COURS DE BIOLOGIE

La Communication Cellulaire

Sommaire

En réponse à des signaux émis par notre environnement, l'organisme doit coordonner l'activité de ses cellules.
Cela nous permet de déterminer la notion de réception du signal.
Par la transduction du signal, décodage de ces signaux, l'organisme pourra créer une réponse adaptative : contraction musculaire, sécrétion hormonale... Cette réponse sera à l'origine d'une réponse au niveau d'un autre type cellulaire.

Tous les types cellulaires ont ces échanges mais certains les ont plus développés :

• système nerveux,
• organes des sens,
• système endocrinien,
• système immunitaire.

On comprend donc aisément que les phénomènes de croissance et développement des cellules, organogenèse, histogenèse,coordination des activités de l'organisme, défense de l'organisme soient réglés par la communication cellulaire.
Cela permet à l'organisme de maintenir son homéostasie, son équilibre, en permettant l'interaction de trois sytèmes :

• système nerveux,
• système endocrinien,
• système immunitaire.

1. Le principe de la communication cellulaire

Deux types de molécules sont à sa base :

• la molécule informative (signal) qui est un messager,
• la molécule de réception : récepteur du messager.

Ce système repose sur une stéréospécifité et une affinité toutes deux déterminantes.
3 schèmas de communication existent :

• la molécule informative est sécrétée par une cellule loin du récepteur. Si l'espace entre les cellules est faible (environ 20nm), on parlera de transmission synaptique définisant la molécule informative comme un neurotransmetteur. Si l'espace est limité (environ 100 µm), c'est une transmission paracrine par un médiateur chimique local.Si l'espace est plus important, il s'agira d'une transmission endocrine ;
• contact direct entre les deux cellules, la cellule émettrice présente la molécule informative sur sa membrane ;
• action par contact direct entre les cytoplasmes des deux cellules voisines : GAP junction.

Dans tout les cas, 4 étapes conditionnent la notion de communication :

• la synthèse de la molécule informative,
• sa libération,
• son inactivation,
• son inactivation (par recapture ou inactivation enzymatique).

1.1. La transmission endocrine

Les hormones agissent à distance des cellules qui les synthétisent.
Ces cellules sont généralement constitutrices des tissus glandulaires. Leurs hormones partent donc dans le milieu extracellulaire et vont entrer dans la circulation sanguine les transportant vers divers tissus cibles.
Elles quitteront ensuite les capillaires pour se lier à leurs cellules cibles en passant par le liquide interstitiel.

Comparé aux autres moyens de communication, ce transport confère une action lente à la transmission endocrine. Par ailleurs, les hormones se retrouvent dans une très grande quantité de sang donc leur concentration sera très faible due à une importante dilution.Ceci explique que leurs récepteurs doivent avoir une très grande affinité pour elles.
L'hypothalamus régule le système endocrinien. Il répond à des sollicitations sensorielles et est donc responsable de la transmission de ces informations à l'hypophyse, transmission réalisée via la tige pituitaire et des hormones hypothalamiques typelibérines.

L'hypophyse va continuer la transmission de l'information en visant une seconde cellule cible, par exemple une glande. Cette glande transmettra à son tour l'information aux cibles finales.
Prenons l'exemple de la glande thyroïde. Elle reçoit une information de l'hypopohyse antérieure par la thyréostimuline (TSH). Elle va envoyer cette information aux muscles et foie via la thyroxine (T4) et le triiodothyronine (T3).

1.2. La transmission synaptique

La transmission synaptique est une transmission de l'information par des impulsions électriques donc avec une propagation très rapide (100m/S) le long des fibres nerveuses.L'impulsion permettra l'exocytose des vésicules contenant le neurotransmetteur, exerçant son action sur un seul tissu cible.
La concentration est donc forte et l'affinité faible. (cf cours de neuro-physiologie)
Un neurotransmetteur est donc défini par quatre points :

• il est présent dans l'élément pré-synaptique avec précurseurs et enzymes de synthèse,
• il est libéré dans la fente selon un mécanisme voltage-dépendant,
• il agit par liaison au récepteur post-synaptique,
• il est inactivé par des enzymes au niveau de la synapse.

2. Les molécules informatives

Elles peuvent être classées selon leur fonctionnalité et selon leur structure.
Elles peuvent être : hormones, neurotransmetteurs, cytokines, anticorps, facteurs de croissance, médiateurs de l'inflammation.
Structuralement, on les distingue selon la nature de leur précurseur :

• issues de synthèses protéiques : ce sont donc des protéines (et dérivés)et peptides résultants de la protéolyse de précurseurs de poids supérieurs,
• issues de la transformation d'un acide aminé ou d'un acide aminé,
• issues de composants lipidiques,
• issues de composants stéroïdiens.

La plupart de ces composés sont donc hydrophiles et restent externes à la cellule, se liant sur des récepteurs membranaires. Cependant certains sont hydrophobes et vont donc pénétrer dans la cellule pour se fixer à un récepteur intracellulaire cytosolique ou nucléaire.

2.1. Les médiateurs chimiques locaux

Ils illustrent la paracrinie en agissant dans leur environnement direct. Etudions l'histamine, molécule hydrophile. Elle résulte de ladécarboxylation par l'His-décarboxylase, de l'histidine.
Cette réaction s'effectue au sein des mastocytes et polynucléaires basophiles qui la stockent également. Elle est libérée quand des réactions allergiques se produisent et va se lier à des cellules endothéliales dans le but d'induire une vasodilatation locale.
Ceci justifie son appellation de "médiateur de la réaction d'hypersensibilité immédiate" mais justifie également une durée de vie courte, inactivée par désamination oxydative (catalysée par l'histaminase).

2.2. Les hormones

2.2.1. Hormones hydrophiles

2.1.1.1. Dérivés d'acides aminés : l'adrénaline

Sécrétée par la médullosurrénale, l'adrénaline provient d'une chaîne de transformations débutant avec la tyrosine. Cet acide aminé est hydroxylé en L-DOPA, lui-même décarboxylé en dopamine.
Cette dernière sera hydroxylée en noradrénaline. Contenant un noyau catéchol (ortho-diphénol) et une fonction amine, elles font parties des catécholamines.
L'adrénaline vient donc de la méthylation de la noradrénaline.
Possédant de nombreux récepteurs, elle agit selon un mécanisme d'action endocrine. Elle est l'hormone du stress, augmentant la pression sanguine et la fréquence cardiaque.

2.2.1.2. Peptides

2.2.1.2.1. Peptide possédant un récepteur à activité tyrosine-kinase : l'insuline

L'insuline, petit peptide à 51 acides aminés est d'origine pancréatique, sécrétée par les cellules β des ilôts de Langerhans. Ses deux chaînes A et B sont liées par deux ponts disulfures ( entre les cys 7-7 et 20-19) et un pont disulfure intrachaîne dans la chaîne A.
Hypoglycémiante, elle favorise la consommation du glucose et son intégration dans le métabolisme énergétique (anabolique).
Elle est donc sécrétée en réponse à une augmentation de la glycémie.

2.2.1.2.2. Peptides possédant des récepteurs de type RCPG

Ces récepteurs n'ont aucune activité enzymatique mais sont couplés à des protéines G permettant le transfert du message.

• le glucagon
• Cette hormone est d'origine pancréatique, sécrétée par les cellules α des ilôts de Langerhans. Structuralement ce petit peptide de 29 acides acimés est purement linéaire, sans proline ni pont disulfure. Par son action hyperglycémiante son tissu cible est le foie (catabolique).
• la parathormone
• 84 acides aminés constituent cette hormone hypercalcémiante. Ses tissus cibles sont : le tissu osseux où elle augmente la résorption osseuse, le rein où elle augmente la réabsorption du calcium et diminue la réabsorption de phosphate. Donc suite à son action on observe une augmentation de la calcémie et une diminution de la phosphorémie.
• la calcitonine
• Ce peptide 32 acides aminés est sécrété par la thyroïde. Elle cible également les reins favorisant la diminution de la réabsorption du calcium et le tissu osseux induisant une inhibition de la résorption osseuse. Elle est donchypocalcémiante.
• Les hormones hypophysaires
• La vasopressine est une hormone antidiurétique permettant l'augmentation de la pression artérielle. C'est un peptide à 9 acides aminés contenant un pont disulfure intrachaîne entre les cystéines 1 et 6.
  L'ocytocine est responsable de la contraction du muscle utérin et posséde elle aussi 9 acides aminés avec un pont disulfure intrachaîne entre les cystéines 1 et 6.
  Ces deux peptides se différent en fait par un acide aminé : l'arginine de la vasopressine est remplaçée par une leucine dans l'ocytocine. Leurs récepteurs sont différents, ceci illustre l'importance et la prégnance de la stéréospécificité.
• Une hormone anté-hypohysaire : l'ACTH
• L'adrénocorticotropic hormone est un peptide de 39 acides aminés. La séquence comportant l'activité biologique est la séquence 1-24. L'ACTH cible la corticosurrénale où elle favorise la sécrétion de glucocorticoïdes.
• L'angiotensine
• Elle est tout d'abord synthétisée dans le foie en peptide inactif, l'angiotensinogène. Dans la circulation sanguine il esthydrolysé par la rénine (synthétisée par les cellules juxtaglomérulaires du rein) en angiotensine I (10 acides aminés).
  C'est l'enzyme de conversion de l'angiotensine qui donnera le peptide actif à 8 acides aminés, l'angiotensine II.
  C'est un vasoconstricteur très puissant qui stimule la sécrétion d'aldostérone par la surrénale, favorisant la réabsorption du sodium au niveau rénal (augmentation de la tension).

2.2.1.3. Glycoprotéines

Seront étudiées ici des hormones anté-hypophysaires.

2.2.1.3.1. Glycoprotéine possédant un récepteur couplé à un tyrosine kinase : l'hormone de croissance

La GH (growth hormone) contient 191 acides aminés pour un poids de 22 kDa. Elle agit sur le foie où elle stimule la synthèse dessomatomédines. Elles stimuleront la croissance des os longs et muscles.

2.2.1.3.2. Glycoprotéines possédant des récepteurs de type RCPG

Ce sont trois hormones formées de deux sous-unités glycosylées : une α commune à toutes trois et une β les différenciant.
Ce sont donc :

• la TSH : ou thyréostimuline, ciblant la thyroïde,
• la FSH : ou hormone folliculo-stimulante, ciblant ovaires (croissance des follicules ovariens) et testicules (spermatogenèse),
• la LH : ou hormone lutéinisante, ciblant ovaires (ovulation et stimulation de la sécrétion de progestérone) et testicules (scrétion de testostérone).

2.2.2. Hormones hydrophobes

Elles peuvent franchir la bicouche lipidique et, via des récepteurs intracellulaires, transduire un message au noyau. Ce sont les hormones stéroïdes et thyroïdiennes (transportées par une protéine plasmatique : la TBG thyroxine binding protein, cf cours acides aminés). Les vitamines A et D sont proches de ces molécules.

2.3. Les neurotransmetteurs

Ces molécules hydrophiles possédent deux types de récepteurs : des canaux ioniques ligand-dépendants et des RCPG.

2.3.1. Acides aminés

La glycine est un neurotransmetteur inhibiteur du SNC.
L'acide glutamique est un neurotransmetteur activateur du SNC agissant sur des canaux cationiques Na++ ou Ca++. Cela entraîne donc une dépolarisation de la membrane (cf cours sur la neuro-physiologie).
Le GABA (acide γ-aminobutyrique) est un neurotransmetteur inhibiteur du SNC agissant sur un canal anionique Cl- entraînant une polarisation de la membrane.

2.3.2. Dérivés d'acides aminés

L'acétylcholine est un neurotransmetteur excitateur donc à canal cationique Ca²⁺ et dépolarisation membranaire, agissant sur la plaque motrice des jonctions neuro-musculaires.
Dopamine, noradrénaline, adrénaline agissent par liaison avec des RCPG.

2.3.3. Peptides

Les enképhalines forment une famille de pentapeptides ne différent entre eux que par leur acide C-terminal : leu-enképhaline etmet-enképhaline. Ils agissent par des liaisons à des RCPG.
Les endorphines forment une famille de peptides comportant un nombre d'acides aminés supérieurs aux enképhalines. Ils jouent un rôle dans la nociception et les mécanismes régulateurs de la douleur. Leur origine végétale pour certaines n'est pas un obstacle à leur fixation sur les récepteurs, citons par exemple : la morphine, l'héroïne, l'opium.

3. Les récepteurs

On distingue donc les récepteurs membranaires des récepteurs nucléaires. Ils ont pour points communs :

• une haute affinité pour la molécule informative,
• une stéréospécificité pour cette molécule,
• la liaison récepteur-molécule informative est réversible,
• il y a modification de la configuration spatiale du récepteur lors de la fixation de la molécule, ce qui induira la transduction du message.

3.1. Les récepteurs membranaires

Ils peuvent produire trois types de réponse cellulaire :

• une réponse électrophysiologique, elle correspond aux récepteurs canaux-ioniques et permet une réponse très rapide : moins d'une seconde;
• une réponse métabolique responsable de modifications post-traductionnelles des protéines, donc réponse enzymatique rapide de l'ordre de la minute;
• une réponse transcriptionnelle activant ou inhibant l'expression de certains gènes, réponse donc plus lente se comptant en heures.

Généralement ces types de réponses se traduisent par la production d'un second messager ou de cascade de phosphorylation. Les récepteurs membranaires sont des glycoprotéines transmembranaires donc à 3 régions :

• une extracelluliare glycosylée reconnaissant et fixant la molécule,
• une transmembranaire (hydrophobe) ancrée dans la membrane,
• une intracellulaire responsables des événements biochimiques.

A chaque molécule informative correspond un récepteur mais une molécule informative peut avoir plusieurs récepteurs. On défini donc des familles de récepteurs. Ceci lié aux trois types de réponses nous permet de distinguer trois grands types de récepteurs :

• récepteurs canaux-ioniques, tansduisant eux-mêmes le signal ;
• récepteurs enzymes, transduisant eux-mêmes le signal ;
• récepteurs couplés à des effecteurs distincts, nécessitant l'intervention d'autres protéines pour la transduction du signal.

3.1.1. Les récepteurs canaux-ioniques

Ce sont des protéines transmembranaires hétéro-oligomériques avec une région d'ancrage hydrophobe dans la membrane. Cette région forme le pore central, délimité par les sous-unités. Y passent les ions quand le récepteur est activé, ouvert. Cela confère donc aux récepteurs canaux ioniques une double fonction de reconnaissance du signal et d'effecteurs.
Les molécules informatives des récepteurs canaux-ioniques sont des neurotransmetteurs et leurs récepteurs sont donc localisés dans les réseaux nerveux : synapses et plaques motrices.
Si ce sont des cations qui passent, il y aura dépolarisation et donc activation.
Si ce sont des anions qui passent, il y aura polarisation et donc inhibition.

3.1.1.1. Un récepteur activateur : le récepteur nicotinique de l'acétylcholine

Il fonctionne par un canal cationique non sélectif faisant entrer Na+ et Ca²⁺ et laissant sortir K+ (avec un passage de 10.000 Na+/sec).
Il est localisé sur les plaques motrices des jonctions neuromusculaires. Son agoniste est la nicotine, son antagoniste est le curare.
Il comporte 5 sous-unités protéiques différentes possédant chacunes 4 segments transmembranaires (M1 à M4). ce sont les segments M2 qui délimitent le canal. Ces sous-unités sont : 2 α, une β, une δ, une ε. Les parties COOH et NH2 des sous-unités α sont extracellulaires. Ce sont les sous-unités α qui comportent les sites de liaison de l'acétylcholine.

3.1.1.2. Un récepteur inhibiteur : le récepteur du GABA

C'est un canal anionique sélectif faisant entrer du Cl-.
Il est exprimé au niveau du SNC. Ses agonistes sont les benzodiazépines dont le valium. La structure de base est proche de celle du récepteur nicotinique : cinq sous-unités protéiques, chacune présentant 4 segments transmembranaires (M1 à M4). Mais contrairement aux récepteurs nicotiniques, elle possède sept types de sous-unités possibles : α, β, γ, δ, π, ρ, ε ; d'où la très grande variété de récepteurs. Le GABA se fixera sur les sous-unités α.

3.1.2. Les récepteurs enzymes

Ces protéines transmembranaires existent sous forme de monomères, dimères, tétramères. Ils possédent une double fonction de reconnaissance du signal et d'effecteur. Selon l'activité enzymatique de leur région cellulaire, trois familles se distinguent :

• récepteurs à activité tyrosine kinase,
• récepteurs à activité sérine-thréonine kinase,
• récepteurs à activité guanylate cyclase.

Le NH2 sera dans la partie récepteur extracellulaire et le COOH sera dans la partie intracellulaire, conduction du message.

3.1.2.1. Récepteurs à activité tyrosine kinase

Deux exemples sont à connaitre : le récepteur de plusieurs facteurs de croissance et le récepteur de l'insuline (et donc également ceux de l'IGF : insulin-like growth factor). Ces récepteurs n'ont pas de double fonction, ils n'entraînent pas de réponse électrophysiologique.
Le récepteur de l'insuline est un tétramère composé de deux hétérodimères αβ liés par deux ponts disulfures, les deux sous-unités différentes α et β étant elles mêmes liées par un pont disulfure.
Les deux hétéro-dimères sont liés sur les sous-unités α , sous-unités extramembranaires permettant la liaison de l'insuline. La sous-unité β transmembranaire contient un domaine à activité tyrosine kinase dans son domaine intracellulaire responsable de la transduction du message.
Lorsque l'insuline se fixe sur les sous-unités α il y a changement de conformation spatiale, ceci activant le domaine kinasique des deux sous-unités β. Les tyrosines des sous-unités β sont alors phosphorylées par l'influence de la sous-unité β opposée (autophosphorylation).
Le récepteur phosphorylé va alors recruter vers la membrane une protéine substrat du récepteur pour la phosphoryler à son tour et ainsi déclencher une cascade d'événements biochimiques conduisant à la réponse adaptative. C'est une réponse rapide, post-transcritpionnelle.

3.1.2.2. Récepteurs à activité sérine-thréonine kinase

Ces récepteurs n'entraînent pas de réponse électrophysiologique. Les récepteurs du TGF-β (transforming growth factor-β)en sont un exemple. Là aussi le tétramère est formé de quatre sous-unités transmembranaires (deux types : RI et RII) chacunes ayant une activité sérine-thréonine kinase. On observe le même phénomène d'autophosphorylation des régions intracellulaires suivi de la phosphorylation des facteurs protéiques de transcription.

3.1.2.3. Récepteurs à activité guanylate cyclase

Les récepteurs à activité guanylate cyclase sont les récepteurs des peptides natriurétiques. Il s'agit d'un homo-dimère transmembranaire. L'activation de la guanylate cyclase en intracellulaire par la fixation du peptide en extracellulaire induit la synthèse d'un second messager, le GMP cyclique (guanosine-3',5'-monophosphate) à partir de GTP.

3.1.3. Les récepteurs couplés à des effecteurs distincts

Ils n'exercent que la fonction de réception du signal et vont nécessiter l'action d'autres protéines pour la transduction du signal.

3.1.3.1. Récepteurs couplés à des protéines G

Ils correspondent à des liaisons indirectes récepteur-lien-enzyme et sont également nommés récepteurs serpentins.
C'est une protéine G, molécule de couplage, qui va faire ce lien entre le récepteur et la protéine effectrice. On distingue deux protéines effectrices principales : l'adénylate kinase et la phospholipase C. Ces nombreux récepteurs permettent la transmission de l'information. Ils sont composés de sept segments transmembranaires, région de liaison de la ou les protéines G.

Une protéine G est un hétérodimère pouvant fixer du GTP. Elle est constituée de trois sous-unités α, β, γ, α et β étant ancrées à la membrane.
La sous-unité α posséde une activité GTPasique lente. La protéine G est activée par fixation d'un GTP sur sa sous-unité α (Gα-GTP) et s'inactive par hydrolyse du GTP en GDP (Gα-GDP). Quand il y a fixation de la molécule informative le changement de conformation spatiale se transmet à la sous-unité Gα.
Celle-ci échange GDP contre GTP et simultanément elle se dissocie du dimère Gβγ. Elle va alors activer la protéine enzymatique effectrice. Après phosphorylation et retour à la forme inactive le complexe hétérodimérique Gα-GDP/Gβγ se reforme, la transduction s'arrête.
Ils existent plusieurs protéines G. Les Gαs activent l'adénylate cyclase, les Gαi l'inhibent, les Gαq activent la phospholipase C.

L'adénylate cyclase est une protéine intégrale de la membrane à 12 segments transmembranaires. L'activité enzymatique s'effectue sur deux imortants domaines intracellulaires. A partir d'ATP elle synthétise un second messager, l'AMP cyclique. Elle va activer la protéine kinase A qui est également une sérine-thréonine kinase. La PKA phosphorylera des protéines cytosoliques et des protéines nucléaires.

La phospholipase C est ancrée à la face interne de la membrane. Elle permet l'hydrolyse de la liaison phospodiester duphosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) produisant deux seconds messagers : l'inositol-1,4,5-triphosphate (IP3) libéré dans le cytosol et le diacylglycérol restant ancré dans la membrane. L'IP3 est responsable de l'activation d'un canal calcique situé sur la membrane du réticulum endoplasmique, induisant la libération de Ca²⁺ dans le cytosol. Le diacylglycérol (DAG) active la protéine kinase C PKC, sérine-thréonine aussi nécessitant un apport de Ca²⁺ pour s'ancrer à la membrane cellulaire.

L'adrénaline par exemple posséde plusieurs récepteurs différents dont les récepteurs α-adrénergiques couplé à une protéine Gαs et β-adrénergiques couplé à une protéine Gαq.

3.1.3.2. Récepteurs couplés à des tyrosines kinases

Le récepteur est un monomère lié en intracellulaire à une protéine enzymatique à activité tyrosine kinase. Quand la molécule informative se fixe, le récepteur se dimérise et permet alors la phosphorylation croisée des domaines intracellulaires. Le récepteur phosphorylé va alors recruter vers la membrane des protéines substrats pour les phosphoryler à leur tour par la tyrosine kinase. Ces protéines sont des facteurs de transcription.

3.2. Les récepteurs nucléaires

Ils interviennent dans la modulation de la transcription des gènes. Ce sont des protéines solubles activées par la liaison de la molécule informative. Ils sont normalement localisés dans le noyau sauf le récepteur des glucocorticoïdes situé dans le cytosol. Ce sont des facteurs de transcription qui ne s'activent et donc se lient à l'ADN qu'en présence de la molécule informative.
Ils ont trois domaines principaux. Le domaine de la régulation de la transcription est dans la région N-terminale. La région C-terminale renferme le domaine de liaison de l'hormone et une région contigüe à la région N-terminale contient le domaine de liaison à l'ADN

·         Les Acides Aminés

Ces petites molécules quaternaires composées de C, H, O, N existent sous plus de 300 formes différentes dans la nature.
Seulement 20 d'entre eux rentrent dans la constitution d'unités monomériques des peptides et des protéines de l'organisme humain. Ce sont les acides aminés protéinogènes.
Certains acides aminés sont aussi cétogènes (ils participent à la formation de corps cétoniques hépatiques),glucoformateurs (ils entrent dans la constitution du glucose hépatique) ou bien encore participent à la formation d'acides gras dans le foie. Ils ont, en outre, un rôle dans la formation d'énergie par le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire.

1. Structure des acides aminés

Un acide aminé est un composé possédant une fonction acide et une fonction basique qui est aminée. Autrement dit, ils ont un groupement acide carboxylique (-COOH) et un groupement amine, généralement primaire (-NH₂).
Ce motif commun aux 20 acides aminés est porté par le même carbone: le carbone alpha, d'où le nom d'acide α-aminés. Il s'agit d'un carbone C asymétrique noté C*.
Sur ce carbone alpha commun, vient se fixer une chaîne carbonée : c'est le radical, spécifique à chaque acide aminé. Seule la prolineest un acide α-iminé.

Il existe trois groupes de radicaux :

• radical linéaire,
• radical hétéro-cyclique,
• radical cyclique (noyau).

En ce qui concerne les radicaux linéaires, on trouve :

• H (absence de carbone asymétrique),
• méthyl : CH₃,
• Alcool I : CH₂OH,
• Alcool II : CHOH-CH₃,
• Soufré : SH (thiol),
• Soufré substitué : S-CH₃,
• Ramifié : exemple : CH₃-CH₃-CH₃...
• Acide carboxylique : COOH,
• Basique : NH₂, guanidine,
• Amide : NH₂-CO.

Pour les radicaux hétéro-cycliques, deux sous groupes existent :

• les radicaux hétéro-cycliques saturés : ils comportent un noyau pyrrolidine (C α et fonction α-iminée NH)
• les radicaux hétéro-cycliques insaturés : ils comportent un noyau imidazole à 2N.

Enfin, dans les radicaux cycliques, on dénombre trois types de noyaux :

• benzène,
• phénol (benzène + OH)
• indol (benzène + pyrrole).

Reprenons : les 20 acides aminés comportent communément le motif COOH-C*H-NH₂ sur lequel vient s'ajouter un radical propre à chaque acide aminé. Le carbone α est donc bien asymétrique et il existe donc 2 stéréoisomères. Ce sont des molécules chirales, sur lesquelles on observe le placement du groupement amine -NH₂ à gauche du C* (quand on place le radical en bas). Au sein des acides aminés protéinogènes, c'est la forme L qui domine ( L-acides aminés ).
Les D-acides aminés existent. Ils sont issus de transformations diverses au sein de l'organisme : racémisation, vieillisement, chauffage...

2. Propriétés physico-chimiques

Les acides aminés sont des molécules solubles dans l'eau donc dans les liquides physiologiques par leurs diverses propriétés.

2.1. Ionisations des acides aminés

2 fonctions ionisables sont portées par le C*, conférant aux acides aminés leur caractère amphotère. Ces 2 fonctions ionisables sont faibles.

• A pH acide (saturation en H+), les formes protonées, acides dominent. L'acide aminé est alors un cation (aminoacide chargé positivement) portant un groupement COOH et un groupement NH₃+.
• A pH neutre, les deux groupements sont ionisés donc l'acide est amphotère. Sa charge globale est nulle, on le nommeZwiterrion.
• A pH basique (départ maximal des H+), les formes déprotonées dominent. L'acide aminé est alors un anion (aminoacide chargé négativement) portant un groupement COO- et un groupement NH₂.

On répertorie 15 des acides aminés comme étant neutres à pH 7. Il faut s'intéresser au pHi (Ph isoéléctrique ou point isoélectrique) des 5 autres acides aminés pour savoir s'ils sont acides ou basiques.

Rappel : le pHi est la valeur de du pH pour laquelle la solution d'aminoacides a une charge nulle, ce qui signifie que les acides aminés sont tous sous la forme de zwitterion.

• Un acide aminé est dit neutre quand son pHi est compris entre 5 et 6.
• Il est dit acide quand son pHi est inférieur ou égal à 3.
• Il est dit basique quand son pHi est supérieur à 7.

On détermine alors deux aminoacides acides comportant une fonction acide supplémentaire au sein du radical. Ils sontdicarboxyliques à pH neutre. Ce sont :

• l'acide aspartique ou aspartate à pHi=2,7
• l'acide glutamique ou glutamate à pHi=3,2.

De la même façon, on détermine trois aminoacides basiques comportant une (ou plus) fonction(s) basique(s) supplémentaire(s) au sein du radical.Ce sont :

• l'histidine à pHi=7,6 (+2N),
• la lysine à pHi=9,7 (+1N),
• l'arginine à pHi=10,7 (+3N).

2.2. Polarité des radicaux

(à lire conjoitement avec le paragraphe 3.1.)

Grand sujet de discussion entre scientifiques, plusieurs outils chimiques et théories existent pour déterminer la polarité ou apolarité des acides aminés. Cependant, plusieurs points sont à retenir :

Acides aminés apolaires :

Valine (Val), Isoleucine (Ile), Leucine (Leu), Methionine (Met), Proline (Pro), Phénilalanine (Phe), Tryptophane (Trp),Alanine (Ala), Glycine (Gly).

Acides aminés polaires non ionisables :

Cystéine (Cys), Tyrosine (Tyr), Serine (Ser), Thréonine (Thr),Asparagine (Asn), Glutamine (Gln).

Acides aminés polaires ionisables :

Acide Aspartique (Asp), Acide Glutamique (Glu), Histidine (His), Lysine (Lys), Arginine (Arg).

2.3. Absorption des acides aminés aromatiques.

Les aminoacides aromatiques, c'est à dire possédant un noyau aromatique insaturé à double liaison ont une absorption caractéristique à 200 nm, ce qui permet leur dosage spectrophotométriques spécifiques dans les protéines.

3. Classification des acides aminés en fonction de leur polarité

3.1. Apolaires

Ils sont tous neutres, hydrophobes pour la plupart et sont au nombre de 9.
Dans l'ordre croissant selon leur poids moléculaire : linéaires, hétéro-cyclique, cyclique; soit :
Glycine (Gly), Alanine (Ala), Valine (Val), Leucine (Leu), Isoleucine (Ile), Methionine (Met), Proline (Pro), Phénilalanine (Phe), Tryptophane (Trp).

3.2. Polaires

En majorité hydrophiles, on retrouve les trois types d'ionisations :

• neutres,
• acides
• basiques.

Dans l'ordre croisant selon leur poids moléculaire :
neutres linéaires non ionisables, neutre cyclique, acide linéaire ionisable, basique linéaire ionisable, basique hétéro-cyclique; soit :
Serine (Ser), Thréonine (Thr), Cystéine (Cys), Asparagine (Asn), Glutamine (Gln), Tyrosine (Tyr), Acide Aspartique (Asp), Acide Glutamique (Glu), Lysine (Lys), Arginine (Arg), Histidine (His).

4. Principales propriétés biochimiques

4.1. Réactions dues au groupement carboxylique -COOH

4.1.1. Décarboxylation

Certains aminoacides s'illustrent par leur implication dans l'anabolisme. Ainsi les réactions de décarboxylations sont à l'origine de la synthèse de dérivés importants comme le GABA, β-Alanine (Ala), des amines...
Ces réactions de décarboxyaltions catalysées pas des décarboxylases spécifiques de l'acide aminé suivent la réaction générale suivante : AA --> CO₂ + R-CH₂-NH₂

4.1.2. Formation du groupement amide NH₂-CO

Ou "comment passer de l'acide à la base correspondante". Ce type de réaction concerne donc majoritairement le glutamate et l'aspartate selon la réaction type :
acide aminé acide + NH₃ + ATP --> acide aminé basique correspondant + ADP + P.
Cette réaction est catalysée par une synthétase spécifique (glutamine synthétase par exemple).

4.1.3. Formation de la liaison peptidique -CO-NH-

Constituant le squelette de la structure primaire des protéines, elle s'effectue entre le COOH α d'un aminoacide et le NH₂ α d'un autre aminoacide

4.2. Réactions dues au groupement amine -NH₂

4.2.1. Désamination

Cette réaction aboutit à la libération d'ammoniac NH₃ et se fait en deux étapes : la libération de la fonction amine sous forme d'ammoniac NH₃ puis action de la déshydrogénase spécifique de l'acide aminé basique pour lui ôter son azote.
Par exemple, pour le glutamate, on aura :

• Glutamine + H₂O --glutaminase--> NH₃ + glutamate
• glutamate + H₂O + NAD+ --glutamate déshydrogénase--> NH₃ + α-cétoglutarate + NADH,H+

4.2.2. Transamination

Il s'agit du transfert du groupement NH₂ d'un acide aminé sur un α-cétoacide devenant l'acide aminé correspondant.Ce type de réaction nécessite un coenzyme, le pyridoxal-P et est catalysée par une transaminase correspondante.
Par exemple, l'Alanine a pour α-cétoacide le pyruvate, et l'α-cétoglutarate correspond au glutamate. L'alanine, par l'alanine transaminase (ALAT) et le pyridoxal-P, va passer son NH₂ à l'α-cétoglutarate, donnant la réaction suivante :
Alanine (Ala) + α-cétoglutarate -- ALAT + Pyridoxal-P --> pyruvate + glutamate.

4.3. Réactions dues au radical

La réactivité du radical conditionne in vivo les modifications post-traductionnelles des protéines. Selon la nature du radical, une protéine peut par exemple s'associer à des motifs glucidiques pour former des glycoprotéines...
Elles peuvent également être phosphorylées sur les résidus de Serine (Ser), Thréonine (Thr), Tyrosine (Tyr).
Cette phosphorylation est très importante car c'est un des phénoménes réversibles de régulation de certaines protéines.

5. Rôles métaboliques des aminoacides

Les 20 acides aminés protéinogènes sont à fournir en quantité suffisante par une nutrition équilibrée.
Mais il existe aussi une synthèse endogène (à partir du glucose) de 12 des aminoacides protéinogènes pour assurer un apport satisfaisant à notre organisme.
Il reste donc 8 acides aminés ne pouvant être qu'apportés par l'alimentation, il s'agit des acides aminés essentiels. Ces 8 Acides Aminés Essentiels sont :

Valine (Val), Isoleucine (Ile), Leucine (Leu), Lysine (Lys), Methionine (Met), Phénilalanine (Phe), Tyrosine (Tyr), Tryptophane (Trp).

L'absence ou la faible disponibilité d'un Acide Aminé Essentiel suffit à ralentir voire bloquer la synthèse protéique.

un moyen mnémo parmi une multitude : VIL(A) (H)LM PTT (soit VIL : neutres linéaires ramifiés et apolaires tout trois, PTT : cyclique tout les trois). Que viennent faire le A de l'arginine et le H de l'histidine dans ce moyen mnémo me demanderez-vous! Et bien il s'agit des neuvième et dizième Acide Aminé Essentiel nécessaires pour avoir les 10 Acides Aminés Essentiels de l'enfant. Autre moyen donné en amphi : Va TRipoter Lysine Mais Fais LE Très Isolément.

Une fois rentré dans l'organisme, ces 20 acides aminés protéinogènes peuvent suivre deux voies différentes : le catabolisme énergétique ou l'anabolisme :

• Le catabolisme énergétique extrait le groupement NH₃ et aboutit à l'obtention de CO₂, H₂0 et ATP.
• L'anabolisme peut mener à la synthèse protéique, à la synthèse de divers acides aminés non essentiels, à la synthèse de dérivés azotés non protéiques.

6. Description des 20 acides aminés

6.1. Tableau récapitulatif des 20 acides aminés

6.2. Réactions entre acides aminés

6.2.1.Le glycocolle

Le glycocolle ou glycine, petit acide aminé de poids moléculaire=74 et sans isomère peut avoir deux origines : exogène (les protéines alimentaires) et endogène : décarboxylation de la sérine.
Il entre dans la constitution de protéines fibreuses comme le collagène ou plus particulièrement l'élastine à hauteur de 30%.
On le trouve également dans des molécules azotées comme le glutathion et la créatine.

6.2.2. L'alanine

Cet acide aminé non essentiel provient majoritairement des protéines alimentaires. Il est généralement directement transaminé en pyruvate (provenant du glucose par le glycoloyse) grâce à l'ALAT (cf ante) mais si nécessaire, cette transamination est réversible.
Tout comme le glycocolle, il entre dans la constitution du collagène et de l'élastine (à 15%).

6.2.3.L'aspartate et l'asparagine

Tout deux ont une origine exogène.
Cependant, par une réaction de formation du groupement amide ou de désamination (cf ante), l'aspartate peut se transformer en asparagine et réciproquemment.
L'aspartate est directement transaminé (comme précédemment, par l'ASAT) en oxaloacétate (4 Carbones, celui-ci peut aussi provenir du glucose).

6.2.4. Le glutamate et la glutamine

Schéma quasi identique qu'au précédent : la glutamine, amide du glutamate peut être désaminée en glutamate et le glutamate peut être transformé en glutamine mais il est directement transaminé (par l'ALAT) en α-cétoglutarate.

6.2.5. La thréonine et la sérine.

Ces deux aminoacides sont d'origine exogène alimentaire généralement (bien que la sérine peut provenir de la glycine ou du glucose).
La thréonine peut être décarboxylée irréversiblement en sérine.
Tout deux possédant un OH alcoolique, ils sont capables de fixer un phosphate PO₃H₂.

6.2.6.Acides aminés soufrés

Méthionine et cystéine ont une origine exogène alimentaire.
Cependant, la méthionine (5 Carbones ) peut être décarboxylée en homocystéine (4 Carbones). Celle-ci peut elle-même être décarboxylée en cystéine (3 Carbones).
La cystéine est alors sous forme réduite cys-SH. Elle est alors devant deux devenirs possibles :

• Soit elle est décarboxylée en taurine (2 Carbones), radical : CH₂-SO₃H (groupement acide sulfoïque), acide aminé non essentiel et non protéinogène.
• Soit elle est condensée avec une autre cystéine réduite et forme la cystine (6 Carbones), en forme oxydée Cys-S-S-cys.

6.2.7. Acides aminés cycliques

Phénylalanine et tyrosine sont d'origine exogène alimentaire.
La Phénilalanine (Phe) est cependant directement hydroxylée par la Phe-hydroxylase en tyrosine. Celle-ci pouvant à son tour être hydroxylée en L-DOPA par la Tyr-hydroxylase.
Médicalement, une des utilisations de la L-Di-OH-phényl-alanine ( L-dihydroxyphenylalanine ) se trouve dans le traitement des maladies neurovégétatives.
La tyrosine comporte un OH phénolique polaire permettant la fixation d'un groupement phosphate (PO₃H₂).

7. Quelques acides aminés non protéinogènes

7.1. La β-alanine

La β-alanine, acide aminé de formule H₂N-C*H₂-CH₂-COOH provient de la décarboxylation de l'aspartate et entre dans la structure du CoA.

7.2.Le γ-amino-butyrate (GABA)

Il est issu de la décarboxylation du glutamate (5 carbones) et s'illustre en tant que neuromédiateur inhibiteur.
Il a pour formule : 
H₂N-CH₂-CH₂-CH₂(gama)-COOH

7.3. La taurine

Cette petite molécule à deux carbones est le résultat de la décarboxylation et oxydation de la cystéine et elle contient donc une fonction acide sulfonique.
Nécessaire à la digestion des lipides, elle solubilise les acides biliaires.
Sa formule est :
H₂N-CH₂-CH₂-SO₃H .

7.4. Quelques autres

Citons aussi, parmi ces aminoacides non protéinogènes :

• l'Homocystéine (Hcy) à 4 Carbones issue de la décarboxylation de la méthionine;
• l'Ornithine (Orn) provenant de l'arginine, l'ornithine étant elle-même à l'origine de la Citrulline (Cit).
• La Citruline (Cit)

Ornthine et Citrulline se retrouvent dans le cycle de l'urée.

8. Les méthodes de dosage des acides aminés

8.1. Séparation et dosage chimique des acides aminés

8.1.1 Chromatographie sur résine échangeuse d'ions

Le principe est simple : sur une colonne remplie d'une résine cationique sulfonique (SO₃-) équilibrée par des ions Na+, on réalise la fixation à pH acide des acides aminés sous forme de cations. On réalise ensuite l'élution, le décrochage à pH croissant des acides aminés.
Partent en premier les acides puis les neutres et enfin les basiques.

8.1.2. Dosage colorimétrique à la ninhydrine

A chaud et en présence d'un excès de ninhydrine, les acides aminés subissent une désamination et une décarboxylation.
On obtient une coloration violette proportionnelle à la quantité d'acides aminés.

8.2. Dosage bactériologique de la Phénilalanine (Phe) ou test de Guthrie

Dans le cadre du dépistage systématique (depuis 1971) néonatal de la phénylcétonurie (déficit en Phe-hydroxylase, 1 cas sur 15 000), on réalise au troisième jour de vie du nouveau-né ce test de Guthrie.
Cette pathologie génétique (ou congénitale) est très lourde de conséquences : manifestations nerveuses : perturbations de la myélinisation et toxicité neuronale des produits de dégradation de la tyrosine : microcéphalie, retard psychomoteur troubles comportementaux; anomalies osseuses (ostéoporose),anomalies pigmentaires, association fréquente avec une obésité d'installation précoce.
Le dosage est semi-quantitatif.
Le sang prélevé du talon du nourrisson est recueilli sur un papier buvard puis examiné en labo dans une boîte de pétri comportant le Bacillus subtilis et un inhibiteur de croissance. Si le taux de Phénilalanine (Phe) est élevé cela signifie qu'il y a une levée de l'inhibition, la croissance est proportionnelle au taux de phénylalanine, le bacille croit.
Le seul traitement possible est alors un régime privé de phénylalanine.

9. Quelques dérivés des acides aminés

9.1. Quelques (mono-)amines biogènes

9.1.1. L'histamine

L'histidine, médiateur chimique à action locale de l'allergie, est décarboxylée par l'His-décarboxylase en histamine ayant un rôle dans les réactions allergiques et inflammatoires.

9.1.2. La L-DOPA

La Di-Hydroxy-phényl-alanine est décarboxylée en Dopamine par la DOPA-décarboxylase.
Elle est hydroxylée par la dopamine β-hydroxyalse en Nor-adrénaline. Au niveau de la glande médullo-surrénale, la Nor-adrénaline est méthylée en Adrénaline, hormone du stress ( hormone du P1 ^^ ).

9.1.3. Devenirs du tryptophane

Il peut être décarboxylé en tryptamine, vasoconstrictrice et hypertensive.
Ou il peut être hydroxylé en 5-OH-tryptophane qui subit une décarboxylation pour donner la 5-OH-tryptamine ou sérotonine, neurotransmetteur agissant dans les mécanisme nerveux du sommeil et de l'humeur.
Une acétylation dans l'épiphyse transforme la sérotonine en mélatonine. Cette sécrétion augmente avec l'obscurité (selon un cycle circadien) pour favoriser l'endormissement.

9.2. Les hormones thyroïdiennes

La condensation de deux tyrosines donne la thyronine, précurseur de 2 hormones actives : tri-iodothyronine et tétra-iodothyronine.
En fait il s'agit d'une fixation progressive de l'iode alimentaire exogène sous forme ionisée I- par la glande thyroïde sur la thyronine.
La première fixation aboutit à la T3 ou tri-iodothyronine et une seconde iodation donne la thyroxine ou T4 qui représente 80% des hormones thyroïdiennes et est indispensable à la croissance et au développement cérébral du nourrisson.

Un déficit de synthèse ou un déficit en iode peuvent être responsable de l'hypothyroïdie néonatale (1 cas sur 4 500), pathologie congénitale dont le dépistage néonatal est systématique depuis 1978.

9.3. La L-carnitine

Ce dérivé est très important puisqu'en charge du transport des acides gras à chaînes longues, plus de 12 carbones, du cytosol vers la mitochondrie. Elle est donc ubiquitaire et un tel besoin est assuré par une double origine.

• La première origine est exogène, il s'agit de notre alimentation carnée (de la viande).
• La deuxième source de L-carnitine est endogène : synthèse à partir de la Lysine et de la Méthionine.

9.4. Créatine, créatine~P, créatinine

La créatine est synthétisée dans le foie à partir de trois acides aminés : Arginine (Arg), Glycine (Gly), Methionine (Met).
Une fois en circulation sanguine, cette créatine va, au sein des muscles, subir une phosphorylation sur le NH₂ de l'ex Arginine (Arg). Cette phosphorylation est réalisée par la créatine-P kinase (CPK) selon la réaction suivante : créatine + ATP --> ADP + créatine~P. Cette liaison est fortement énergétique (11000 cal).
Dans un second temps, toujours dans le muscle, la créatine~P est cyclisée en créatinine par déshydratation entre l'ex Arginine (Arg) et l'ex Glycine (Gly).
Enfin, la créatinine est excrétée par les reins dans l'urine.

Les taux de créatinine sanguine et urinaire sont faibles et constants. Ils sont proportionnels à la masse musculaire de l'individu et ils sont donc à la base de l'évaluation de la fonction rénale d'un organisme.

9.5. L'urée

C'est l'ultime produit du catabolisme azoté des acides aminés exogènes et endogènes.
Dans le foie, on observe la synthèse de l'urée à partir de NH₃ par le cycle de l'uréogenèse dans lequel on retrouve l'ornithine, la citrulline et l'arginine.
On obtient ainsi cette petite molécule (poids oléculaire =60) à la formule simple : H₂N-CO-NH₂.

Contrairement à la créatinine, les taux sanguins et urinaires de l'urine sont élevés et surtout sont variables en fonction de multiples facteurs : alimentation, hydratation, fonction hépatique...
Par conséquent ces dosages sont moins spécifiques pour évaluer la fonction rénale.

L'urée n'est pas toxique.

9.6. Le glutathion

Cette petite molécule intracellulaire est un tripeptide : γ-glutamyl-cystéinyl-glycocolle.
D'un point de vue structural, il y a une liaison peptidoïde entre le Glutamate et la Cystéine puis une liaison peptidique entre la cystéine et le glycocolle.
Le groupement thiol SH de la cystéine centrale est capable d'oxydoréduction, phénoméne observé dans le globule rouge. Cette oxydoréduction fait passer la cystéine à l'état de cystine soit : 2 G-SH (réduit) --> G-S-S-G (oxydé

Les Lipides

1. Définition

Ils sont composés d'un groupe de substances chimiquement hétérogènes apparentées aux acides gras.
Ces molécules sont caractérisées par leur hydrophobicité, mais elles sont solubles dans les solvants organiques non polaires tels que l'éther ou le chloroforme.

2. Classification

Elle se fait principalement selon un critère fonctionnel.
On distingue ainsi :

• des lipides de réserve (les triacylglycérols),
• des lipides de structure (acide phosphatidique et dérivés, sphingolipides, stérides...),
• des lipides à vocation de molécules informatives (prostaglandines, facteur d'agrégation des plaquettes, thromboxanes,hormones stéroïdes...).

On peut néanmoins réaliser une classification basée sur leur structure chimique selon les notions de lipides simples (esters d'acides gras et de divers alcools) et de lipides complexes (esters d'acides gras et d'alcool dont la molécule contient divers groupes en plus de l'acide gras et de l'alcool).

3. Les acides gras

Ce sont des acides carboxyliques aliphatiques de formule générale: CH₃-(CH₂)n-COOH.

3.1. Nomenclature et structure

3.1.1. Acides gras saturés

Ces hydrocarbures ont une nomenclature comportant le terme "acide" suivi du nombre d'atomes de carbone et le suffixe -anoïque(exemple: acide octanoïque).
Dans les graisses naturelles, les acides gras saturés trouvés sont généralement des dérivés à chaîne linéaire et ont un nombre pair d'atome de C.
La biosynthèse des acides gras aboutit, chez les mammifères, à un acide gras saturé à 16 C: l'acide hexadécanoïque ou acide palmitique de formule CH₃-(CH₂)₁₄-COOH.
Sur une chaîne d'acide gras, la numérotation des carbones commence avec le C du groupement carboxylique ( C n°1) et finit par lecarbone méthylique terminal. Le C n°2 est dénommé α, le C n°3 est β et le carbone méthylique terminal est le carbone ω.
Citons un autre acide gras : l'acide stéarique à 18 C. Tous les acides gras humains sont synthétisés soit à partir de l'acide palmitique, soit à partir d'acides gras d'origine alimentaires.

3.1.2. Acides gras insaturés

Leur nomenclature s'effectue de la même façon que précédemment, cependant le suffixe devient -énoïque.
Il existe prinicipalement deux conventions d'indication des positions des doubles liaisons.

Voyons cela avec des exemples.
L'acide oléique est un acide gras mono-insaturé à 18 C avec une seule double liaison entre les carbones 9 et 10. On peut donc le nommer en indiquant l'emplacement de le double liaison en partant du carbone n°1 : (18 :1) Δ 9 (18C, 1 double liaison, elle se trouve dès le C n°9). On peut aussi partir du sens opposé, du C ω et déterminer que la double liaison et à 9 carbones de l'ω, on parlera alors d'ω 9.

Les doubles liaisons des acides gras naturels sont majoritairement en position cis selon des angles de repliement de 120°.

Il existe aussi des acides gras poly-insaturés, dont les doubles liaisons sont séparées par 3 carbones. Citons :

• l'acide linoléique : (18 :2) Δ 9,12 ou ω 6,
• l'acide α-linolénique : (18 :3) Δ 9,12,15 ou ω 3,
• l'acide γ-linolénique ou linolénique : (18 :3) Δ 6,9,12 ou ω 6,
• l'acide arachidonique ou eicosatétranoïque : (20 :4) Δ 5,8,11,14 ou ω 6.

L'acide linoléique et l'acide α-linolénique ne peuvent pas être désaturés chez l'homme, dépourvu de désaturase au-delà du C n°9. Cela explique qu'ils sont indispensables à l'homme et doivent donc être apportés par l'alimentation.
Les eicosanoïdes, dérivés d'acides gras polyénoïques à 20 carbones, se trouvent facilement dans l'organisme (leucotriènes, prostaglandines...). Ces composés sont d'origines endogènes, ce qui nous amène à déterminer la synthèse d'acides gras polyinsaturés depuis les deux acides gras indispensables.
La ration alimentaire normale apporte de l'acide linoléique et de l'acide α-linolénique. L'acide linoléique perd deux hydrogènes sous l'action de la désaturase Δ 6.On obtient l'acide γ-linolénique qui va se rallonger de deux carbones sous l'action d'une synthase. Cette réaction donne l'acide eicosatriénoïque (20 :3) Δ 8,11,14 ω 6. Et sous l'action d'une désaturase Δ 5 (à nouveau perte de 2H) on aboutit à la création de l'acide arachidonique.
L'acide eicosatriénoïque et l'acide eicosatétranoïque sont donc les précurseurs de prostanoïdes (prostaglandines et thromboxanes) et de leucotriènes.
La cyclisation de l'acide gras précurseur par des cyclo-oxygénases COX aboutit à la formation de prostanoïdes.
L'oxydation par des lipo-oxygénases permet la synthèse des leucotriènes.

3.2. Propriétés des acides gras

Plus un acide gras a une chaîne longue, moins il sera soluble.

La seule partie réactive des acides gras est le groupement carboxylique.

L'insaturation détermine le point de fusion. Plus un acide gras est insaturé, plus son point de fusion est bas : l'acide stéarique a un point de fusion de 69,4°C, l'acide oléique : 13,4°C, l'acide linoléique : -5°C.
On comprend donc aisément que les graisses animales solides à 20°C soient riches en acides gras saturés et que les huiles soient riches en acides gras insaturés.
Les acides gras insaturés sont de plus sensibles à l'oxydation entraînant des coupure de doubles liaisons, c'est le rancissement des graisses ( responsable par exemple de l'odeur désagréable que peut avoir le beurre ).

3.2.1. Réaction d'estérification

In vivo on peut observer cette réaction enzymatique pour former des lipides de l'organisme.
Citons le glycérol, trialcool dont chaque fonction alcool est estérifiable par des acides gras. Cela peut mener à desmonoacylglycérols, des diacylglycérols et des triacylglycérols ou triglycérides. Les possibilités sont multiples par la multiplicité de combinaisons d'acides gras pouvant entrer dans leur composition. On peut donc définir les graisses et huiles comme étant des esters d'acides gras et d'alcools en conservant individuellement les caractéristiques énoncées antérieurement.
Un exemple concret de ces estérifications est le cholestérol, stérols des tissus animaux le plus abondant. A l'origine des hormones stéroïdes, il est constitué de : 4 cycles accolés (formant le noyau cholestane), d'une seule double liaison (entre les C5 et C6) et d'une fonction alcool estérifiable sur le carbone β par un acide gras pour former un stéride.

3.2.2. Réaction d'amidification

Soit, in vivo :
acide gras + sphingosine (aminoalcool à 18C) --> céramides (famille des) + eau

4. Les lipides complexes

On distingue deux grandes familles : les glycérophospholipdes et les sphingolipides.

4.1. Les glycérophospholipides

Leur structure est constituée d'une molécule de glycérol comportant une liaison ester ou éther en position 1 du glycérol.
On obtient donc deux sous familles :

• les phospholipides-esters
• les phospholipides-éthers.

4.1.1. Les phospholipide-esters

Ils ont pour structure de base l'acide phosphatidique : un glycérol estérifié par deux acides gras en C1 et C2 et estérifié par une molécule d'acide phosphorique en C3. Ce dernier C3 est donc porteur d'un motif OH en bout de branche.
Cela permet l'addition éventuelle d'une deuxième alcool pour aboutir à d'autres glycérophospholipides.
Peuvent ainsi être ajoutés : sérine --> phosphatidylsérine, éthanolamine --> phosphatidyléthanolamine,choline(triméthyléthanolamine) --> phosphatidylcholine, inositol (hexa-alcool cyclique) --> phosphatidylinositol, glycérols -->phosphatidylglycérols.

Un phosphatidylglycérol dispose d'une fonction OH libre permettant sa réaction avec un autre acide phosphatidique donnant un lipide complexe nommé cardiolipine (ce composé contient donc 2 phospholipides esters).

4.1.2. Les phospholipide-éthers

On conserve le glycérol en structure de base avec son groupement alkyl en C1.
En C2, la fonction alcool est estérifiée par un acide gras et on retrouve l'acide phosphorique en C3.
On va donc retrouver les mêmes possibilités de réactions que précédemment : addition de molécule alcool aboutisant à une multidute de lipides complexes.
Citons par exemple le facteur d'activation des plaquettes : plaquets activating factor (PAF) : la 1-alkyl-2-acétylglycérophosphocholine.

4.2. Les sphingolipides

Issu des céramides (étudiées en 3.2.2) ou N-acylsphingosine, ils sont le fruit de l'addition/fixation d'une molécule sur la fonction alcool primaire de la sphingosine.
Si la molécule fixée est une phosphorylcholine, on aboutit à la famille des sphingomyélines.
S'il s'agit d'un ose, on aboutit à la famille des cérébrosides.
Citons par exemple les galactosylcéramides, constituant majeur des myélines.

4.3. Conclusion sur la bicouche lipidique

Elle renferme un grand nombre de lipides complexes qui vont se répartir spécifiquement sur le feuillet interne ou externe, selon leur charge.

Ainsi, sur le feuillet externe, on trouvera :

• phosphatidylcholines,
• sphingomyélines,
• glycolipides.

Sur le feuillet interne :

• phosphatidylsérine,
• phosphatidyléthanolamines,
• phosphatidylinositols.

Le cholestérol est présent sur les deux faces

La Glycolyse

1. Définition

Elle consiste en l'oxydation progressive d'une molécule de glucose à 6 carbones en deux molécules de pyruvate à 3 carbones.
Elle a pour but de transférer et de produire de l'énergie.
La glycolyse est la voie métabolique obligatoire pour conduire à l'utilisation complète du glucose comme substrat énergétique.

2. Le transport du glucose

Le glucose, quelle que soit son origine (exogène ou endogène), est apporté par la circulation sanguine aux organes nécessitant de l'énergie, comme les muscles.
Pour entrer dans les cellules, le glucose sanguin solubilisé passe par des protéines transmembranaires dites "protéines transporteurs". Ces protéines de transport des sucres (glucose, galactose, fructose...) apartiennent à la famille des GLUT: Glucose Transporter.
Il en existe 4 différentes : GLUT1 : GR, Glut 2 : foie et pancréas, Glut 3 : cerveau, Glut 4 : muscles et graisses.
C'est donc cette dernière catégorie qui nous intéresse. cette glycoprotéine pése 55 kDa et comporte 12 passages transmembranaires
. Ce système de passage ne nécessite pas d'énergie, c'est un système de transport facilitatif, travaillant dans le sens du gradient de concentration.
Or, la glycémie est d'environ 5mM (ce qui correspond à la Km de Glut 4 pour le glucose) et la concentration intracellulaire et plus faible. Donc le glucose y rentre facilement.

3. La glycolyse

Constituée de 10 étapes, elle comporte 10 protéines solubles dans le cytosol, lieu de son déroulement.
Trois enzymes auront une action irréversible et limiteront donc l'avancement de la glycolyse. Elle peut être divisée en deux phases :

• une premiére phase d'activation d'oses donc nécessitant de l'énergie, de l'ATP
• une seconde phase produisant de l'énergie par conversion de trioses phosphates en composés riches en énergie qui vont transférer leur groupement à de l'ADP pour former de l'ATP.

3.1. Activation du glucose

A son entrée dans la cellule, le glucose est phosphorylé sur sa fonction alcool primaire en glucose-6-phosphate par unehexokinase, la glucokinase, consommant un ATP.
Cette étape est irréversible, donc limitante.

3.2. Isomérisation du G-6-P

Le glucose-6-phosphate est isomérisé en son cétose, le fructose-6-phosphate, par la phophohexose isomérase.
Cette réaction réversible permet la génération d'un groupement phosphorylable sur le carbone 1.

3.3. Phosphorylation du F-6-P

La phosphofructose kinase (PFK1), en consommant un ATP, ajoute un phosphate sur le carbone 1 du fructose-6-phosphate.
Cette réaction irréversible limitante aboutit au fuctose-1,6-bisphosphate ("bis" car séparé et non pas "di" pour ensemble comme dans l'ADP).

On a donc activé une molécule d'hexose par phosphorylation sur deux fonctions alcools primaires, en consommant 2 ATP.

3.4.Clivage du F-1,6-bisP

L'aldolase clive donc la fructose-1,6-bisphosphate en deux trioses phosphates activés : le glycéraldéhyde-3-phosphate et ladihydroxyacétone phosphate.
Ces deux trioses sont interconvertibles par l'action de la triose-phosphate isomérase.

3.5. Formation du premier composé riche en énergie

Le glycéraldéhyde va subir une étape l'essentielle (mais non régulatrice/limitante) de la glycolyse. La glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase permet la formation du premier composé riche en énergie : le 1,3-bisphophoglycérate, et la formation d'équivalents réduits sous forme de NADH. La G-3-P déshydrogénase contient un groupement thiol permettant la liaison du substrat en créant un thioester qui sera libéré par clivage phosphorolytique (intervention de phosphate minéral).

3.6. Phosphorylation d'un ADP

Le 1,3-bisphosphoglycérate à liaison anhydride mixte riche transfère, grâce à une phosphoglycérate kinase, son groupement phosphate à un ADP.
Cette phosphorylation liée au substrat aboutit au 3-phosphoglycérate.

3.7. Mutation du 3-phosphoglycérate

Commence maintenant la synthèse d'un nouveau composé riche en énergie, le phosphoénolpyruvate.
Le groupement phosphate du 3-phosphoglycérate va donc, par la phosphoglyérate mutase, être transféré sur le carbone 2 pour former le 2-phosphoglycérate.

3.8. Déshydratation du 2-phosphoglycérate

Cette réaction sera catalysée par l'énolase, créant une nouvelle liaison riche en énergie, donnant le phosphoénolpyruvate.

3.9. Phosphorylation d'un ADP

La pyruvate kinase transfère irréversiblement un groupement phosphate du phosphoénol à un ADP formant le pyruvate, produit ultime de la glycolyse.

3.10.Bilan

3.11. Régulation

Trois réactions sont irréversibles et régulent la glycolyse.
Leurs enzymes sont donc soumises à des mécanismes, notamment hormonaux, de régulation.
Sont concernées :

• l'hexokinase,
• la PFK 1,
• la pyruvate kinase.

4. Métabolisme à partir du pyruvate

4.1. En l'absence d'oxygène

Le pyruvate reste dans le cytosol pour suivre la suite de la glycolyse anaérobie. Celle-ci est défini comme un apport de glucose à une cellule dont le produit final du métabolisme sera sa transformation en lactate.
Le pyruvate est transformé en L-lactate par la L-lacticodéshydrogénase ayant le NADH pour coenzyme.

4.2. En présence d'oxygène

Le pyruvate va rentrer dans la mitochondrie pour suivre le cycle de Krebs après sa transformation en acétyl-CoA.
C'est la glycolyse aérobie définie comme étant l'apport de glucose à une cellule dont le produit final du métabolisme est le CO₂.
Elle commence avec la décarboxylation du pyruvate en acétyl-CoA au sein de la mitochondrie. La membrane interne de la mitochondrie non perméable aux petites molécules présente le transporteur du pyruvate.
La décarboxylation du pyruvate est une décarboxylation oxydative catalysée par la pyruvate déshydrogénase. Il s'agit d'uncomplexe multienzymatique formé de l'association de trois enzymes et coenzymes :

• pyruvate déshydrogénase et TPP
• dihydropolytransacétylase et lipoate (intervention du CoA)
• dihydrolipodéshydrogénase et FAD (intervention du NAD+)

5. Bilan global :

 

 

Les Glucides

1.Définition

Ces molécules sont composées de C, H, O selon la formule brute: (CH₂O)_n.
Elles ont pour caractéristiques d'être :

• hydrophiles,
• saveur plus ou moins sucrée,
• capables de contenir d'autres éléments : azote, soufre, phosphore...
• présentent de nombreux groupements hydroxyles soit libres soit substitués.

2.Les oses

2.1. Nomenclature

Ose, monosaccharide, "sucre simple" sont synonymes et désignent la même chose.
Le nom d'un ose est formé d'un préfixe correspondant au nombre de carbones de la molécule et du suffixe "ose".
Exemples : triose (3C), pentose (5C), hexose (6C)...

2.2. Structure

Le premier ose, le plus simple, est le glycéraldéhyde ou triose. Sa formule brute est (CH₂O)₃.
Le premier carbone est de structure aldéhydique, le second est un hydroxyle, et le troisième et dernier carbone correspond à une fonction alcool I.
Le carbone n°2 porte 4 substituants différents : il est asymétrique.
Cela nous permet de déterminer qu'il existe deux énantiomères : un D et un L. Le glycéraldéhyde peut donc dévier la lumière polarisée : +13°5 pour la forme D et -13°5 pour la forme L.
Si la lumière est déviée positivement, l'ose (ou tout autre composé) sera dit "dextrogyre"; s'il la dévie négativement, il sera dit "lévogyre".

Le glycéraldéhyde posséde une fonction aldéhydique : c'est donc un aldose qui a deux isomères : D-glycéraldéhyde et L-glycéraldéhyde, et un seul cétose correspondant : la dihydroxyacétone.

Tous les les oses, chez l'Homme, sont de la série D et dérivent du D-glycéraldéhyde.

On détermine la série d'un ose en étudiant la position de l'hydroxyle de l'avant dernier carbone.
Si le groupement OH est à gauche, il est L; s'il est à droite, l'ose est de la série D.

Deux tétroses dérivent du D-glycéraldéhyde : le D-érythrose et le D-thréose, épimères en 2.

Sont à connaitre :

• un pentose :
• le D-ribose (aldose)
• des hexoses :
• le D-glucose, aldose,
• le D-fructose, cétose du glucose et du mannose (la fonction pseudo-aldéhydique est remplacée par une fonction pseudo-cétonique),
• le D-mannose, aldose, épimère en 2 (mannose) du glucose,
• le D-galactose, aldose, épimère en 4 du glucose.

La structure classique d'un ose n'est pas linéaire mais cyclique dès que celui-ci contient plus de 4C.
Les aldoses et cétoses réagissent facilement avec les alcools (donc leurs hydroxyles) et forment des hémiacétals ou hémicétals internes.
Si la cyclisation s'effectue entre le carbone 1 et le carbone 5, le cycle est pyrane.
Si la cyclisation s'effectue entre le carbone 1 et le carbone 4, le cycle est furane.
La forme stable du ribose est la furane, celle du glucose est la pyrane.
Une fois la cyclisation réalisée, on observe la libre rotation de l'OH du C1 par rapport au plan du cycle, c'est le phénomène demutarotation. Quand l'OH est au-dessus du plan, il s'agit de la forme béta. Quand il est au-dessous du plan, il s'agit de la forme alpha. Ces deux formes sont des anomères. Une solution de D-glucose contiendra 66% de forme béta et 33% de forme alpha, moins de 1% de glucose linéaire.

On définit donc un ose par : sa série (D ou L), sa forme (pyrane ou furane), son anomère (alpha ou béta).

Les hexoses importants sont :

• le D-glucose : présent dans l'amidon pour le règne végétal et dans le glycogène pour le règne animal. C'est le seul ose trouvé en quantité sous forme libre dans l'organisme,
• le D-fructose : un des plus ingérés car présent dans le sucre de table et beaucoup d'aliments (tous les fruits notamment),
• le D-galactose : on le trouve dans le lait, les glycoprotéines, les lipides complexes, les protéoglycanes,
• le D-mannose : il est présent dans les glycoprotéines.

2.3. Propriétés physiques des oses

• hydrophiles,
• solides cristallisés,
• saveur plus ou moins sucrée,
• très solubles dans l'eau,
• peu solubles dans l'alcool,
• insolubles dans les solvants organiques

2.4. Propriétés chimiques des oses

Les fonctions les plus réactives des aldoses sont la fonction pseudo-aldéhydique et la fonction alcool primaire (C1 et C6).
Le C2 cétonique est la fonction la plus réactive des cétoses.

2.4.1. Caractère réducteur

Les oses possédant un groupement aldéhyde ou cétone libre sont réducteurs.

2.4.2. Réduction

Un aldose peut être réduit sur sa fonction pseudo-aldéhydique (C1), ce qui a aboutit à la formation d'un alcool (le glucose est réduit en sorbitol par l'aldose réductase).
On observe la même chose avec les cétoses : la réduction de la fonction pseudo-cétonique permet d'obtenir deux alcools.
Par exemple, le fructose est réduit en sorbitol et mannitol.

2.4.3. Oxydation

Elle ne concerne que les aldoses et peut concerner :

• soit la fonction pseudo-aldéhydique,
• soit la fonction alcool primaire
• soit les deux.

Un oxydation forte va aboutir à la formation d'un diacide : le glucose sera transformé en acide glucosaccharique.

Une oxydation plus douce ne modifiera que la fonction pseudo-aldéhydique, conduisant à la tranformation du glucose en un monoacide aldonique : l'acide gluconique.

Si l'on protége la fonction aldéhydique, l'oxydation portera alors sur la fonction alcool primaire et le glucose deviendra un monoacide uronique : l'acide glycuronique. L'oxydation est non enzymatique.

2.4.4. Réaction d'addition

La fonction pseudo-aldéhydique d'un ose peut fixer un groupement alcool ou amine.

S'il s'agit d'un alcool, on observe la mise en place d'une liaison O-osidique, liaison bloquant la libre rotation de l'OH autour du C1 et entrainant donc le bloquage de la configuration alpha ou béta.
In vivo, cette réaction d'addition peut s'effectuer entre deux oses ou entre un ose et la fonction alcool d'un acide aminé (Sérine ou Thréonine).

S'il s'agit d'une amine, la liaison formée est N-osidique. In vivo, on peut observer cette réaction entre un ose et la fonction amide de l'asparagine, ou entre un ose et la fonction amine du radical de la lysine.

In vivo, ces réactions de glycosylation sont enzymatiques.
On peut donc trouver des protéines dites glycosylées : O-glycosylées ou N-glycosylées selon la nature de l'acide aminé lié à l'ose.
Néanmoins cette réaction d'addition peut s'effectuer de façon non enzymatique : c'est la glycation, qui se réalise suite à une longue exposition d'une protéine à du glucose).
Citons par exemple le cas de l'hémoglobine glyquée.

2.4.5. Réaction d'estérification

Ces réactions correspondent au schéma classique d'une réaction d'estérification entre un acide et un alcool :
acide + alcool → ester + eau

In vivo, ces réactions enzymatiques se font par la fixation d'un groupement phosphate sur un hydroxyle de l'ose. On obtient un ester d'ose.
On peut donc avoir, par exemple : du glucose-6-phosphate, glucose-1-phosphate, glucose-1,6-bisphosphate (moins présent).

2.5. Dérivés d'oses.

2.5.1. Les osamines

Ils résultent du remplacement de la fonction OH du C2 par un groupement NH₂. Citons par exemple : la D-glucosamine, la D-galactosamine...
L'osamine peut être acétylée à son tour pour donner des dérivés de type N-acétylosamine (que l'on retrouvera dans les GAG) : exemple : N-acétyl-béta-D-glucosamine.

2.5.2 L'acide ascorbique

Ce composé de la série L n'est pas synthétisable par l'Homme, lui justifiant son appartenance au groupe des vitamines, puisqu'en effet il s'agit de la vitamine C antioxydante, captrice de radicaux libres. La particularité de cette molécule à 6 carbones est de contenir une fonction ène-diol.

3.Les diholosides

3.1. Définition

Tout est dans le nom : ce sont des molécules constitués de deux oses unis par une liaison O-osidique.
Cependant, vu le nombre de groupement OH par oses, on peut s'attendre à ce que cette liaison existe de deux façons possibles.

• Elle peut concerner l'OH hémiacétalique d'un ose et l'OH d'un autre ose, définisant ainsi une liaison oside-ose. Les diholosides contenant cette liaison sont réducteurs et présentent le phénoméne de mutarotation car un OH hémiacétalique reste libre. Citons par exemple la molécule de maltose qui comporte deux glucoses liés selon la formule suivante : alpha-D-glucopyranosido-1,4-D-glucopyranose.

Il faut donc remarquer que la nomenclature des diholosides oside-ose comporte : l'anomére, la série et la forme de l'ose donnant son OH hémiacétalique avec la suffixe "osido" puis (,) le numéro du carbone donnant son OH (non hémiacétalique), sa série et sa forme avec le suffixe "ose".

• Elle peut concerner les deux OH hémiacétaliques des deux oses formant une liaison dite "oside-oside", il n'y a donc pas de phénoméne de mutarotation et le composé ne sera pas réducteur. C'est par exemple le cas du tréhalose, comportant lui aussi deux glucoses mais liés selon une autre formule que le maltose. Il s'agit de l'alpha-D-glucopyranosido-1,1-alpha-D-glucopyranoside.

La nomenclature garde donc la même structure de base et reprend les mêmes points que celle des diholosides oside-ose, mais vu l'implication des deux OH hémiacétaliques, il faut spécifier l'anomère du second ose et lui ajouter le suffixe "oside".

3.2. Quelques diholosides ou disaccharies non réducteurs : liaison oside-oside

Ils sont au nombre de deux.
Nous connaissons donc déjà la tréhalose que l'on trouve dans le fluide circulatoire (hémolymphe) des insectes.
Le second disaccharide à connaitre est le saccharose de formule alpha-D-glucopyranosido-1,2-béta-D-fructofuranoside.
Il pourra donc être hydrolysé enzymatiquement par une alpha-glucosidase ou une béta-fructosidase (invertase de la levure). Le saccharose est trouvé dans la canne à sucre et la betterave.

3.3. Quelques diholosides réducteurs : liaison oside-ose

3.3.1. Le lactose

Issu du lait, il contient du galactose et du glucose selon la formule : béta-D-galactopyranosido-1,4-D-glucopyranose.
Il peut enzymatiquement être hydrolysé par la béta-galactosidase.

3.3.2. Le maltose et l'isomaltose

Le maltose, dont la formule est donnée précédemment, provient de l'hydrolyse de l'amidon et son hydrolyse enzymatique est catalysée par l'alpha-glucosidase. Il partage ces deux points avec l'isomaltose qui contient également deux glucoses. Seuls les carbones liés diffèrent : alpha-D-glucopyranosido-1,6-glucopyranose.

3.3.3. Le cellobiose

Trouvant son origine dans l'hydrolyse de la cellulose, il contient deux molécules de glucose : béta-D-glucopyranosido-1,4-D-glucopyranose. Son hydrolyse enzymatique sera donc réalisée par la béta-glucosidase.

4. Les polyholosides

On retrouve l'idée de base du diholoside : un enchainement d'ose sauf qu'ici, les liaisons ne sont pas forcément O-osidiques puisqu'en effet, ces macromolécules peuvent contenir des dérivés d'oses : osamines, acides uroniques...

Deux grands groupes se dessinent au sein des polyholosides :

• les polyosides de réserve, essentiellement réserve de glucose, substrat énergétique. Nous verrons l'amidon et le glycogène.
• les polyosides de structure que nous n'étudierons pas. Ils entrent dans la constitution de l'architecture cellulaire.

4.1. L'amidon

Il contient exclusivement de l'alpha-D-glucose.
C'est la réserve végétale du glucose et le plus important aliment chez l'Homme (céréales : blé, riz; légumineuses : pois, haricot; tubercules : pomme de terre, manioc).
Il est reconnaissable à sa forme poudrée blanche, faite de grains de forme et taille caractéristiques de chaque espèce végétale.

L'amidon est insoluble dans l'eau froide. Suite à un broyage, on obtient une fraction soluble : l'amylose et une fraction insoluble : l'isoamylose.

• L'amylose (formule : cf ante) correspond à la partie d'enchaînement linéaire (liaison alpha-1,4) de 200 à 2000 unités de glucose.
• L'isoamylose (formule : see back) correspond à la partie ramifiée avec des liaisons oside-ose alpha-1,4 et alpha-1,6; ainsi il n'y a qu'une extrémité réductrice par molécule d'isoamylose. On dénombre 20 glucoses entre deux ramifications. Son poids moléculaire est très élevé. L'hydrolyse enzymatique par l'alpha-amylase (endoglucosidase des alpha-1,4) libére du maltose, maltotrioses et des dextrines limites telles que la dextrine alpha.

4.2. Le glycogène

Lui aussi n'est constitué que d'alpha-D-glucose.
Il constitue la réserve énergétique glucidique de l'Homme et des animaux et se trouve en grandes quantités dans le foie et les muscles. Cette molécule ramifiée à une structure identique à celle de l'isoamylose mais avec un nombre de ramifications multiplié par 2 : le nombre de glucoses entre deux ramifications est de 10. Son hydrolyse est réalisée par la même endoglucosidase : l'alpha-amylase.

Point de divergence entre l'isoamylose et le glycogène : le glycogène ne posséde pas d'extrémité reductrice libre du fait de la fixation d'une protéine de petit poids moléculaire : 34 kDa : la glycogénine fixée par un liaison O-osidique sur la fonction alcool d'une tyrosine de la protéine.

La structure de base du glycogéne est une particule appelée particule béta et ces particules béta peuvent s'associer pour former des rosettes de glycogéne ou particules alpha.

 

Les Polyosides

1. Les polyosides

1.1 Définitions et structure

Les polyosides sont des polymères de résidus oses.
De 2 à 20 résidus on parle d'oligosaccharide, au-delà de 20 unités on parle de polysaccharides.

• Soit la structure est homogène, c'est le cas pour les homopolyosides. Cette structure peut être branchée: amidon, glycogène, ou linéaire : cellulose.
• Soit la structure est hétérogène, c'est le cas des résidus d'oses et de molécules d'autres natures : glycosaminoglycanes (ou mucopolysaccharides), glycoprotéines, glycosphingolipides.

Les glycoprotéines sont formées d'une partie protéique et d'une partie glucidique constituant 1 à 50% de la masse de l'ensemble. Cette partie glucidique se présentent sous forme de chaînes saccharidiques souvent ramifiées et liée à la partie protéique par uneglycosylation réalisée post-traductionnellement.
Si la liaison se fait sur un groupement hydroxyle (Ser ou Thr), elle sera O-glycosidique, glycosylation réalisée dans le trans-golgi. Si la liaison se fait sur le groupement amine de l'asparagine ou amide d'une lysine, elle sera N-glycosidique, glycosylation réalisée dans le RE (réticulum endoplasmique).
Les chaînes saccharidiques ont en général des résidus acide sialique terminaux.

Les glycosphoingolipides résultent de l'addition d'un ou plusieurs oses liés au carbone 1 (fonction alcool primaire) d'un céramide, d'un sphingolipide ( association de l'aminoalcool sphingosine et d'un acide gras par une liaison amide).
Ils sont présents dans toutes les membranes plasmiques et certaines membranes intracellulaires (golgi, lysosomes).
Ils font également partie des constituants des lipoprotéines circulantes, notamment le LDL.

1.2. Dégradation

La dégradation des polyosides s'effectue au sein du lysosome, petite organelle intracytoplasmique sphérique (250 à 500 Angstrom) dont la membrane dérive de l'appareil de golgi. Son pH acide permet la dégradation des macromolécules.
En effet, le lysosome contient des environ 40 hydrolases acides spécifiques catalysant la dégradation de différents substrats :glycosidases, protéases, nucléases, lipases, phosphatases, sulfatases etc dont l'activité optimale se déroule pour un pH égale à 5.
Le système endosome/lysosome est responsable de l'orchestration structurale et fonctionnelle de différents compartiments et composants.

2. Les mucopolysaccharides

2.1. Définition et structure

Egalement nommés glycosaminoglycanes (GAG), les mucopolysaccharides correspondent à l'enchaînement linéaire d'unités disaccharidiques polymérisées.
Ainsi, on détermine 4 types de GAG :

• Chondroïtine-sulfate (CS) : N-acétylgalactosamine-acide glucuronique,
• Dermatane-sulfate (DS) : N-acétylgalactosamine-acide iduronique,
• Heparane-sulfate (HS) : acide iduronique-N-acétylglucosamine,
• Keratane-sulfate (KS) : galactose-N-acétylglucosamine..

Tous comportent une N-acétylhexosamine associée, soit à un monosaccharide neutre (KS), soit à un acide uronique (CS, DS, HS).
Une estérification par l'acide sulfurique leur confère un caractère très acide.

La liaison de GAG à des résidus sérine par une liaison O-osidique forme un protéoglycane, composé fortement glucidique (95%).

2.2. Fonction

Les mucoplysaccharides sont présents dans de nombreux tissus.
Ils ont un rôle structural comme constituants des os et des cartilages et jouent également un rôle dans les mécanismes d'adhésion cellulaire et signalisation.
Présentant des formes différentes, ils participent à plusieurs fonctions biologiques :

• Au stade de développement, ils sont trouvés dans l'organogenèse.
• A l'état pathologique, ils sont actifs dans les réactions d'inflammation, tumorigenèse, intéractions avec des agents pathogènes.

2.3. Mucopolysaccharidoses

Les pathologies relatives aux GAG sont nombreuses et lourdes de conséquences, mettant en relief leurs rôles prépondérants au sein de l'organisme.
Les mucopolysaccharidoses peuvent être des maladies métaboliques, des maladies de surcharge (chroniques).
Ce type de pathologies présentent ce qu'on nomme des "intervalles libres", cela correspond à l'absence d'évolution ou symptôme pendant le temps de l'accumulation.
On peut donc avoir plusieurs tableaux cliniques pour une même étiologie selon la période de présentaion : anténatale, néonatale, précoce (sévère), tardive (modérée).
On peut donc en déduire une grande variabilité phénotypique entre pathologies (sont principalement atteints : os, foie, rate, SNC...) et une difficulté à poser un diagnostic, tout cela menant à une espérance de vie limitée

Coopérativité et allostérie

1. Enzymes et régulation

Les enzymes sont les catalyseurs des réactions du métabolisme cellulaire donc ils régulent activement ce métabolisme.

Un premier niveau de régulation simple est exercé par le substrat ou le produit de la réaction.

• Une concentration élevée en substrat accélère la vitesse de réaction.
• Une concentration élevée en produit abaisse la vitesse de réaction.

En outre, une concentration élevée en produit inhibera la première étape permettant sa formation (rétrocontrôle).
Dans une chaîne réactionnelle, un substrat initial peut mener à deux produits différents.
Un produit pourra inhiber sa voie pour favoriser l'autre.

Un second niveau de régulation est la modification covalente réversible de l'enzyme, entraînant son activation ou inactivation.

A un niveau plus élevé, la régulation de l'activité enzymatique peut s'effectuer par la modulation de sa concentration, via unerégulation de sa synthèse. La régulation est réalisée soit de façon transcriptionnelle soit de façon traductionnelle. Ce mécansime correspond généralement à des enzymes spécifiques de certaines situations et de certains tissus.
Certains enzymes ne sont jamais régulés de cette façon car jouant un rôle essentiel dans différentes cellules et à tout instant. Ce sont les enzymes domestiques.

Ultime processus de régulation, les enzymes étant des protéines, ils seront concernés par les processus de dégradation.

Ces différents modes de régulation sont exercés sur les protéines monomériques. Pour les protéines plus complexes, on observera d'autres types de régulations.
Pour les protéines à structure quaternaire on retient la notion de systèmes multienzymatiques. On dissocie ces sytèmes protéiniques complexes en sous-unités apoenzymatiques individuellement associées à un coenzyme spécifique. Ce seront autant d'unités fonctionnelles à réguler individuellement.

2. Coopérativité et allostérie

Ces processus de régulation ne concernent exclusivement que les protéines à structure quaternaire.
Les protéines à structure quaternaire ne présentent pas obligatoirement ces processus de régulation.

Elles sont composées d'oligomères composés de plusieurs protomères. Un protomère peut lui même être formé d'une ou plusieurs sous-unité protéiques. Généralement l'oligomère comporte un nombre pair de protomères permettant de définir structuralement un axe de symétrie.
Un protomère portera un seul site de fixation pour chaque catégorie de ligand. Une enzyme allostérique est donc capable de fixer au moins deux types de molécules :

• le substrat
• l'effecteur allostérique.

Donc on dénombre au moins deux sites de fixation sur le protomère : un site catalytique pour le substrat et un site régulateur pour l'effecteur allostérique.

L'allostérie se définit comme étant l'altération des propriétés d'une enzyme, de son affinité pour son substrat et/ou son activité catalytique. Ceci sera du à un ligand à la structure distincte de celle du substrat. Il ne se fixera donc jamais sur le site catalytique.

2.1. La coopérativité

Ce sont les interactions homotropes entre sites catalytiques. C'est l'effet de la fixation du substrat sur sa propre fixation sur les autres sous-unités.

On distingue deux formes:

• une forme T à faible affinité pour le substrat,
• une forme R à forte affinité pour le substrat.

Si l'on étudie v= f([S]) on obtient une courbe sigmoïde.
Pour une faible variation de la [S], l'enzyme est soit totalement actif, soit totalement inactif.

2.2. L'allostérie

Ce sont les interactions hétérotropes entre sites régulateurs et sites catalytiques. C'est l'effet de la fixation de l'effecteur allostérique sur la fixation du substrat et/ou sa transformation en produit. C'est l'effet d'un effecteur, autre que le substrat, modifiant de façon discrète et réversible la structure spatiale de la molécule.

• Un effecteur inhibiteur favorisera le maintien de la forme T de l'enzyme.
• Un effecteur activateur favorisera le maintien de la forme R de l'enzyme.

2.3. Exemples

Ces interactions hétérotropes amènent à la notion de transmission intramoléculaire des signaux, transmission entre protomères. 
Etudions par exemple l'aspartate transcarbamylase catalysant la première réaction de la voie de biosynthèse des nucléotides pyrimidiques. Elle est constituée de 6 sous-unités catalytiques maintenues en place par 6 sous-unités régulatrices. Ses substrats sont le carbamylphosphate et l'aspartate, se fixant successivement l'un après l'autre pour aboutir aux produits :
enzyme + carbamylaspartate + phosphate.

L'aspartate transcarbamylase possède 3 axes de symétrie : un principal vertical et deux autres horizontaux secondaires. Sous forme T, sans substrat, la molécule est repliée. L'ajout d'aspartate permet la transition à la forme R (relâchée) par la rotation des sous-unités régulatrices autour de leurs axes de symétrie. L'effet de coopérativité est réalisé suite à l'ajout d'aspartate, c'est une coopérativité dite "positive".

• Les effecteurs allostériques de l'aspartate transcarbamylase sont le CTP et l'ATP.
• Le CTP, produit de la voie des nucléotides pyrimidiques, sera un effecteur inhibiteur.
• L'ATP, produit de la voie des nucléotides puriques, sera un effecteur activateur.
• Ils seront en compétition pour la régulation car ils ne peuvent se fixer que sur un seul et même site : le site régulateur. L'enzyme sera donc régulée par le rapport ATP/CTP de la cellule.

3. Modèles théoriques

2 modéles relatifs à la coopérativité existent :

• le modéle concerté de Monod,
• le modéle séquentiel de Koshland.

Dans les deux modéles on étudie une molécule tétramérique (4 protomères) sous modulation homotrope. Le principe de base à retenir est que toute sous-unité catalytique fixant le substrat subit une déformation qui va se transmettre aux autres sous-unités et donc modifier leur affinité pour le substrat.
Ces modèles étudient donc des sous-unités spatiales présentant les formes T et R.

3.1. Modèle de Monod

Ce modèle est très simple: il n'admet que deux formes possibles pour la molécule: soit T4 (en l'absence de substrat), soit R4 (en présence de substrat).
Il admet également que :

• la symétrie est conservée,
• les changements de conformation concernent toutes les sous-unités en même temps (modèle concerté),
• le ligand se fixera aux formes T ou R selon des affinités différentes,
• c'est la fixation du ligand qui modifie l'équilibre entre les formes R et T.

3.2. Modèle de Koshland

Les changemens de conformations s'effectuent en cascade, de façon séquentielle. Une sous-unité fixe le substrat, change de conformation et transmet ce changement à une sous-unité voisine qui va alors pouvoir fixer le substrat...
Il apparait donc que la conservation de la symétrie n'est pas toujours réalisée. On peut alors observer des formes hybrides où les formes T et R coexistent.
Ce modèle est en fait une extension, une généralisation du modéle de Monod.

Ces phénomènes et modèles démontrent donc l'importance de la relation structure/fonction au sein d'une molécule et l'absolue nécessité du maintien de leur intégrité pour un fonctionnement cellulaire correct

Hémoglobine

1. Définitions

Hémoglobine et myoglobine sont des hétéroprotéines, c'est-à-dire qu'elles sont constituées d'une fraction protéique, ici laglobine, et d'une fraction non protéique, l'hème. L'hème est responsable de la coloration en rouge de ces deux molécules, justifiant leur nom de chromoprotéines. Elles sont toutes deux responsables du transport de l'O₂ en le fixant réversiblement. L'hémoglobine des globules rouges transporte l'oxygène des poumons aux tissus périphériques et dans le sens inverse, transporte le CO₂ des tissus périphériques aux poumons. La myoglobine a une action similaire apportant l'oxygène aux muscles et y servant de réserve d'oxygène dans ce tissu.

2. Structure de l'hémoglobine et de la myoglobine

2.1. L'hème

C'est la fraction non protéique qui est un dérivé du noyau porphirinique, composé tétrapyrrolique. Ce noyau est issu de la synthèse par l'organisme des uroporphyrines puis coproporphyrines et enfin protoporphyrines. Celui-ci, dans l'hème, comporte un atome de fer ferreux Fe²⁺ et est substitué de 4 radicaux méthyles, 2 radicaux propionates chargés, 2 radicaux vinyles. Plusieurs dispositions sont donc possibles mais une seule sur 15 est retenue : l'isomère protoporphyrine IX .
Les protoporphyrines peuvent se lier, par leurs azotes, à des métaux, ici le fer ferreux. Ce sont donc également desmétalloprotéines. Cet atome de fer est hexacoordinant : 4 liaisons de coordinence entre l'atome de fer et le noyaux porphyrine, 2 liaisons de coordinence libres.
L'héme oxydé est dit hématine.

2.2. La globine

C'est la partie protéique de la molécule. La myoglobine ne comporte qu'une seule chaîne de globine à 153 acides aminés. L'hémoglobine contient 4 chaînes de globines, on distingue :

• les chaînes α à 141 acides aminés,
• les chaînes β,
• les chaînes γ,
• les chaînes δ.

Toutes trois à 146 acides aminés. 
Il existe donc différentes combinaisons pour différentes hémoglobines humaines :

• l'hémoglobine normale de l'adulte est l'HbA : α2β2 (97-98%),
• l'hémoglobine mineure de l'adulte est l'HbA2: α2δ2 (2%),
• l'hémoglobine foetale est l'HbF: α2γ2 (moins d'1%, synthétisée entre le 3ième et le 8ième mois de vie foetale).

Bien d'autres possibilités existent donnant des hémoglobines anormales. Il peut s'agir d'une anomalie de répartition: 4 chaînes β pour l'hémoglobine H par exemple, responsable de mort in-utero. On peut également observer des anomalies de composition en acides aminés comme dans l'hémoglobine S responsable de la drépanocytose : l'acide glutamique en 6 de la chaîne β est remplacé par une valine.

2.3. Liaison Hème-globine

2.3.1. En l'absence d'oxygène

Une des deux coordinences libres de l'atome de fer ferreux de l'hème va lier la fraction non protéique à une histidine, histidine proximale de la chaîne de globine ( His 87 chaîne α, His 92 chaîne β).
En plus de cette liaison fer-globine, d'autres liaisons vont stabiliser la structure :

• liaisons salines entre un radical propionate de l'hème et un groupement aminé d'un radical lysine de globine,
• liaisons Van der Walls entre les radicaux hydrophobes de l'hème et les acides aminés de la globine.

La liaison hème-globine est donc forte sans être covalente.

En l'absence d'oxygène, l'atome de fer est attiré hors du plan du noyau protoporphyrine.

2.3.2. En présence d'oxygène

On retrouve l'atome de fer lié par sa cinquème coordinence à l'histidine proximale. La sixième coordinence, ici, va se lier à l'oxygène de la molécule de globine. En plus de cette liaison au fer, l'oxygène va également se fixer à la chaîne de c=globine par le biais d'une histidine, histidine distale (His 58 chaîne α et His 63 chaîne β). L'atome de fer est replacé dans le plan du noyau protoporphyrine.

Qu'il s'agisse de la chaîne α ou β de l'hémoglobine ou de la myoglobine, autant d'acides aminés (29) séparent histidine distale et histidine proximale. C'est la liaison histidine proximale-hème qui est responsable de la réversibilité de la liaison O₂-hémoglobine. La liaison hémoglobine-O₂ est la même dans l'hémoglobine que dans la myoglobine.
Donc d'un point de vue tridimensionnel, les chaînes α et β de l'hémoglobine sont similaires à celles de la myoglobine malgré des séquences aminoacides très différentes. Cependant, neuf positions sont invariables entre hémoglobine et myoglobine. Ces neufs aminoacides sont logiquement proches de l'hème pour sept d'entre eux, comme les histidines proximales et distales. On peut aussi relever que le caractére apolaire de la partie interne de chaque sous-unité est invariant.

2.4. Structure de l'hémoglobine

2.4.1. En absence d'oxygène

Le tétramère qu'est l'hémoglobine contient une diversité de contacts qui permet de définir deux dimères : α1β1 et α2β2. Les contacts entre ces deux dimères sont étroits : 34 acides aminés entrent en jeu.

• Les contacts α1-β2 et α2-β1 sont souples : 19 acides aminés.
• Les contacts entre les chaînes α1 et α2 sont très faibles.

Une absence de contact direct entre les chaînes β permet l'identification d'un espace comportant des résidus basiques au milieu de la molécule d'hémoglobine. Cet espace va accueillir une petite molécule acide: le 2,3-bisphosphoglycérate.
Il y a un 2,3-bisphosphoglycérate par hémoglobine qui va en consolider la structure.
Il a une importance non négligeable, élaboré spécifiquement au sein du globule rouge, il a un rôle déterminant dans la physiologie respiratoire...

2.4.2. En présence d'oxygène

Le 2,3-bisphosphoglycérate sera relâché.

3. Propriétés biologiques et fixations

3.1. Propriétés biologiques

Elles peuvent se combiner à plusieurs gaz selon deux façons :

• via le fer ferreux Fe²⁺ (propriété spécifique des pigments respiratoires) comme pour l'oxygène (oxyhémoglobine),
• via la salification des fonctions aminées des chaînes de globine comme pour le CO₂ (carbhémoglobine)

3.2. Etude de la fixation de l'oxygène

Seuls les pigments ferreux Fe²⁺ peuvent se lier aux gaz.
Lorsque l'hémoglobine passe d'un état ferreux à un état ferrique, on aboutit à une méthémoglobine dont la fixation à de l'oxygène est impossible

L'hémoglobine possède une forte affinité pour l'oxygène au niveau pulmonaire car la pression partielle en oxygène y est élevée et l'hémoglobine est saturée en oxygène. A l'inverse, le fer a une faible affinité pour l'oxygène au niveau tissulaire et y relâche ses oxygènes. La myoglobine ne suit pas le même schéma, elle a une forte affinité pour l'oxygène au niveau tissulaire et met donc l'oxygène en réserve.

3.2.1. Interprétation des courbes de saturation sur le plan quantitatif

La P₅₀ rend compte de l'affinité de la molécule pour l'oxygène. C'est la pression partielle en oxygène qui permet d'obtenir la 1/2 saturation de la molécule en oxygène. L'affinité de la myoglobine pour l'O₂ est supérieure à celle de de l'hémoglobine pour l'O₂. Cela se traduit par: P₅₀ myoglobine < P₅₀ hémoglobine.

Le n de Hill rend compte de la coopérativité entre sous-unités. Le "n" correspond au nombres de sites de fixation de l'oxygène (4 pour l'hémoglobine). Pour l'hémoglobine tétramérique humaine, il est basé sur l'équation: Hb + nO₂ --> Hb(O₂)n. Il a donc une valeur comprise entre 2,7 et 3,0.

L'environnement peut modifier l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène. Une baisse du pH (de la concentration en 2,3-bisphosphoglycérate par exemple), en ions H+ (acydose par exemple) ou de la PCO2 feront baisser son affinité pour l'oxygène (soit une augmentation de la P₅₀) en favorisant la structure T de la molécule.

3.2.2. Interprétation des courbes de saturation sur le plan qualitatif

L'oxygène se fixant sur l'hémoglobine se fixe sur un tétramère, on peut donc s'attendre à des structures quaternaires différentes. On distingue donc une forme T ou désoxy, forme contrainte et une forme R ou oxy, forme relâchée.
Ce sont les sous-unités α, en forme T, qui réagissent avec l'oxygène (poche de l'hème ouverte), les poches de l'hème des sous-unités β étant fermées. La fixation d'une molécule va remettre l'atome de fer dans le plan du noyau porphyrine et va écarter les deux chaînes α en rompant les liaisons non covalentes. Ainsi, 4 des 6 liaisons ioniques maintenant le tétramère dans la conformation quatrenaire T ont été rompues et induire la conformation R. Ceci aboutira à l'ouverture de la poche de l'hème des sous-unités β. Il se produit alors un rapprochement des chaînes β expulsant le 2,3-bisphosphoglycérate.

Ceci est un exemple de transconformation stérique et introduit la notion de coopérativité : la fixation d'une molécule d'oxygène sur un premier protomère modifie la structure spatiale de ce protomère, modification se propageant aux autres protomères.

La myoglobine, monomèrique, ne subit pas de transconformation stérique.