolipides, comme d crit la p. 208). Les c ramides jouent un r le cl dans le maintien de la barri re de perm abilit l'eau de la peau. La diminution des niveaux de c ramides est associ e un certain nombre de maladies de la peau. La phosphorylcholine du PC est transf r e au c ramide, produisant de la sphingomy line et du DAG. [Remarque : La sphingomy line de la gaine de my line contient principalement des acides gras cha ne plus longue tels que l'acide lignoc rique et l'acide nervonique, tandis que la mati re grise du cerveau contient de la sphingomy line qui contient principalement de l'acide st arique.] IV. D GRADATION DES PHOSPHOLIPIDES La d gradation des phosphoglyc rides est effectu e par les phospholipases pr sentes dans tous les tissus et le suc pancr atique. [Remarque : Pour une discussion sur la digestion des phospholipides, voir p. 175.] Un certain nombre de toxines et de venins ont une activit phospholipase, et plusieurs bact ries pathog nes produisent des phospholipases qui dissolvent les membranes cellulaires et permettent la propagation de l'infection. La sphingomy line est d grad e par la phospholipase lysosomale, la sphingomy linase (voir B. ci-dessous). A. Phosphoglyc rides Les phospholipases hydrolysent les liaisons phosphodiester des phosphoglyc rides, chaque enzyme clivant le phospholipide un endroit sp cifique. Les principales phospholipases sont illustr es la Figure 17.11. [Remarque : L' limination de l'AF du carbone 1 ou 2 d'un phosphoglyc ride produit un lysophosphoglyc ride, qui est le substrat des lysophospholipases.] Les phospholipases lib rent des mol cules qui peuvent servir de seconds messagers (par exemple, DAG et IP3) ou qui sont les substrats de synth se de messagers (par exemple, l'acide arachidonique). Les phospholipases sont responsables non seulement de la d gradation des phospholipides, mais aussi de leur remodelage. Par exemple, les phospholipases A1 et A2 liminent des acides gras sp cifiques des phospholipides li s la membrane, qui peuvent tre remplac s par des acides gras diff rents l'aide de l'acyle CoA transf rase grasse. Ce m canisme est utilis comme un moyen de cr er le tensioactif pulmonaire unique DPCC (voir p. 204) et de s'assurer que le carbone 2 de l'IP (et parfois du PC) est li l'acide arachidonique. [Remarque : Le syndrome de Barth, une maladie rare li e l'X caract ris e par une cardiomyopathie, une faiblesse musculaire et une neutrop nie, est le r sultat de d fauts dans le remodelage de la cardiolipi
Biochimie_Lippincott	ne.] phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate ; R1 et R2 = acides gras ; X = un alcool. B. Sphingomy line La sphingomayeline est d grad e par la sphingomy linase, une enzyme lysosomale qui limine la phosphorylcholine, laissant une c ramide. La c ramide est, son tour, cliv e par la c ramidase en sphingosine et en un FA libre (Fig. 17.12). [Remarque : La c ramide et la sphingosine lib r es r gulent les voies de transduction du signal, en partie en influen ant l'activit de la prot ine kinase C et, par cons quent, la phosphorylation de ses substrats prot iques. Ils favorisent galement l'apoptose.] La maladie de Niemann-Pick (types A et B) est une maladie autosomique r cessive caus e par l'incapacit d grader la sphingomy line en raison d'un d ficit en sphingomy linase, un type de phospholipase C. Dans la forme infantile s v re (type A, qui pr sente <1 % d'activit enzymatique normale), le Le foie et la rate sont les principaux sites de d p ts lipidiques et sont donc fortement largis. Le lipide se compose principalement de sphingomy line qui ne peut pas tre d grad e (Fig. 17.13). Les nourrissons atteints de cette maladie de surcharge lysosomale pr sentent une neurod g n rescence rapide et progressive la suite du d p t de sphingomy line dans le SNC, et ils meurent dans la petite enfance. Une variante moins s v re (type B, qui pr sente jusqu' 10 % de l'activit normale) avec un ge d'apparition plus tardif et une dur e de survie plus longue cause peu ou pas de dommages au tissu neural, mais les poumons, la rate, le foie et la moelle osseuse sont touch s, entra nant une forme chronique de la maladie. Bien que la maladie de Niemann-Pick soit pr sente dans tous les groupes ethniques, le type A est plus fr quent dans la population juive ashk naze. type A.]V. VUE D'ENSEMBLE DES GLYCOLIPIDES Les glycolipides sont des mol cules qui contiennent la fois des composants glucidiques et lipidiques. Comme le phospholipide sphingomy line, les glycolipides sont des d riv s des c ramides dans lesquels un AGLC est attach l'aminoalcool sphingosine. Par cons quent, ils sont plus pr cis ment appel s glycosphingolipides. [Remarque : Ainsi, les c ramides sont les pr curseurs des sphingolipides phosphoryl s et glycosyl s.] Comme les phospholipides, les glycosphingolipides sont des composants essentiels de toutes les membranes du corps, mais ils se trouvent en plus grande quantit dans les tissus nerveux. Ils sont situ s dans le feuillet externe de la membrane plasmique, o ils interagissent avec l'environnement extracellulaire. En tant que tels, ils jouent un r le dans la r gulation des interactions cellulaires (par exemple, l'adh sion et la reconnaissance), la croissance et le d veloppement. Les glycosphingolipides membranaires s'associent au cholest rol et aux prot ines ancr es au GPI pour former des radeaux lipidiques, des microdomaines mobiles lat ralement de la membrane plasmique qui ont pour fonction d'organiser et de r guler les fonctions de signalisation et de trafic membranaires. Les glycosphingolipides sont antig niques et sont la source des antig nes du groupe sanguin ABO (voir p. 165), de divers antig nes embryonnaires sp cifiques des stades particuliers du d veloppement f tal et de certains antig nes tumoraux. [Remarque : La partie glucidique d'un glycolipide est le d terminant antig nique.] Ils ont t coopt s pour tre utilis s comme r cepteurs de surface cellulaire pour les toxines du chol ra et du t tanos ainsi que pour certains virus et microbes. Les troubles g n tiques associ s une incapacit d grader correctement les glycosphingolipides entra nent une accumulation lysosomale de ces compos s. [Remarque : Les changements dans la partie glucidique des glycosphingolipides (et des glycoprot ines) sont caract ristiques des cellules transform es (cellules croissance d r gul e).] VI. STRUCTURE DES GLYCOSPHINGOLIPIDES Les glycosphingolipides diff rent de la sphingomy line en ce qu'ils ne contiennent pas de phosphate et que la fonction de la t te polaire est assur e par un monosaccharide ou un oligosaccharide attach directement au c ramide par une liaison O-glycosidique (Fig. 17.14). Le nombre et le type de fractions glucidiques pr sentes d terminent le type de glycosphingolipide. A. Glycosphingolipides neutres Les glycosphingolipides neutres les plus simples sont les c r brosides. Il s'agit de monosaccharides de c ramides qui contiennent soit une mol cule de galactose (formant le c ramide-galactose ou le galactoc r broside, le c r broside le plus courant trouv dans la my line, comme le montre la figure 17.14), soit du glucose (formant le c ramide-glucose ou glucoc r broside, un interm diaire dans la synth se et la d gradation des glycosphingolipides plus complexes). [Remarque : Les membres d'un groupe de galacto-ou de glucoc r brosides peuvent galement diff rer les uns des autres dans le type d'AF attach la sphingosine.] Comme leur nom l'indique, les c r brosides se trouvent principalemen

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