Pour parler des vingt acides aminés qui composent les structures protéiques et celles modifiées, il faudrait décrire au moins douze voies métaboliques spécialisées.
Mais pourquoi les cellules utilisent-elles autant de voies métaboliques qui nécessitent de l'énergie (par exemple pour régénérer les sites catalytiques des enzymes), chacune avec un patrimoine enzymatique, pour cataboliser les acides aminés ? A partir de presque tous les acides aminés, il est possible d'obtenir, par des voies spécialisées, des métabolites qui sont en faible partie utilisés pour produire de l'énergie (par exemple, par la néoglucogenèse et la voie des corps cétoniques) mais qui, surtout, conduisent à la formation de complexes des molécules, à nombre élevé d'atomes de carbone (par exemple à partir de la phénylalanine et de la tyrosine, des hormones sont produites dans les glandes surrénales qui sont spécialisées à cet effet) ; si d'une part il serait simple de produire de l'énergie à partir d'acides aminés, d'autre part il serait compliqué de construire des molécules complexes à partir de petites molécules : le catabolisme des acides aminés leur permet d'exploiter leur squelette pour obtenir des espèces plus grandes.
Deux ou trois hectogrammes d'acides aminés sont dégradés quotidiennement par un individu sain : 60-100 g d'entre eux proviennent des protéines introduites avec l'alimentation mais plus de 2 hectogrammes sont obtenus du renouvellement normal des protéines qui font partie intégrante de l'organisme ( les acides aminés de ces protéines, endommagés par les processus redox, sont remplacés par d'autres et catabolisés).
Les acides aminés apportent un apport énergétique en termes d'ATP : après élimination du groupe α-aminé, le squelette carboné d'acides aminés restant, suite à des transformations adaptées, peut entrer dans le cycle de krebs. De plus, lorsque l'apport de nutriments fait défaut et que la quantité de glucose diminue, la gluconéogenèse est activée : les acides aminés gluconéogénétiques sont dits ceux qui, après des modifications appropriées, peuvent être introduits dans la gluconéogenèse ; les acides aminés gluconéogénétiques sont ceux qui peuvent être transformés en pyruvate ou en fumarate (le fumarate peut être transformé en malate qui quitte la mitochondrie et, dans le cytoplasme, se transforme en oxaloacétate à partir duquel on peut obtenir du phosphoénol pyruvate).
Celui qui vient d'être décrit est un aspect très important car les acides aminés peuvent remédier à une carence en sucre en cas de jeûne immédiat ; si le jeûne persiste, au bout de deux jours le métabolisme lipidique intervient (car les structures protéiques ne peuvent pas être trop agressées) c'est dans cette phase que, la gluconéogenèse étant très limitée, les acides gras sont transformés en acétyl coenzyme A et corps cétoniques. À partir d'un jeûne supplémentaire, le cerveau s'adapte également pour utiliser les corps cétoniques.
Le transfert du groupe α-amino des acides aminés se produit par une réaction de transamination ; les enzymes qui catalysent cette réaction, disent-ils, en fait, transaminases (ou aminotransférase). Ces enzymes utilisent un cofacteur enzymatique appelé phosphate de pyridoxal, qui intervient avec son groupe aldéhyde. Le phosphate de pyridoxal est le produit de la phosphorylation de la pyridoxine qui est une vitamine (B6) présente principalement dans les légumes.
Les transaminases ont les propriétés suivantes :
Haute spécificité pour un couple cétoglutarate-glutamate ;
Ils portent le nom du deuxième couple.
Les enzymes transaminases impliquent toujours le couple α cétoglutarate-glutamate et se distinguent selon le second couple impliqué.
Exemples:
L"aspartate transaminase c'est-à-dire GOT (Glutamate-Ossal acétate Transaminase) : l'enzyme transfère le groupe α-amino de l'aspartate au α-cétoglutarate, obtenant ainsi l'oxaloacétate et le glutamate.
L"alanine transaminase c'est-à-dire GTP (Glutamate-Pyruvate Transaminase) : l'enzyme transfère le groupe -amino de « l'alanine au » α-cétoglutarate, obtenant du pyruvate et du glutamate.
Les différentes transaminases utilisent le α-cétoglurate comme accepteur du groupe amino des acides aminés et le convertissent en glutamate; tandis que les acides aminés qui se forment sont utilisés dans la voie des corps cétoniques.
Ce type de réaction peut se produire dans les deux sens car ils se brisent et forment des liaisons avec le même contenu énergétique.
Les transaminases sont à la fois dans le cytoplasme et dans la mitochondrie (elles sont principalement actives dans le cytoplasme) et diffèrent par leur point isoélectrique.
Les transaminases sont également capables de décarboxyler les acides aminés.
Il devra y avoir un moyen de reconvertir le glutamate en α-cétoglutarate : cela se fait par désamination.
Là glutamate déshydrogénase c'est une enzyme capable de transformer le glutamate en α-cétoglutarate et, par conséquent, de convertir les groupements aminés d'acides aminés présents sous forme de glutamate en ammoniac. Ce qui se passe est un processus redox qui passe par l'intermédiaire -amino glutarate : l'ammoniac et le α-cétoglutarate sont libérés et retournent dans la circulation.
Ensuite, l'élimination des groupements aminés des acides aminés passe par les transaminases (qui diffèrent selon le substrat) et la glutamate déshydrogénase, qui détermine la formation d'ammoniac.
Il existe deux types de glutamate déshydrogénase : cytoplasmique et mitochondriale ; le cofacteur, qui est aussi le cosubstrat de cette enzyme est le NAD(P)+ : la glutamate déshydrogénase utilise soit le NAD+ soit le NADP+ comme accepteur de pouvoir réducteur. La forme cytoplasmique préfère, mais pas exclusivement, le NADP + tandis que la forme mitochondriale préfère le NAD +. La forme mitochondriale a pour but de disposer de groupements aminés : elle conduit à la formation d'ammoniac (qui est un substrat pour une enzyme spécialisée dans la mitochondrie) et de NADH (qui est envoyé dans la chaîne respiratoire). La forme cytoplasmique fonctionne en sens inverse c'est-à-dire qu'elle utilise de l'ammoniac et du -cétoglutarate pour donner du glutamate (qui a une destination biosynthétique) : cette réaction est une biosynthèse réductrice et le cofacteur utilisé est le NADPH.
La glutamate déshydrogénase agit lorsqu'il est nécessaire de se débarrasser des groupements aminés d'acides aminés comme l'ammoniac (via l'urine) ou lorsque les squelettes d'acides aminés sont nécessaires pour produire de l'énergie : cette enzyme aura donc comme modulateurs négatifs les systèmes qui sont une indication de bonne disponibilité énergétique (ATP, GTP et NAD(P)H) et comme modulateurs positifs, les systèmes qui indiquent un besoin en énergie (AMP, ADP, GDP, NAD(P)+, acides aminés et hormones thyroïdiennes).
Les acides aminés (principalement la leucine) sont des modulateurs positifs de la glutamate déshydrogénase : si des acides aminés sont présents dans le cytoplasme, ils peuvent être utilisés pour la synthèse des protéines, ou ils doivent être éliminés car ils ne peuvent pas s'accumuler (cela explique pourquoi les acides aminés sont des modulateurs positifs ) .
Elimination de l'ammoniac : cycle de l'urée
Les poissons éliminent l'ammoniac en l'introduisant dans l'eau par les branchies, les oiseaux le transforment en acide urique (qui est un produit de condensation) et l'éliminent avec les matières fécales. Voyons ce qui se passe chez l'homme : nous avons dit que la glutamate déshydrogénase transforme le glutamate en α- le cétoglutarate et l'ammoniac mais nous n'avons pas dit que cela se produit uniquement dans les mitochondries du foie.
Un rôle fondamental de l'élimination de l'ammoniac, à travers le cycle de l'urée, est joué par les transaminases mitochondriales.
Le dioxyde de carbone, sous forme d'ion bicarbonate (HCO3-), est activé par le cofacteur de biotine formant la carboxy biotine qui réagit avec l'ammoniac pour donner de l'acide carbamique ; la réaction suivante utilise l'ATP pour transférer un phosphate sur l'acide carbamique formant du phosphate de carbamyle et de l'ADP (la conversion de l'ATP en ADP est le moteur de l'obtention de la carboxybiotine).Cette phase est catalysée par carbamyl phosphate synthétase et se produit dans la mitochondrie. Le phosphate de carbamyle et l'ornithine sont des substrats pour l'enzyme ornithine trans carbamylase qui les convertit en citrulline ; cette réaction se produit dans les mitochondries (hépatocytes). La citrulline produite quitte la mitochondrie et, dans le cytoplasme, passe sous "l'action de"arginine succinate synthétase: il y a fusion entre le squelette carboné de la citrulline et celui d'un aspartate par attaque nucléophile et élimination subséquente de l'eau. L'enzyme arginine succinate synthétase nécessite une molécule d'ATP donc il y a un couplage énergétique : l'hydrolyse de l'ATP en AMP et en pyrophosphate (ce dernier est ensuite transformé en deux molécules d'orthophosphate) se produit par l'expulsion d'une molécule d'eau du substrat et non par l'action de l'eau du milieu.
La "prochaine enzyme est la"arginine succinase: cette enzyme est capable de diviser le succinate d'arginine en arginine et fumarate dans le cytoplasme.
Le cycle de l'urée est complété par l'enzyme arginase: on obtient de l'urée et de l'ornithine ; l'urée est éliminée par les reins (urine) tandis que l'ornithine retourne dans la mitochondrie et reprend le cycle.
Le cycle de l'urée est soumis à une modulation indirecte par l'arginine : l'accumulation d'arginine indique que le cycle de l'urée doit être accéléré ; la modulation de l'arginine est indirecte car l'arginine module positivement l'enzyme acétyl glutamate synthétase. Ce dernier est capable de transférer un groupement acétyle sur l'azote d'un glutamate : il se forme du N-acétyl glutamate qui est un modulateur direct de l'enzyme carbamyl-phospho synthétase.
L'arginine s'accumule en tant que métabolite du cycle de l'urée si la production de phosphate de carbamyle n'est pas suffisante pour éliminer l'ornithine.
L'urée est produite uniquement dans le foie, mais il existe d'autres sites où les premières réactions ont lieu.
Le cerveau et les muscles utilisent des stratégies spéciales pour éliminer les groupes aminés. Le cerveau utilise une méthode très efficace dans laquelle une enzyme est utilisée glutamine synthétase et une enzyme glutamase: le premier est présent dans les neurones, tandis que le second se trouve dans le foie. Ce mécanisme est très efficace pour deux raisons :
Deux groupes aminés sont transportés du cerveau au foie dans un seul véhicule ;
La glutamine est beaucoup moins toxique que le glutamate (le glutamate effectue également le transfert neuronal et ne doit pas dépasser la concentration physiologique).
Chez le poisson, un mécanisme similaire amène le groupe d'acides aminés aux branchies.
Du muscle (squelettique et cardiaque), les groupes aminés atteignent le foie par le cycle glucose-alanine; l'enzyme impliquée est la glutamine-pyruvate transaminase : elle permet la transposition de groupements aminés (qui se présentent sous forme de glutamate), la conversion du pyruvate en alanine et, en même temps, le glutamate en α-cétoglutarate dans le muscle et, en catalysant la processus inverse dans le foie.
Les transaminases avec des tâches ou des positions différentes ont également des différences structurelles et sont déterminables par électrophorèse (elles ont des points isoélectriques différents).
La présence de transaminases dans le sang peut être un symptôme de lésions hépatiques ou cardiaques (c'est-à-dire de lésions tissulaires des cellules hépatiques ou cardiaques); les transaminases sont à des concentrations très élevées à la fois dans le foie et dans le cœur : grâce à l'électrophorèse, il est possible d'établir si le dommage s'est produit dans les cellules hépatiques ou cardiaques.
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