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Acides aminés essentiels et non essentiels

Les acides aminés non essentiels sont ceux qui sont synthétisés par les mammifères, tandis que les acides aminés essentiels doivent être obtenus à partir de sources alimentaires. Pourquoi un organisme évoluerait-il de telle sorte qu’il ne pourrait pas exister en l’absence de certains acides aminés ? Très probablement, la disponibilité immédiate de ces acides aminés dans les organismes inférieurs (plantes et micro-organismes) a rendu inutile la production continue de ces acides aminés par l’organisme supérieur. Les voies de leur synthèse ont été éliminées. Le fait de ne pas avoir à synthétiser dix acides aminés supplémentaires (et à réguler leur synthèse) représente donc une économie majeure.Néanmoins, il nous reste à nous familiariser avec les voies de synthèse de ces acides aminés essentiels dans les plantes et les micro-organismes, et il s’avère qu’elles sont généralement plus compliquées que les voies de synthèse des acides aminés non essentiels et qu’elles sont également spécifiques aux espèces.

Les vingt acides aminés peuvent être divisés en deux groupes de 10 acides aminés. Dix sont essentiels et 10 sont non essentiels. Cependant, il ne s’agit vraiment pas d’uneichotomie précise, car il existe un chevauchement entre les deux groupes, comme l’indique le texte accompagnant les deux tableaux suivants :

Notez que la tyrosine est vraiment un acide aminé essentiel, car elle est synthétisée par l’hydroxylation de la phénylalanine, un acide aminé essentiel.De plus, chez les animaux, le groupe sulfhydryle de la cystéine est dérivé de la méthionine,qui est un acide aminé essentiel, donc la cystéine peut aussi être considérée comme essentielle.

Les dix acides aminés « essentiels » sont :

L’arginine est synthétisée par les mammifères dans le cycle de l’urée, mais la plupart d’entre elle est hydrolysée en urée et ornithine :

(Lien vers la page web du Dr. Diwan sur le catabolisme des acides aminés pour plus d’informations sur l’hydrolyse de l’urée, ainsi que pour une revue du catabolisme des acides aminés)

Parce que les mammifères ne peuvent pas synthétiser suffisamment d’arginine pour répondre aux besoins métaboliques des nourrissons et des enfants, elle est classée comme un acide aminé essentiel.

Synthèse des acides aminés non essentiels

À l’exception de la tyrosine (car son précurseur immédiat est la phénylalanine, un acide aminé essentiel), tous les acides aminés non essentiels (et nous inclurons ici l’arginine) sont synthétisés à partir d’intermédiaires des principales voies métaboliques. En outre, les squelettes carbonés de ces acides aminés peuvent être reliés à leurs a-cétoacides correspondants. Par conséquent, il pourrait être possible de synthétiser n’importe lequel des acides aminés non essentiels directement en transaminant son a-cétoacide correspondant, si cet acide cétonique existe comme intermédiaire commun. Une « réaction de transamination », dans laquelle un groupe amino est transféré d’un acide aminé au carbone a d’un cétoacide, est catalysée par une aminotransférase.

Trois a-cétoacides très courants peuvent être transaminés en une étape vers leur acide aminé correspondant :

Pyruvate(produit final glycolytique) –> alanine

Oxaloacétate (intermédiaire du cycle de l’acide citrique) –> aspartate

a-ketoglutarate (intermédiaire du cycle de l’acide citrique) –> glutamate

Les réactions individuelles sont :

L’asparagine et la glutamine sont les produits des amidations de l’aspartate et du glutamate, respectivement. Ainsi, l’asparagine et la glutamine, et les autres acides aminés non essentiels ne sont pas directement le résultat de la transamination des a-cétoacidesparce que ce ne sont pas des intermédiaires communs des autres voies. Pourtant, nous serons en mesure de tracer les squelettes de carbone de tous ces derniers jusqu’à un a-cétoacide.Je fais ce point non pas en raison de toute implication profonde inhérente à elle, mais plutôt comme un moyen de simplifier l’apprentissage des voies de synthèse des acides aminés alors non essentiels.

L’aspartate est transaminé en asparagine dans une réaction ATP-dépendante catalysée par l’asparagine synthétase, et la glutamine est le donneur de groupe aminé :

La synthèse de la glutamine est une synthèse en deux étapes dans laquelle le glutamate est d’abord « activé » en un intermédiaire g-glutamylphosphate, suivi d’une réaction dans laquelle NH3 déplace le groupephosphate :

Donc, la synthèse de l’asparagine est intrinsèquement liée à celle de la glutamine,et il s’avère que la glutamine est le donneur de groupes aminés dans la formation de nombreux produits biosynthétiques, tout en étant une forme de stockage du NH3. On peut donc s’attendre à ce que la glutamine synthétase, l’enzyme responsable de l’amidation du glutamate, joue un rôle central dans la régulation du métabolisme de l’azote. Nous allons maintenant examiner ce contrôle plus en détail, avant deprocéder à la biosynthèse des autres acides aminés non essentiels.

Vous avez précédemment étudié la désamination oxydative du glutamate par la glutamate déshydrogénase, dans laquelle NH3 et l’a-cétoglutarate sont produits. L’a-cétoglutarate produit est ensuite disponible pour accepter des groupes amino dans d’autres réactions de transamination, mais l’accumulation d’ammoniac comme autre produit de cette réaction est un problème car, à des concentrations élevées, il est toxique. Pour maintenir le niveau de NH3 dans une gamme contrôlée, un niveau croissant d’a-cétoglutarate active la glutamine synthétase, augmentant la production de glutamine, qui donne son groupe amino dans diverses autres réactions.

La régulation de la glutamine synthétase a été étudiée dans E.Coli et,bien que compliquée, il vaut la peine d’examiner certaines de ses caractéristiques parce que cela nous donnera plus d’informations sur la régulation des voies métaboliques qui se croisent. La diffraction des rayons X des cristaux de l’enzyme révèle une structure de prisme hexagonal (symétrie D6) composée de 12 sous-unités identiques. L’activité de l’enzyme est contrôlée par 9 rétro-inhibiteurs allostériques, dont 6 sont des produits finaux des voies impliquant la glutamine :

histidine

tryptophane

carbamoyl phosphate (synthétisé à partir de la carbamoylphosphate synthétase II)

glucosamine-6-phosphate

AMP (voir cours suivant)

CTP (voir cours suivant)

Les trois autres effecteurs sont l’alanine, la sérine et la glycine, qui transportent des informations concernant le niveau d’azote cellulaire.

L’enzyme est également régulée par une modification covalente (adénylylation d’un Tyrresidue), qui entraîne une augmentation de la sensibilité à la rétro-inhibition cumulative par les neuf effecteurs ci-dessus. L’adénylyltransférase est l’enzyme qui catalyse à la fois l’adénylylation et la morténylylation de la glutaminesynthétase d’E. coli, et cette enzyme est complexée avec une protéine régulatrice tétramérique, PII.La régulation de l’adénylylation et de son inverse se produit au niveau de PII, en fonction de l’uridylylation d’un autre résidu Tyr, situé sur PII.Lorsque la PII est uridylylée, la glutamine synthétase est mortelylée ; l’inverse se produit lorsque l’UMP est fixée de manière covalente au résidu Tyr de la PII.Le niveau d’uridylylation est, à son tour, régulé par les activités de deux enzymes, l’uridylyltransférase et l’enzyme éliminant l’uridylyle, toutes deux situées sur la même protéine. L’uridylyltransférase est activée par l’a-cétoglutarate et l’ATP, tandis qu’elle est inhibée par la glutamine et le Pi.

Le schéma suivant résume la régulation de la glutaminesynthétase bactérienne (voir texte page 1035) :

Nous pouvons nous « promener » dans cette cascade de régulation en regardant un exemple spécifique, à savoir l’augmentation des niveaux d’a-cétoglutarate( reflétant une augmentation correspondante des niveaux de NH3) :

(1) l’activité de l’uridylyltransférase est augmentée

(2) la PII (en complexe avec l’adénylyltransférase)est uridylylée

(3) la glutamine synthétase est mortelylée

(4) l’a-cétoglutarate et NH3 forment de la glutamine et du Pi

Le fait que le contrôle de la glutamine synthétase bactérienne soit exquisément sensible au niveau des métabolites azotés de la cellule est illustré par le fait que la glutamine qui vient d’être produite dans la cascade ci-dessus est maintenant un inhibiteur de la production ultérieure de glutamine.

Exercice en classe : Utilisez la voie de régulation pour expliquer l’effet d’un niveau croissant de glutamine sur l’activité de la glutaminesynthétase bactérienne.

La proline, l’ornithine et l’arginine sont dérivées du glutamate

La première étape implique la phosphorylation du glutamate par l’ATP avec l’enzyme g-glutamylkinase, suivie de la réduction en glutamate-5-semialdéhyde qui se transforme spontanément (sans enzyme) en une base de Schiff interne. La formation du semialdéhyde nécessite également la présence de NADP ou de NADPH.

Le semialdéhyde est cependant un point de branchement. Une branche mène à la proline tandis que l’autre branche mène à l’ornithine et à l’arginine. Le glutamate-5-semialdéhyde est transaminé en ornithine et le glutamate est le donneur de groupes aminés. L’ornithine,un intermédiaire du cycle de l’urée, est convertie en arginine par le cycle de l’urée.

Pour souligner davantage l’importance du glutamate, il est converti en amine physiologiquement active, l’acide g-aminobutyrique (GABA), le principal neurotransmetteur inhibiteur du cerveau :

L’intermédiaire glycolytique, le 3-phosphoglycérate, est converti en sérine, cystéine et glycine.

Notez la participation du glutamate comme donneur de groupes aminés. La sérine estconvertie en glycine dans la réaction suivante :

sérine + THF –> glycine + N5,N10 -méthylène-THF (enzyme : sérine hydroxyméthyltransférase)

La glycine est également formée dans une réaction de condensation comme suit :

N5,N10 -méthylène-THF + CO2 + NH4+ –> glycine (enzyme : glycine synthase ; nécessite NADH)

La cystéine est synthétisée à partir de la sérine et de l’homocystéine (produit de dégradation de la méthionine) :

ser + homocystéine ->cystathionine + H2O

cystathionine + H2O –> a-cétobutyrate + cystéine + NH3

Synthèse des acides aminés essentiels

Les voies de synthèse des acides aminés essentiels sont :

(1) présents uniquement dans les microorganismes

(2) considérablement plus complexes que pour les acides aminés non essentiels

(3) utilisent des précurseurs métaboliques familiers

(4) présentent une variation d’espèce

A des fins de classification, considérez les 4 « familles » suivantes qui sont basées sur des précurseurs communs :

(1) Famille de l’aspartate : lysine,méthionine,thréonine

(2) Famille du pyruvate : leucine,isoleucine, valine

(3) Famille aromatique :phénylalanine, tyrosine, tryptophane

(4) Histidine

La famille des aspartates

La première étape engagée pour la synthèse de Lys, Met et Thr est la première étape, dans laquelle l’aspartate est phosphorylé en aspartyl-b-phosphate,catalysée par l’aspartokinase:

E.coli possède 3 isozymes d’aspartokinase qui répondent différemment à chacun des 3 acides aminés, en ce qui concerne l’inhibition de l’enzyme et la rétro-inhibition. La biosynthèse de la lysine, de la méthionine et de la thréonine ne sont donc pas,contrôlées en tant que groupe.

La voie de l’aspartate à la lysine comporte 10 étapes.

La voie de l’aspartate à la thréonine comporte 5 étapes

La voie de l’aspartate à la méthionine comporte 7 étapes

La régulation des trois voies se fait également aux deux points de ramification :

b-Aspartate-semialdéhyde (homosérine et lysine)

Homosérine (thréonineet méthionine)

La régulation résulte d’une rétro-inhibition par les produits acides aminés des branches, indiqués entre parenthèses ci-dessus.

Nous allons considérer une étape importante de la synthèse de ce groupe de 3 acides aminés, à savoir l’étape de conversion de l’homocystéine en méthionine,catalysée par l’enzyme méthionine synthase :

Dans cette réaction, l’homocystéine est méthylée en méthionine, et le donneur de C1 est le N5-méthyl-THF. Notez que l’enzyme est appelée « synthase » plutôt que « synthétase », car il s’agit d’une réaction de condensation dans laquelle l’ATP (ou un autre nucléoside triphosphate) n’est pas utilisé comme source d’énergie, ce qui doit être comparé à une « synthétase » dans laquelle un NTP est requis comme source d’énergie.Cette réaction peut aussi être regardée comme le transfert du groupe améthyle du N5-méthyl-THF à l’homocystéine, donc un autre nom pour l’enzyme qui la catalyse est l’homocystéineméthyltransférase.

Il est raisonnable de passer en revue les réactions dans lesquelles une unité C1 est ajoutée à un précurseur métabolique , car ces réactions sont vues très fréquemment dans notre étude des voies biochimiques. Vous avez déjà vu le transfert du groupe acarboxyle du cofacteur de la biotine de la pyruvate carboxylase au pyruvate pour former l’oxaloacétate (pourquoi ne l’appelle-t-on pas une « transférase » ou une « synthase » ?). La plupart des réactions de carboxylation utilisent la biotine comme cofacteur.Vous avez également étudié la dégradation de la méthionine, dont la première étape consiste à transférer l’adénosine à la méthionine pour former la S-adénosylméthionine (SAM). Le groupe méthyle sur l’ion sulfonium de la SAM est très réactif, il n’est donc pas surprenant de constater que la SAM est un agent de méthylation dans certaines réactions.Les tétrahydrofolates sont également des agents donneurs de C1 et, contrairement auxcarboxylations et aux méthylations de SAM, les THF peuvent transférer des unités C1 dans plus d’un état d’oxydation.

N5-méthyl-THF ,comme nous venons de le voir, transfère le groupe méthyle (-CH3), dans lequel le niveau d’oxydation du C est celui du méthanol(-4). Le N5,N10-méthylène-THF transfère le groupe méthylène (-CH2-) et le degré d’oxydation est celui du formaldéhyde (0), tandis que le N5-formimino-THF transfère le groupe formimino (-CH=NH), dans lequel le degré d’oxydation du Catom est celui du formate. Les groupes formyle (-CH=O) et méthényle (-CH=) sont également transférés par le THF et ces deux groupes ont le C au niveau d’oxydation du formiate (+2). La structure du THF est adaptée à ces transferts grâce à ses groupes N5 et N10, comme le montre la structure chimique suivante :

Nous reverrons le THF lorsque nous étudierons la synthèse du thymidylate à partir du dUMP,catalysée par l’enzyme thymidylate synthase dans laquelle le N5,N10-méthylène-THF est le donneur de méthyle.

La famille du pyruvate

Ce sont les acides aminés « à chaîne ramifiée », et il est utile de se les remémorer en tant que groupe, non seulement parce qu’ils proviennent tous du carbonsquelette du pyruvate, mais aussi parce que la maladie « maladie de l’urine du sirop d’érable » (MSUD)résulte d’une déficience en a-cétoacide déshydrogénase à chaîne ramifiée, entraînant une accumulation d’a-cétoacides à chaîne ramifiée.

Nous allons juste regarder le début et la fin des voies :

La première étape est commune aux 3 acides aminés :

Pyruvate + TPP –> Hydroxyéthyl-TPP (catalysé par l’acétolactate synthase)

Notez que l’atome de carbone central de l’hydroxyéthyl-TPP est un carbanion et qu’il est stabilisé par des formes de résonance.

L’hydroxyéthyl-TPP peut réagir avec un autre pyruvate pour former l’a-acétolactate, auquel cas la voie se dirige vers la valine et l’isoleucine, ou bien il peut réagir avec l’a-cétobutyrate,auquel cas la voie se dirige vers l’isoleucine.

Il existe un point de bifurcation au niveau de l’a-cétoisovalératequi, dans un sens, mène à la valine et, dans l’autre, à la leucine.

L’étape finale de la formation de chacun de ces acides aminés implique le transfert d’un groupe amino du glutamate à l’a-cétoacide correspondant de chacun des 3 acides aminés à chaîne ramifiée.Nous voyons ici un autre exemple de l’importance d’un acide aminé particulier, à savoir le glutamate, dans les voies anaboliques des acides aminés.

Les acides aminés aromatiques:

Le phosphoénolpyruvate (PEP), un intermédiaire glycolytique, se condense avec l’érythrose-4-phosphate, un intermédiaire de la voie des pentoses-phosphates, pour former du céto-3-désoxyarabinoheptulosonate-7-phosphate et du phosphate inorganique. L’enzyme impliquée est une synthase. Ce produit de condensation finit par se cycliser en chorismate.

De là, la voie se ramifie, aboutissant à la production de tryptophane à une extrémité de la branche, et de tyrosine et de phénylalanine à l’autre extrémité.

Quelques points saillants méritent d’être mentionnés. Tout d’abord, la glutamine joue un rôle en tant que donneur d’un groupe amino au chorismate pour former l’anthranilate au niveau de la branche du tryptophane.Le précurseur immédiat du tryptophane est l’indole:

Le « cycle indole » est l’élément caractérisant la structure du tryptophane. Notez que la sérine est le donneur du groupe amino à l’indole pour former le tryptophane.

La branche qui mène vers la tyrosine et la phénylalanine a un autre point de branchement au préphénate. La seule différence entre les 2 acides aminés résultants est que le carbone para du cycle benzénique de la tyrosine est hydroxylé. En effet, chez les mammifères, la phénylalanine est directement hydroxylée en tyrosine, catalysée par l’enzyme phénylalanine hydroxylase.

Phénylcétonurie

Certaines amines physiologiquement actives très importantes sont dérivées de la tyrosine,et ce sont la L-DOPA, la dopamine, la norépinéphrine et l’épinéphrine. Le cheminement de la tyrosine à la norépinéphrine est présenté ci-dessous :

La formation de l’épinéphrine à partir de la norépinéphrine implique le transfert du groupe méthyle hautement réactif de la S-adénosylméthionine à la norépinéphrine :

Structure de la S-adénosylméthionine montrant son groupe méthyle réactif:

Biosynthèse de l’histidine:

Nous allons examiner cette voie un peu plus en détail, car elle implique la molécule 5-phosphoribosyl-a-pyrophosphate (que nous appellerons « PRPP » à partir de maintenant). La PRPP est également impliquée dans la synthèse des purines et des pyrimidines, comme nous le verrons bientôt. Dans la première étape de la synthèse de l’histidine, la PRPP se condense avec l’ATP pour former une purine, le N1-5′-phosphoribosylATP, dans une réaction qui est entraînée par l’hydrolyse ultérieure du pyrophosphate qui se condense. La glutamine joue à nouveau un rôle de donneur de groupe amino, ce qui entraîne cette fois la formation de 5-aminoamidazole-4-carboximideribonucléotide (ACAIR), qui est un intermédiaire de la biosynthèse des purines.

L’histidine est particulière en ce que sa biosynthèse est intrinsèquement liée aux voies de formation des nucléotides. Les résidus d’histidine se trouvent souvent dans les sites d’activité enzymatique, où la chimie du cycle imidazole de l’histidine en fait un anucléophile et un bon catalyseur acide/base. Nous savons maintenant que l’ARN peut avoir des propriétés catalytiques, et l’on a spéculé sur le fait que la vie était à l’origine basée sur l’ARN. Peut-être que la transition de la catalyse ARN à la catalyse protéique s’est produite à l’origine de la biosynthèse de l’histidine.

L’amine physiologiquement active, l’histamine, est formée à partir de l’histidine :

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