Sommaire
La maladie liée au cycle de l’urée sous forme d’hyperammonémie est utilisée pour illustrer une maladie du métabolisme, spécifiquement liée à un défaut du cycle de l’urée. Une déficience de l’une des enzymes du cycle de l’urée conduit à un état pathologique spécifique où l’ammoniac, qui est une toxine, peut s’accumuler dans le sang (hyperammonémie). Lorsque la glutamine est produite en excès dans le foie, elle est convertie en ammoniac par la glutaminase. Le cycle de l’urée du foie convertit l’ammoniac en urée qui est excrétée dans l’urine. Les réactions globales du cycle TCA et du cycle de l’urée peuvent être résumées :
La glutamine synthase et la glutaminase utilisent l’ion ammonium et produisent l’ion ammonium dans leurs réactions, respectivement :
La transamination est un processus dans lequel les groupes amino sont retirés des acides aminés et transférés à des acides cétoniques accepteurs pour générer la version acide cétonique de l’acide aminé d’origine.
Les cellules musculaires peuvent utiliser les acides aminés comme sources d’énergie, et le foie peut détoxifier les groupes aminés (sous forme d’ions ammonium) via le cycle de l’urée. L’alanine est un acide aminé prédominant dans la plupart des protéines. Elle peut être transportée dans la circulation sanguine depuis les tissus périphériques jusqu’au foie où elle peut être convertie en glucose. L’alanine est transaminée pour former du pyruvate, et le glucose peut être formé à partir du pyruvate par la gluconéogenèse. Le glucose peut ensuite être acheminé vers le muscle (pour une utilisation énergétique) par la circulation sanguine. Ce système reliant le métabolisme musculaire et hépatique est connu sous le nom de cycle de l’alanine.
La transamidation est la formation catalytique d’une liaison covalente entre un groupe amine libre et un groupe gamma carboxamide. Les transamidinases catalysent la formation de liaisons γ-glutamyl-ε-lysine impliquées dans la cicatrisation des tissus. Les transamidinases participent à la synthèse des sucres aminés (par exemple, la glucosamine-6-phosphate). Ces enzymes sont également impliquées dans l’ancrage des protéines aux membranes cellulaires par le glycosylphosphatidylinositol.
La désamination des acides aminés est catalysée par des enzymes ammoniacales lyases. Des exemples sont la sérine déshydratase et la thréonine déshydratase qui ont toutes deux le phosphate de pyridoxal comme coenzyme. La sérine déshydratase convertit la sérine en pyruvate et en ammoniac, et la thréonine déshydratase convertit la thréonine en α-cétobutyrate et en ammoniac. Un autre membre de ce groupe d’enzymes est l’histidase (histidine ammoniac lyase) qui enlève le groupe amino de l’histidine pour former de l’acide transurocanique dans le foie et la peau. La désamination oxydative se produit dans le foie par la glutamate déshydrogénase dans laquelle glutamate+eau+NAD+ forme α-cétglutarate+ammoniaque+NADH+H+.
Les acides aminés peuvent être oxydés par la d-acide aminé oxydase située dans les peroxysomes du foie et des reins. Les d-acides aminés sont présents dans l’alimentation surtout dans les aliments végétaux, car les plantes ne contiennent pas de d-acide aminé oxydase. Les produits catalytiques sont un acide aminé et H2O2. L’homme possède également l’enzyme racémase des acides aminés qui assure l’interconversion des acides d- et l-aminés. Les peroxysomes du foie et des reins contiennent de petites quantités de l-aminoacide oxydase qui serait utile lorsqu’il y a un excès de l-aminoacides pour les biosynthèses de protéines et pour d’autres voies.
L’aminoacide racémase convertit les l-aminoacides (les formes naturelles dans les protéines) en d-aminoacides. Cette enzyme est particulièrement importante dans le cerveau car la d-sérine est présente en grande quantité dans le corps calleux et l’hippocampe.
l-Acide aminé décarboxylase avec le pyridoxal phosphate comme coenzyme élimine le CO2 des acides aminés pour donner les amines correspondantes. La l-aminoacide décarboxylase aromatique catalyse la décarboxylation du tryptophane, du 5-hydroxytryptophane, de la l-dihydroxyphénylalanine, de la 3,4-dihydroxyphénylsérine, de la tyrosine, de la phénylalanine et de l’histidine.
Les acides aminés essentiels sont ceux qui sont absents de l’organisme, ou ceux qui sont synthétisés dans une mesure insuffisante pour la croissance et l’entretien. Ils sont les suivants : méthionine, tryptophane, lysine, phénylalanine, thréonine, valine, leucine et isoleucine. En outre, l’histidine et l’arginine sont essentielles pour les enfants. Les acides aminés non essentiels sont les suivants : glutamate, glutamine, aspartate, asparagine, alanine, cystéine, tyrosine, proline, sérine et glycine (et ornithine). La méthionine et le tryptophane ont des codons uniques, mais les autres acides aminés ont deux ou trois codons. La plupart des protéines commencent leur traduction par le codon de départ, AUG. L’AUG code pour la méthionine qui est l’acide aminé N-terminal de toutes les protéines eucaryotes ; il est toutefois possible de supprimer la méthionine N-terminale par modification post-traductionnelle. L’homocystéine, qui dérive de la S-adénosylméthionine, peut générer de la cystéine. La taurine est synthétisée comme suit : méthionine → cystéine → sulfinate de cystéine → hypotaurine → taurine. Bien que la taurine soit un acide aminé, elle n’est pas incorporée aux protéines. Cependant, elle est un conjugué des acides biliaires et est active comme antioxydant, modulateur de la signalisation calcique, stabilisateur des membranes et inhibiteur de l’apoptose.
Le glutathion (GSH) est un tripeptide (glutamylcysteinylglycine) mais il est synthétisé sans ARNm. Avec deux molécules de GSH, les cystéines peuvent être oxydées pour former un disulfure (-S-S-), et cette interconversion (2GSH ←→ GSSG) représente un agent redox critique dans la cellule. La famille des enzymes glutathion S-transférase protège les cellules des dommages causés par les xénobiotiques et certains médicaments en formant du GSH qui les solubilise, y compris certains carcinogènes, et permet leur excrétion. Le GSH est impliqué dans le cycle γ-glutamyl qui favorise le transport des acides aminés de l’extérieur de la cellule vers l’intérieur de celle-ci. La première étape de ce cycle est le transfert du groupe γ-glutamyle du GSH vers un acide aminé, un peptide ou vers l’eau par la γ-glutamyltranspeptidase de la membrane cellulaire (γ-l-glutamylpeptide+acide aminé ←→ peptide+γ-l-glutamyl-acide aminé). Cette voie fait partie de la synthèse et de la dégradation du GSH fonctionnant dans la détoxification des médicaments et des xénobiotiques. Le leucotriène C4 (LTC4) contient du GSH, et ce leucotriène a une activité contractile sur les tissus des voies respiratoires.
La tyrosine est le précurseur des catécholamines (épinéphrine et norépinéphrine) ainsi que du principal pigment corporel, la mélanine. La tyrosine peut être formée à partir de la phénylalanine par la phénylalanine hydroxylase (PAH) présente dans le foie et les reins. Cette enzyme élimine tout excès de phénylalanine. Les mutations (on connaît plus de 400 mutations du gène exprimant la PAH chez les enfants) du gène de cette enzyme entraînent la phénylcétonurie. Les catécholamines sont synthétisées dans la médullosurrénale : phénylalanine+PAH → tyrosine+tyrosine hydroxylase → DOPA+acides l-amino aromatiques décarboxylase → dopamine+dopamine β-hydroxylase → norépinéphrine+S-adénosylméthionine (SAM, comme donneur de méthyle)+phényléthanolamine-N-méthyltransférase (PNMT) → épinéphrine. En réaction au stress, le cortisol est produit dans les corticosurrénales. Sur son chemin vers la circulation générale, le cortisol traverse la médullosurrénale et y induit la PNMT de manière à augmenter la production de catécholamines qui sont également élevées en cas de stress.
Le tryptophane, dans la glande pinéale, est le précurseur des neurotransmetteurs sérotonine (à la lumière du jour) et mélatonine (dans l’obscurité). La N-acétyltransférase convertit la sérotonine en N-acétylsérotonine, et l’hydroxyindole-O-méthyltransférase convertit la N-acétylsérotonine en mélatonine. La glande pinéale joue un rôle dans le sommeil, l’activité locomotrice et a un impact sur l’hypothalamus, la parathyroïde et le pancréas. Le tryptophane est converti en acide quinolinique par la voie de la kyurénine, et l’acide quinolinique peut être converti en petites quantités en niacine, un précurseur des coenzymes du nucléotide nicotinamide.
L’arginine peut être convertie en créatine. Le rein transforme l’arginine en acide guanidoacétique qui est converti en créatine dans le foie. La plupart de la créatine présente dans l’organisme se trouve dans les muscles squelettiques où le phosphate de créatine constitue une réserve d’énergie. Lorsque les demandes énergétiques sont élevées (contraction musculaire), la créatine phosphokinase avec l’ADP convertit la créatine phosphate en créatine plus ATP. Le phosphate de créatine se transforme spontanément en créatinine dans le muscle où il est maintenu à un niveau constant. La créatinine est excrétée par le rein sans être réabsorbée, de sorte que sa clairance dans l’urine fournit une mesure de la filtration glomérulaire rénale. L’arginine est un précurseur de l’oxyde nitrique (NO) dans une réaction catalysée par l’oxyde nitrique synthase (NOS). Il existe trois formes de NOS : iNOS, Enos et nNOS. Le NO est un signal biologique contrôlant la pression artérielle, la neurotransmission, l’apprentissage et la mémoire.
L’histidine, par l’action de l’histidine décarboxylase, est convertie en histamine. La sécrétion d’acide gastrique est stimulée par l’histamine par l’intermédiaire des récepteurs H2 de l’histamine. Les mastocytes libèrent de l’histamine pour médier la réponse allergique et générer une vasodilatation et une bronchoconstriction par le biais des récepteurs H1 de l’histamine. Le groupe imidazole de l’histidine qui peut exister sous forme protonée ou non protonée est un composant des sites actifs de nombreuses enzymes.
Le glutamate génère la glutamine par la réaction de la glutamate déshydrogénase. Il participe également à de nombreuses réactions de transaminases et est un composant du glutathion. Le glutamate forme également l’acide γ-aminobutyrique (GABA), un important neurotransmetteur inhibiteur dans le cerveau. Grâce aux actions de la glutamate déshydrogénase et de la glutamate transaminase, le glutamate est transformé en α-cétoglutarate qui peut être un précurseur de la proline ainsi que de l’ornithine ou peut entrer dans le cycle TCA pour la production d’énergie.
La sérine peut donner naissance à la glycine par la réaction de la sérine hydroxyméthyltransférase qui utilise le tétrahydrofolate coenzyme.
Les acides aminés, lorsque leurs concentrations dépassent les besoins de la synthèse protéique, peuvent être métabolisés en composés qui peuvent entrer dans le cycle TCA pour la production d’ATP. Les acides aminés qui entrent dans le cycle TCA sont cétogènes ou glucogènes en ce sens que les premiers peuvent être convertis en acides gras, et les seconds en glucose. Les acides aminés à chaîne ramifiée ne sont pas catabolisés par le foie, mais plutôt par les muscles, les tissus adipeux, les reins et le cerveau. Ils sont convertis en acides cétoniques correspondants par l’aminotransférase des acides aminés à chaîne ramifiée. L’α-cétoacide déshydrogénase à chaîne ramifiée convertit les cétoacides en dérivés du CoA. Si cette enzyme est non fonctionnelle par mutation de son gène, les acides aminés à chaîne ramifiée s’accumulent dans le sang et l’urine et produisent la “maladie du sirop d’érable”.