Mini-cours complémentaires

I-Introduction

Tous les organismes réalisant la digestion des aliments dans une lumière isolée du reste de l’organisme (tube digestif), sont confrontés à une difficulté : comment faire transiter les lipides alimentaires jusqu’aux zones où ils seront utilisés ? En effet, les organismes sont essentiellement composés d’eau (60 % chez l’Homme) et les lipides sont insolubles dans l’eau. Il n’est pas possible de faire circuler des micelles de lipides dans le sang sans risquer de provoquer une thrombose des plus petits vaisseaux.

Les modalités de circulation des lipides dans l’organisme dépendent de leur structure et de leur taille :

• Glycérol et acides gras (AG) à courtes chaînes (moins de 10 atomes de C) : après la digestion, la circulation dans le sang est libre depuis l’intestin vers le foie via la veine porte-hépatique ;
• Autres lipides : les lipides plus gros ou plus complexes (triglycérides par exemple) sont pris en charge par des protéines spéciales et transportés dans des sphères hermétiques. Cette méthode de transport est valable pour l’assimilation des lipides alimentaires (de l’intestin vers le foie et autres organes), ou pour la redistribution des lipides élaborés dans le foie (vers les organes).

II-Les lipoprotéines

Présentation. Les lipides sont transportés dans des sphères hermétiques, hydrosolubles et donc capables de se déplacer dans l’organisme : ces sphères sont les lipoprotéines.

Les lipoprotéines sont un assemblage de protéines amphiphiles = hydrophile + hydrophobe, de lipides amphiphiles (phospholipides + cholestérol simple) et de lipides hydrophobes (triglycérides (TG) et esters de cholestérol).

Note : le cholestérol possède une unique fonction alcool hydrophile, sur le carbone 3, qui disparaît lors de la formation d’un ester. Il devient alors totalement hydrophobe.

Structure.
Les lipoprotéines sont constituées d’un cœur fortement hydrophobe dans lequel sont stockés les lipides hydrophobes. Autour de ce cœur, s’accumulent les lipides amphiphiles, en une seule couche : leur section hydrophobe est tournée vers le cœur, et leur section hydrophile est tournée vers l’extérieur de la sphère.

L’ensemble est maintenu par des protéines amphiphiles (souvent serpentiformes), les apolipoprotéines. Leurs domaines hydrophobes sont tournés vers le cœur de la lipoprotéine et leurs domaines hydrophiles sont tournés vers l’extérieur de la sphère (voir figure 1).

Qu’entend-on par extérieur de la sphère ? Il s’agit de la matrice dans laquelle évolue la lipoprotéine. Dans le milieu extracellulaire, il s’agira de la lymphe ou du sang. Dans le milieu intracellulaire, du cytoplasme. Dans tous les cas, les matrices sont aqueuses, ce qui explique que la surface de la lipoprotéine soit recouverte des sections hydrophiles des molécules qui la constituent.

Diversité des lipoprotéines. Les lipoprotéines se classent en fonction de leur densité (par rapport à l’eau, densité = 1) et de leur taille (voir figure 2).

Modification de la densité : souvent une même lipoprotéine existe sous différentes particules de densités différentes. Ceci est lié à la consommation par les tissus du contenu de la lipoprotéine =
essentiellement les TG de faible densité. Les muscles et le tissu adipeux sont de grands consommateurs de lipides, pour le renouvellement du stock d’énergie après un effort (myocytes) ou pour du stockage à long terme (adipocytes). Le retrait des TG de la lipoprotéine augmente progressivement sa densité et réduit sa taille.

Le chylomicron : lipoprotéine élaborée au niveau de l’intestin, elle permet le retour des TG et cholestérol vers le foie et leur utilisation directe par les tissus consommateurs de TG. Elle est structurée autour d’un unique exemplaire de l’apolipoprotéine Apo B-48. Plus un repas est riche en AG, plus la taille des chylomicrons augmente. Il existe également les « chylomicrons restants », plus petits que les chylomicrons, enrichis en cholestérol = ce sont des chylomicrons dont les TG ont été consommés par les tissus ;

VLDL = very-low density lipoprotein : particule produite par le foie autour d’une unique apolipoprotéine, Apo B-100. Elle permet de transporter des TG et du cholestérol du foie vers les tissus consommateurs. La taille initiale varie en fonction des apports alimentaires ;

IDL = intermediate density lipoprotein : évolution naturelle d’une VLDL après consommation des TG qu’elle contient. Sa taille se réduit et sa densité augmente par disparition des TG. La proportion de cholestérol augmente ;

LDL = low density lipoprotein : forme finale d’une VLDL après la consommation de la majeure partie des TG qu’elle contient. Encore plus petite et plus dense qu’une IDL. La proportion de cholestérol augmente encore ;

HDL = high density lipoprotein : forme de transport du cholestérol des tissus vers le foie. Ces particules sont construites autour des apoprotéines de classe A et C essentiellement et E. L’apoprotéine Apo A-I forme la majeure partie du squelette des HDL : elle est présente en plusieurs copies.

Propriétés. Les lipoprotéines présentent d’autres propriétés biologiques, autres que le transport des lipides :

• Pouvoir athérogène = formation de la plaque d’athérome dans les vaisseaux : chylomicrons, VLDL, IDL et LDL, surtout les petits LDL (ils ont moins d’affinité pour les récepteurs à LDL, donc ils passent plus de temps dans la circulation où ils sont susceptibles de provoquer la formation de la plaque d’athérome) ;
• Captation des toxines bactériennes : les chylomicrons peuvent capter certaines toxines bactériennes au niveau de la lumière intestinale et faciliter leur transport vers le foie où elles seront dégradées ;
• Cas des HDL : ces particules sont les seules qui présentent un pouvoir anti-athérogène. Elles ont également des propriétés anti-inflammatoire, antioxydante, anti-thrombique, anti-apoptotique. Elles pourraient inhiber le développement de l’athérosclérose.

III-Les apolipoprotéines

 Les apolipoprotéines sont des protéines structurales permettant l’élaboration des lipoprotéines.

Elles ont quatre fonctions essentielles :

• Etablir la structure de la particule de lipoprotéine : Apo A-I et A-II, B-48 et B-100 ;
• Servir de ligands aux récepteurs membranaires aux lipoprotéines : Apo E et Apo B-100 ;
• Aider à la formation des lipoprotéines ;
• Activer ou inhiber les enzymes impliquées dans le métabolisme des lipoprotéines (voir tableau 1).

La taille des protéines est très variable : de moins de 10 kDa (Apo C-I) à 800 kDa pour un polymère d’Apo (a).

La très grande majorité des apolipoprotéines sont synthétisées
dans le foie, et dans l’intestin pour celles impliquées dans l’élaboration des chylomicrons.

IV-Voies endogène et exogène des lipoprotéines

V-Les lipoprotéines et le diagnostic médical

Les lipoprotéines sont des marqueurs biologiques intéressants notamment pour estimer la santé du réseau sanguin. On utilise généralement le dosage des LDL (très athérogènes) et le dosage des HDL (anti-athérogènes).

En cas de présence importante de LDL dans le sang, le risque de thrombose augmente et ainsi les risques d’infarctus du myocarde (thrombose des coronaires).

I - Introduction

La glycolyse et le cycle de Krebs sont les principaux processus cellulaires aérobies permettant de régénérer l’ATP :

• Directement par des réactions à forte énergie potentielle chimique ;
• Indirectement en produisant des cofacteurs réduits dont la réoxydation par la chaîne respiratoire permettra de faire tourner l’ATPsynthase mitochondriale et produire de l’ATP.

En outre, la glycolyse et le cycle de Krebs sont des carrefours métaboliques puisque des intermédiaires réactionnels sont impliquées dans des voies connexes, comme la synthèse des lipides, des acides aminés et des acides nucléiques (voie des pentoses-phosphate).

II - Origine du glucose

Le glucose dégradé dans la glycolyse provient du glucose alimentaire ou des réserves de glycogène hépatique et musculaire, en cas de jeûne. Voir figure 1. Il y a également le fructose et le galactose (issu du lactose) qui se branchent à différents niveaux de la glycolyse.

III - La glycolyse

Voir figure 1.

L’ensemble des étapes de la glycolyse se déroulent dans le cytoplasme.

Les étapes « vi » et « ix » libèrent suffisamment d’énergie chimique pour permettre la fixation d’un phosphate sur l’ADP et donc la synthèse d’un ATP.

Toutes les réactions de la glycolyse sont réversibles, mais nécessitent de nouvelles enzymes. Il existe donc deux pools d’enzymes : un pool dédié à la glycolyse, et l’autre pool dédié à la néoglucogénèse. 

Les cofacteurs réduits (NAD(P)H) produits lors de la glycolyse ne rentrent pas dans la mitochondrie, mais leurs électrons+protons sont transférés par le système des navettes (malate/aspartate) vers la chaîne
respiratoire, où ils serviront au fonctionnement de l’ATPsynthase.

IV - Le cycle de Krebs

Les étapes suivantes se déroulent lors de la mitochondrie !

La dernière molécule synthétisée lors de la glycolyse, le pyruvate (qui rentre dans la mitochondrie, grâce à un transporteur), sert de substrat à l’enzyme (pyruvate déshydrogénase) qui synthétise l’un des réactifs initiaux du cycle de Krebs, l’acétyl-coenzyme A. L’enzyme est en fait un complexe multienzymatique, nécessitant de très nombreux cofacteurs, majoritairement des vitamines du groupe B. Voir figure 2.

Le cycle de Krebs permet également la synthèse d’ATP à une étape et des cofacteurs réduits, dirigés vers la chaîne respiratoire. Voir figure 3.

V - Interrelations métaboliques

Voir figure 4.

VI - Régulation

Voir figure 5.

Certaines enzymes sont inhibées par leur propre produit (hexokinase inhibée par le glucose-6-P en cas d’accumulation par arrêt de la phosphofructokinase I), d’autres sont inhibées par des métabolites intervenant plus tard dans la voie : de façon générale, l’ATP, produit final de la glycolyse, inhibe cette voie en cas d’accumulation. En revanche, l’ADP et le Pi sont des activateurs de la glycolyse en cas d’accumulation. Les intermédiaires du cycle de Krebs sont des inhibiteurs de la glycolyse, en cas d’accumulation.

Les hormones intervenant dans la régulation de la glycémie agissent également sur les enzymes de la glycolyse par un système de kinases/phosphatases qui activent ou inactivent les enzymes. Le glucagon active la néoglucogénèse et inhibe la glycolyse ; l’insuline fait exactement l’inverse.

VII - Bilan de la glycolyse et du cycle de Krebs

Au cours de la glycolyse, sont produits, pour une molécule de glucose :

• 4 ATP produits mais 2 consommés = 2 ATP nets ;
• 2 NADH produits, soit 3 ATP produits par NADH réoxydés = 6 ATP nets.

Total = 8 ATP

Au cours du cycle de Krebs, sont produits, pour une molécule de glucose :

• 2 GTP convertis en 2 ATP = 2 ATP nets
• 10 NADH produits, soit 3 ATP produits par NADH réoxydés = 30 ATP nets.

Total = 32 ATP

Au final, la glycolyse + cycle de Krebs d’une molécule de glucose produits 40 ATP.
Généralement, la conversion GTP en ATP n’est pas prise en compte, et le total
est alors de 38 ATP.

I-Introduction

L’ammoniac (NH₃) est une molécule extrêmement toxique pour les organismes. Le métabolisme peut en produire de grande quantité à partir de la fonction amine (NH₂), très présentes dans les molécules, notamment dans les acides aminés. Des moyens efficaces ont été développés, au cours de l’Evolution, pour l’éliminer rapidement.

Il existe trois grandes voies :

• Elimination directe du NH₃ issu de la dégradation des molécules : chez les animaux ammoniotéliques (Invertébrés aquatiques et Poissons). En raison de la forte solubilité de l’ammoniac dans l’eau, la molécule est déchargée directement dans l’environnement, par osmose ;
• Elimination sous forme d’acide urique : chez les animaux uricotéliques (Invertébrés terrestres, Reptiles et Oiseaux) ;
• Elimination sous forme d’urée : chez les animaux uréotéliques (Mammifères).

Les trois formes peuvent exister en même temps dans le même organisme : chez l’Homme, 80% de l’élimination de l’ammoniac se fait sous forme d’urée, puis sous forme d’acide urique (peut être pathologique), et finalement une très faible proportion sous forme d’ammoniac.

Au cours de la vie, les formes d’élimination de l’ammoniac peuvent changer : chez les amphibiens, aquatiques sous forme juvénile, l’ammoniac est privilégié. Sous leur forme adulte, l’acide urique est la forme préférentielle d’élimination de l’ammoniac.

II-Origines de l’ammoniac

L’ammoniac vient de trois principales sources métaboliques :

• Les acides aminés : squelette de l’acide aminé et chaîne latérale (Arg, Asp, Gln, His, Lys, Trp) ;
• Les bases azotées : purines et pyrimidines ;

• Les porphyrines : l’hémoglobine possède un groupement prosthétique (non-protéique), l’hème, formé de quatre noyaux pyrroliques (formant la porphyrine), contenant chacun un groupement NH-.

III-Les voies rénales d’élimination de l’ammoniac

 III-1-Ammoniac

1. Désamination des acides aminés dans les tissus ;
   
2. Le NH₃ formé est pris en charge par le glutamate = formation de glutamine (et consommation d’un ATP) ;
3. Circulation de la glutamine dans le sang jusqu’aux reins ;
4. Désamination de la glutamine par la glutaminase = libération de NH₃ dans l’urine.

Il existe également une possibilité de désamination directe des acides aminés (autres que Gln) circulant dans le sang, par le parenchyme rénal = production de NH₃ libéré immédiatement dans l’urine.

III-2-Acide urique

Chez l’Homme, la voie de dégradation des purines est incomplète et s’arrête à l’acide urique. Chez d’autres Mammifères ou Poissons, cette voie peut se poursuivre jusqu’au stade urée, en passant par l’allantoïne puis l’acide allantoïque.

La formation d’acide urique est présentée dans la figure 1.

La production quotidienne est de l’ordre de 1200 mg chez un homme et 600 mg pour une femme. 2/3 de l’acide urique est éliminé dans les urines et 1/3 dans le tube digestif : il est alors produit directement par les entérocytes à partir des purines de l’alimentation. L’acide urique peut s’accumuler sous forme de cristaux insolubles dans les articulations, causant les crises inflammatoires chroniques dites « crises de goutte ».

III-3-Urée

L’urée (NH₂-(C=O)-NH₂) est la principale forme d’élimination des déchets azotés chez l’Homme. L’urée est produite dans les hépatocytes, puis transite via le sang jusqu’aux reins où elle est exfiltrée du sang (filtration glomérulaire) mais non-réabsorbée (en partie) au niveau des néphrons = elle aboutit dans l’urine.
La biosynthèse de l’urée utilise un cycle, ce qui augmente grandement l’efficacité de la voie.
La biosynthèse de l’urée est présentée dans la figure 2. Elle se déroule à cheval sur deux compartiments : cytosol et mitochondrie.

IV-Les voies non-rénales d’élimination de l’ammoniac

Les porphyrines, essentiellement issues de l’hémoglobine, sont éliminées par voie biliaire,
dans le tube digestif, sous forme de pigments = stercobiline + urobiline. Ces molécules donnent leurs couleurs aux fèces. Une atteinte de la vésicule biliaire peut provoquer la décoloration des selles en blanc.

I-Digestion des lipides

Chez l’Homme, il existe trois sites de digestion des lipides :

• Dans la bouche, par libération d’une lipase linguale ;
• Dans l’intestin : le pH très faible (proche de 1) et l’action d’une lipase permet la dégradation des triglycérides (TG) à courte et moyenne chaîne présents dans le lait. Les mouvements péristaltiques de l’estomac favorisent également l’émulsion des lipides ;
• Dans l’intestin, ce sont les sucs pancréatiques qui réalisent la plus grosse part de la digestion des lipides. Les sucs contiennent : cholestérase, phospholipase, lipase, …
  Le résultat de la digestion est : cholestérol libre, des 1-monoglycérides (1 glycérol estérifié par un acide gras (AG) en position 1), des 2-monoglycérides qui servent d’amorce à la refabrication de TG. L’ensemble est absorbé par les entérocytes qui fabriquent alors les chylomicrons (lipoprotéines, voir ce cours) qui rejoignent le foie
  par la circulation lymphatique puis sanguine.

II-Dégradation des acides gras

Les acides gras proviennent essentiellement des TG alimentaires et des lipides contenus dans les membranes des cellules consommées (cellules musculaires essentiellement, sauf pour les amateurs d’abats. Les membranes végétales ne sont quasiment pas attaquées lors de la digestion en raison de la paroi pectocellulosique qui les protègent : l’ensemble forme les fibres alimentaires).

Le principe de la dégradation des AG est une oxydation en cascade de la molécule qui sera amputée d’un acétyl-coenzyme A (acétyl-CoA) à chaque tour d’oxydation. L’acétyl-CoA est la molécule initiatrice du cycle de Krebs, principal pourvoyeur de pouvoir réducteur à l’origine de la production d’ATP dans la mitochondrie.

Les AG sont des molécules naturellement inertes, ce qui en fait une excellente forme de stockage. Il est donc nécessaire de leur transmettre de la « réactivité chimique », par association avec le coenzyme A (liaison à haut potentiel énergétique) : c’est l’activation des AG (figure 1).

Une fois l’activation faite, l’acyl-CoA doit pénétrer dans la mitochondrie : le coenzyme A est remplacé par la carnitine qui sert d’ancrage aux deux acyl-carnitine transferase (ACT 1 et ACT 2) qui permettent à l’AG de passer les deux membranes mitochondriales. Dans la matrice, la carnitine est remplacée par un nouvel coenzyme A pour reformer l’acyl-CoA : il est alors entraîné dans un tourbillon de réactions successives = c’est la béta-oxydation ou hélice de Lynen (figure 2).

Bilan énergétique

Les acides gras sont des molécules très énergétiques : les réserves de graisses permettent de survivre pendant plusieurs semaines sans manger. L’énergie provient de deux sources :

• Les transporteurs d’électrons réduits au cours de la béta-oxydation (FADH₂ et NADH) qui seront réoxydés par la chaîne respiratoire mitochondriale. Ce processus permet la régénération d’ATP = 5 ATP pour la totalité des transporteurs réduits lors d’un tour de béta-oxydation ;

• L’acétyl-CoA qui est dirigé vers le cycle de Krebs, où chaque molécule d’acétyl-CoA permet la régénération de 12 molécules d’ATP.

Chaque tour d’hélice de béta-oxydation permet donc la synthèse de 17 molécules d’ATP. Pour l’acide arachidique (20 atomes de carbones = C20), trouvé notamment dans les cacahuètes, il faut 9 tours d’hélices pour en venir à bout et 10 acétyl-CoA sont produits : 9 x 5 + 10 x 12 = 165 ATP moins l’ATP nécessaire à l’activation de l’AG = 164 ATP. 
Le rendement par atome de carbone est de : 164/20, soit 8.2 (pour la glycolyse, le rendement est de 38/6 = 6.3).

Cas particuliers

• Oxydation d’un AG à nombre impaire d’atome de carbone :
  la béta-oxydation s’arrête à l’avant dernier tour, pour obtenir une molécule à 3 atomes de carbone (propionyl-CoA). Elle est carboxylée (ajout d’un CO₂H) pour obtenir une molécule à 4 atomes de carbone (méthylmalonyl-CoA). Il y a une isomérisation finale en succinyl-CoA, qui est un intermédiaire du cycle de Krebs ;
• Oxydation d’AG désaturés : des étapes supplémentaires sont ajoutées à la béta-oxydation qui permettent de « sauter par-dessus » les doubles liaisons. Des réactions successives déplacent les doubles-liaisons dans la chaîne carbonée de telle sorte que la configuration de la molécule corresponde toujours au modèle de la béta-oxydation ;
• Peroxydation des AG désaturés : certains AG sont dégradés sous action enzymatique, par des espèces réactives de l’oxygène = radicaux libres. Ces réactions permettent la synthèse de dérivés d’AG comme les prostaglandines chez l’Homme.

III-Biosynthèse des acides gras

La biosynthèse des acides gras n’est pas l’inverse de la béta-oxydation ! Il s’agit d’un ensemble de réactions différentes, partant de l’acétyl-CoA et permettant l’élaboration de la chaîne aliphatique. Elle a lieu dans le cytosol et le réticulum endoplasmique.

La béta-oxydation peut fonctionner à l’envers (à l’exception de la réaction d’activation de l’AG), ce qui permet l’allongement des AG à chaînes moyennes (C18) pour en faire des AG à plus longue chaîne (C20 à C26).

La biosynthèse des AG se déroule par transfert d’une molécule (malonyl-CoA) sur la chaîne carbonée en croissance. A aucun moment, les molécules ne sont libres :

• Chez les Procaryotes : les molécules sont fixées à une molécule spécialisée, le Acyl Carrier Protein (ACP) ;
• Chez les Eucaryotes : les molécules sont fixées à l’enzyme, l’acyl synthétase (énorme complexe enzymatique de 2.3 MDa).

La fixation se fait sur un radical -SH : celui de la chaîne latérale de la cystéine ou à l’extrémité d’une phosphopantéthéine.

Le déroulement de la synthèse des AG est présenté dans la figure 3.

Cas particuliers

• La synthèse d’AG mono-insaturés (1 seule double-liaison) fait intervenir deux systèmes : en anaérobiose, il s’agit d’une simple déshydratation de la chaîne aliphatique en fabrication. En aérobiose, une désaturase intervient ;
• La synthèse d’AG poly-insaturés (plusieurs doubles-liaisons) fait intervenir des désaturases. Tous les organismes ne sont pas capables de réaliser ces réactions. Chez l’Homme, beaucoup d’AG poly-insaturés sont dits « essentiels » car il n’est pas capable de les synthétiser.

Les corps cétoniques sont des dérivés de l’acétyl-CoA : acide acétoacétique, acide béta-hydroxybutyrique et acétone.

Ce sont des molécules produites en quantité non-négligeable et utilisées comme source d’énergie par plusieurs tissus : cerveau, muscles et reins. Comme les molécules sont de petite taille, elles peuvent diffuser librement à travers les membranes et atteindre facilement les tissus. Une fois sur place, les corps cétoniques sont re-transformés en acétyl-CoA et alimentent le cycle de Krebs.

La cétogenèse est un processus exclusivement hépatique, essentiel lors de la régulation de la glycémie. Elle intervient surtout lors du jeûne à long terme, par exemple en cas de grève de la faim.

Lors d’un jeûne prolongé, sous l’effet du glucagon, hormone hyperglycémiante, plusieurs processus vont être modifiés :

• Arrêt de la glycolyse et de la synthèse des AG ;
• Dégradation des TG pour libérer des AG.

La dégradation des TG va générer un très grand nombre de transporteurs d’électrons réduits = NADH. Cet état va un peu « embouteiller » le cycle de Krebs qui se retrouve à cours de cofacteurs oxydés (Cycle de Krebs et dégradation des TG se déroulent tous les deux dans la mitochondrie). L’acétyl-CoA qui est produit en grande quantité par la dégradation des TG mais qui n’est plus consommé par le cycle de Krebs, s’accumule. Il est alors éliminé par la cétogenèse, ce qui permet en plus d’exporter du substrat énergétique (les corps cétoniques) vers d’autres tissus.