Métabolisme des protéines

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1 Métabolisme des protéines D Séguy Service de nutrition dseguy@univ-lille2.fr

2 Schéma général du métabolisme protéique chez un adulte sain de 70 kg (tiré de «Enseignement de la Nutrition», B. Beaufrère, Collège des enseignants de Nutrition)

3 1/ Généralités 2/ Structure des protéines 3/ Digestion et absorption des protéines 4/ Synthèse protéique 5/ Dégradation irréversible des AA 6/ Protéolyse 7/ Synthèse des AA non essentiels 8/ Méthodes d exploration in vivo 9/ Physiologie du Métabolisme protéique 10/ Conclusion

4 1/ Généralités Macromolécules essentielles à la vie - Synthèse à partir de 20 acides aminés (AA) - Séquences d AA reliés par des liaisons peptidiques (CO-NH) - Contrôle génétique de chaque séquence spécifique - Azote = N est leur constituant caractéristique - Renouvellement perpétuel «turnover protéique» - Grande quantité ( protéines chez un eucaryote) - Grande diversité de taille, de structure

5 1/ Généralités Diversité des fonctions - Structure (collagène, kératine) - Enzymatiques (quasi-totalité) - Hormonales et neuromédiatrices - Motrices (actine, myosine) - Transport (albumine) - Transduction (récepteurs, prot G) - Immunité (cytokines) - Régulation de l expression du génome (fact de transcription) Approche nutritionnel (vision globale) - Constituant de l organisme (bilan négatif = dénutrition)

6 2/ Structure des protéines Structure Primaire - Séquence spécifique - Dipeptide (200 kd) oligopeptide (4 AA) Complexes enzy (10 6 kd) - Protéine moyenne (20 AA, 8% leucine, 1g de N pour 6,25 g de prot) - Composition de AA variable selon prot (Gly! collagène, Lys " céréales) Structure secondaire - Repliement dans l espace de la structure primaire - Rotation des AA autour des liaisons peptidique - Entre AA proches non contigus ( liaisons H) hélice α (kératine) & feuillets β

7 2/ Structure des protéines Structure tertiaire - Repliement dans l espace de la structure secondaire - Entre AA éloignés (liaisons hydrophobes, liaisons H ponts disulfures) - Organisation en domaines (la conformation confère une fonction) Structure Quaternaire - Liaison non covalente entre plusieurs protéines (hémoglobine, protéasome) - Indispensable au fonctionnement des prot complexes

8 3/ Digestion et absorption des protéines Apport de 150 g/j par la veine porte - Alimentaire de protéines (10 à 15 % ration calorique) (1 à 1.5 g/kg de poids = 70 à 100 g/j) - Protéines sécrétés par le tube digestif (1/3 total) (enzy, mucus débris = 50 g/j) Seule une fraction des AA absorbés passent dans la circulation générale (extraction splanchnique)

9 3/ Digestion et absorption des protéines Digestion prépylorique Digestion post pylorique luminale: peptidases pancréatiques Digestion de contact : peptidases membranaires Absorption des di et tripeptides Absorption des acides aminés Digestion intraentérocytaire des di et tripeptides Absorption des protéines

10 4/ Synthèse protéique Transcription Traduction Conditions nécessaires Pénétration intracellulaire des AA Activation des acides aminés Initiation Elongation Principe Terminaison Modifications post-traductionnelles & adressage Remarques sur la synthèse protéique

11 4/ Synthèse protéique Transcription (ADN ARNm) - Localisée dans le noyau de la cellule - Code génétique = séquence ADN (ou ARNm) séquence AA - 3 bases = 1codon, 64 types et 20 AA : synonymes (code «dégénéré») - 3 codons stop -ADN ARNm grâce à l ADN-polymérase («transcrit primaire») - Seuls les exons sont exprimés dans l ARNm mature («épissage») - L essentiel du contrôle cellulaire de la Σ prot est transcriptionnel - Régulation fine par les facteurs de transcription (complexes protéiques) * Doigts à zinc * Fermeture éclaire à leucine - L essentiel du contrôle cellulaire de la Σ prot est transcriptionnel - Donc ARNm témoins de la Σ prot (Northern blot, RT-PCR)

12 4/ Synthèse protéique Traduction (ARNm prot) Conditions nécessaires - Eléments nécessaires (cytosol) * AA * ARNm à traduire * ARN de transfert (ARNt) * Enzymes et facteurs de transduction * Ribosomes (complexes constitués de prot et d ARNr, 40S et 60S) * Energie Dans le cytosol * Sur ribosomes libres * Sur ribosomes liés (REG)

13 4/ Synthèse protéique Traduction (ARNm prot) Pénétration intracellulaire des AA - AA libres circulants pénètrent dans la cellule (transporteurs) * Pour AA neutres (Leu, Gly), surtout Na-dép + E (compétition) * Pour AA basiques : (Lys et Cys) * Pour AA dicarboxyliques (Asp, Glu) * Pour les imino acides (Pro)

14 4/ Synthèse protéique Traduction (ARNm prot) Activation des acides aminés - Fixation d 1 AA à l extrémité 3 d 1 ARNt (AA-ARNt synthètases) + ATP - Les aminoacyl ARNt sont les véritables précurseurs de la Σ prot - Les ARNt possèdent un anticodon complémentaire du codon d ARNm à traduire - Importance d une bonne reconnaissance de l AA-ARNt synthètases (sys redondants) -Vingt AA-RNAt synthètases (spécifiques chacun d 1 AA)

15 Transfert intracellulaire des acides aminés pour la synthèse protéique (tiré de «Enseignement de la Nutrition», B. Beaufrère Collège des enseignants de Nutrition)

16 4/ Synthèse protéique Traduction (ARNm prot) Initiation - Codon d initiation de l ARNm correspond toujours à ma méthionine (souvent clivé après) - Fixation sur le codon initiateur de Met-ARNt au sein de la petite sous-unité 40S * Facteurs spécifiques d initiation (eif2) * Enzymes (peptides transférases) * Beaucoup d E (GTP et ATP) - Fixation de la 60S à la 40S pour former un ribosome complet

17 4/ Synthèse protéique Elongation Principe - 2 sites de fixation voisins sur chaque ribosome - A la fin de l initiation ARNt Met est sur le site «peptidique» - Le 2 ème AA se fixe sur le site «acide aminé» - Liaison peptidique entre les 2 premiers AA (peptidyl transférase) - Le 1 er ARNt délivré de Met peut alors se détacher - Le ribosome avance d un codon («translocation») - Contrôle par facteurs d élongation et de translocation - Plusieurs ribosomes pour traduction d un ARNm (polyribisomes)

18 4/ Synthèse protéique Elongation Modifications post-traductionnelles & adressage - Multiples phénomènes post-traductionnels (maturation) - Les prot peuvent rester intracellulaire - Prot peuvent aussi être exportées via le RE puis le Golgi (séquences signal) - Différentes modifications à l intérieur de la cellule * Acquisition des structures 2 aire, ter aire et quater aire (ponts S-S) * Glycosylations (golgi) * Acquisition de signaux pour le ciblage (vers mitoch ou lysosomes) * Coupures de pré-protéines (pro-insuline insuline) * Modifications AA (His 3MH, Pro OH-Pro)

19 4/ Synthèse protéique Elongation Remarques sur la synthèse protéique -! ou d un seul AA suffit à ralentir ou à bloquer la Σ prot - Besoins d énergie +++ (calcul : 0,85 kcal/g de Σ prot, in vivo chez l homme : 1 kcal/g)

20 Polyribosome : plusieurs ribosomes se déplacent le long d un ARNm unique

21 5/ Dégradation irréversible des AA «Catabolisme oxydatif des AA» Désamination Elimination de l azote Cycle de l urée Amoniogénèse Destinée des radicaux carbonés des AA AA précurseurs de composés actifs

22 5/ Dégradation irréversible des AA Désamination - Oxydation de la plupart des AA = transfert du grpt α-aminé sur α kéto-glutarate AA-NH 2 + α -cétoglutarate cétoacide + glutamate - Le groupe aminé porté par le glutamate peut être redistribué vers d autres AA

23 5/ Dégradation irréversible des AA Elimination de l azote Cycle de l urée - Le glutamate est converti en glutamine (glutamine synthétase) - Idem pour l Ala - Dans le foie : Gln Glu + NH 3 (glutaminase) = cycle de l urée (besoin E) - Permet l élimination de l excès d ammoniac (urée a 2 atomes N par molécule) - Pas de fonction métabolique de l urée - La voie préférentielle d élimination de l azote en excès

24 Métabolisme hépatique de la glutamine d après D. Haüssinger (tiré du «Traité de Nutrition pédiatrique, Maloine)

25 5/ Dégradation irréversible des AA Elimination de l azote Amoniogénèse - Amoniogénèse rénale à partir de Gln (élimination sous la forme d amoniaque) - Représente environ 20 % de l azote urinaire total - " en conditions cataboliques, le jeûne, l acidose et l insuffisance hépatique

26 5/ Dégradation irréversible des AA Destinée des radicaux carbonés des AA - Destinée variable selon l AA et selon les organes - Dégradation oxydative hépatique à l exception des AA branchés - Le radical carboné (céto acide) a deux destinées possibles * Réanimation en AA identique ou non essentiels (Σ de novo) * Destruction (incorporation substrat, céto ou néoglucogénèse : Ala) - La décarboxylation en position 1 est l étape irréversible (AA perdu pour Σ prot) cétoacide CO 2 + résidu d AA

27 PLASMA INTRACELLULLAIRE Protéines Leucine Leucine KIC KIC CO 2 + Isovaleryl-Coa Exemple de dégradation d un AA branché

28 5/ Dégradation irréversible des AA AA précurseurs de composés actifs - Les AA ou leurs radicaux carbonés peuvent être précurseurs de composés actifs * Phe et Tyr et hormones thyroïdiennes et des catécholamines * His est un précurseur de l histamine * Glu précurseur du GABA (neurotransmetteur) * Asp, Gly et Glu des précurseurs des bases puriques et pyrimidiques - Ces voies sont (quantitativement minimes mais rôle physiologique essentiel)

29 6/ Protéolyse «Catabolisme protéique» Généralités Systèmes protéolytiques (sys multiples & spécifiques) Voie lysosomale Voie calcium dépendante Voie ubiquitine-protéazome dépendante Signaux responsables de la dégradation des protéines Conclusion

30 6/ Protéolyse Généralités - Mécanismes moins connus que ceux de la Σ prot - Difficultés d étude car protéolyse a de multiples fonctions * Ménage cellulaire - Renouvellement basal des protéines - Elimination des protéines anormales - Elimination des constituants excédentaires des structures multimériques * Genèse des peptides antigéniques à partir des protéines endogènes et exogènes * Production d énergie à partir des protéines en situation de carence (néoglucogenèse) * Régulation de l abondance tissulaire des protéines

31 6/ Protéolyse Systèmes protéolytiques Voie lysosomale (abondants dans foie et rein, ATP dép) - 1. Ciblage sélectif des protéines * Séquence KFERK (= Lys-Phe-Glu-Arg-Gln) * Surtout en cas de carence nutritionnelle - 2. Macroautophagie * Enveloppement d une portion entière de cytoplasme par double Mb * Provient d une projection du RE vésicule fermée (autophagosome) * Fusionnement autophagosome avec lysosome (dégradation Mb et contenu)

32 6/ Protéolyse Systèmes protéolytiques Voie lysosomale (abondants dans foie et rein) - 3. Microautophagie * Invagination de corps multivésiculaire (origine endosomique) * Permet internalisation de prot ou d agrégats de prot intracellulaires * Fusion avec lysosome quand nombre de vésicules suffisant - 4. Hétérophagie * Internalisation de protéines extracellulaires vésicules * Migration des hétérophagosomes vers la périphérie du noyau * Fusion avec lysosomes (hétérophagolysosomes) - Action des protéases lysosomales (cathepsines, carboxypeptidases...)

33 Dégradation lysosomiale d après S. Carillo et al. (Médecine/Sciences 1995, 11 : )

34 6/ Protéolyse Systèmes protéolytiques Voie calcium dépendante - 2 calpaïnes cytosoliques (activité fonction de la concentration en Ca) - Spécialisées dans la dégradation des prot du cyto-squelette - La calpastatine est un inhibiteur puissant de ces calpaïnes - Activité protéolytique fonction de l équilibre calpaïnes /calpastatine

35 6/ Protéolyse Systèmes protéolytiques Voie ubiquitine-protéasome dépendante (ATP dép) Ubiquitination des substrats - Ubiquitine = prot de 76 AA - Substrat = protéines intra-cell normales et anormales - Fixation covalente aux prot-cibles (U-COOH ter NH2 ter-lys-prot) - Ubiquitination nécessite plusieurs enzymes (E3s pas toujours) * E1 («ubiquitine activating enzyme») + ATP active l ubiquitine * E2s catalysent la liaison avec substrat («ubiquitine activating enzymes») * E3s ont des sites pour substrat («ubiquitine protein ligases») Formation de complexes multiubiquitinés

36 6/ Protéolyse Systèmes protéolytiques Voie ubiquitine-protéasome dépendante (ATP dép) Protéasome - Intervient dans * Dégradation enzy limitantes et de prot régulatrices * Dégradation prot anormales * Présentation des Ag aux molécules de classe I du CMH - " en état catabolique

37 6/ Protéolyse Systèmes protéolytiques Voie ubiquitine-protéasome dépendante (ATP dép) Protéasome 20S - Dégrade les conjugués ubiquitinés - 26S = 20S (protéolytique) + 19S (complexe régulateur) - 20S = α7β7β7α7 * 14 sous-unité différentes assemblées en 4 anneaux (cylindre creux) * Cylindre renferme au moins 5 activités peptidasiques * 2 anneaux centraux constitués de SU β (protéolytique) * 2 anneaux externes constitués de SU α (pour liaison à 20S et 19S)

38 6/ Protéolyse Systèmes protéolytiques Voie ubiquitine-protéasome dépendante (ATP dép) Complexe 19S et protéasome 26S - 19S : au moins 18 sous-unités différentes (ATPasiques et non ATPasiques) - Fournis E pour * Assemblage 20S+19S = 26S * Destruction prot ubiquitinées en peptides

39 6/ Protéolyse Systèmes protéolytiques Voie ubiquitine-protéasome dépendante (ATP dép) Complex 11S - Second activateur de 20S - Constitué de 3 sous-unités α et 3 sous-unités β - Intervient aussi dans la présentation d Ag

40 Schéma de la voie ubiquitine-protéasome dépendante d après B. Beaufrère (tiré du «Traité de Nutrition Artificielle de l Adulte», SFNEP)

41 6/ Protéolyse Signaux responsables de la dégradation des protéines - Protéolyse lysosomale généralement non sélective (sauf prot KFERK) - Séquences PEST (Pro-Glu-Ser-Thr) et voie calcium dépendante - AA de l extrémité N-ter («N-end rule) (prot musculaires) * Déstabilisants (Arg, Lys, His) demi-vie courte (reconnus par E3s) * Stabilisants (Met, Ser) demi-vie longue

42 6/ Protéolyse Conclusion - La protéolyse consomme beaucoup d énergie - Sa régulation est tout autant fine que celle de la protéosynthèse

43 7/ Synthèse des AA non essentiels AA non essentiel peut être synthétisé de novo AA essentiel - Ne peut être synthétisé par l organisme et doit être apporté par l alimentation Un AA peu devenir conditionnellement essentiel si - Immaturité des voies enzymatiques de synthèse - Besoins en cet AA particulièrement élevés

44 7/ Synthèse des AA non essentiels La finalité des réactions de transamination est de redistribuer l N ingéré de façon adéquate entre les différents AA nécessaires à la Σ prot Gln et Ala sont 2 AA non essentiels trés importants - Cycle alanine-glucose - Gln est le plus abondant dans le plasma

45 Essentiels Histidine Leucine Isoleucine Valine Lysine Méthionine Phénylalanine Tryptophane Tréonine Non Essentiels Alanine Glutamine Glutamate Aspartate Asparagine Cystéine Proline Glycine Arginine Tyrosine Sérine Acides aminés essentiels et non essentiels

46 Cycle alanine glucose d après P. Felig (tiré du «Traité de Nutrition pédiatrique, Maloine)

47 8/ Méthodes d exploration in vivo Généralités Méthodes conventionnelles Index créatininurie/taille 3 méthyl-histidine urinaire (3MH) Bilan azoté Dosage des concentrations circulantes d AA Cathétérisme artério-veineux Principe de l utilisation des isotopes stables

48 8/ Méthodes d exploration in vivo Généralités - Seule l activation neutronique permet une directe de l N totale - Difficultés de mesure de la masse azoté Les compartiments corporels d après Brozek (adulte sain de 70 kg) (tiré de «Enseignement de la Nutrition», Collège des enseignants de Nutrition)

49 8/ Méthodes d exploration in vivo Méthodes conventionnelles Index créatininurie/taille - La créatinine provient du muscle - Vitesse de production constante - Son excrétion urinaire permet d évaluer la masse musculaire - Le rapport créatininurie / taille standardise la méthode - De nombreux facteurs altérent la spécificité (exercice muscu, stress, trauma, brûlure insuff rénale, régime alimentaire en prot )

50 8/ Méthodes d exploration in vivo Méthodes conventionnelles 3 méthyl-histidine urinaire (3MH) - Presque exclusivement contenue dans les prot fibrillaires - Eliminée dans les urines lors du catabolisme - Mais apport exogène (viande, poisson), intérêt limité - Coût élevé, pas en routine

51 8/ Méthodes d exploration in vivo Méthodes conventionnelles Bilan azoté = N ingéré - [N urinaire + N fécal + N cutané] - Image globale - Occulte la cinétique du métabolisme protéique Dosage des concentrations circulantes d AA Cathétérisme artério-veineux - Dimension dynamique - En pratique irréalisable

52 8/ Méthodes d exploration in vivo Principe de l utilisation des isotopes stables - AA marqueurs du renouvellement protéique - AA marqués aux isotopes stables * Formes lourdes mais stables donc non radioactives * Abondance naturelle exprimée en atome pour cent en excès (APE) * Stabilité et innocuité identique à celle du produit tracé - Etude des flux d AA (cinétique du renouvellement protéique et échanges interorganes) -Dilution d un AA marqué (traceur) (suit les voies métaboliques et la cinétique de l AA tracé) -Exemple * Turnover de la Leucine est 100 ± 15 µmol/kg/h * Turnover de la GLN est 350 ± 35 µmol/kg/h

53 Ingesta 13 C-leucine Apports (I) Injection (i*) LEUCINE plasmatique Synthèse (S) Dégradation (B) PROTEINES Catabolisme (Ox) 13 CO 2 CO 2 A l'état stationnaire : Q = Rd = Ra Rd = S + Ox Ra = B + I A l'état post-absorptif : I = 0 Q = S + Ox = B Modèle d étude du métabolisme protéique «corps entier» par perfusion continue de 13 C-leucine

54 Schéma expérimental d une perfusion de 13 C-leucine

55 Exemple de dilution isotopique (tiré de «Enseignement de la Nutrition», B. Beaufrère Collège, des enseignants de Nutrition)

56 Mesure d enrichissement en 13 C-leucine en GCMS (tiré de «La Nutrition Humaine», D. Darmaun, INSERM, Nathan)

57 9/ Physiologie du Métabolisme protéique Régulation par les nutriments Etat post-absorptif Etat post-prandial Régulation hormonale Insuline Hormone de croissance et IGF Stéroïdes sexuels Catécholamines Hormones thyroïdiennes Glucagon Glucocorticoïdes Cytokines

58 9/ Physiologie du Métabolisme protéique Régulation par les nutriments Etat post-absorptif (à jeun) - 25% du glucose provient de la néoglucogénèse (" si >18 h jeûne) - Les Flux d AA se dirigent de la périphérie vers les viscères (intestin, foie) - Le muscle squelettique exporte des Q " d AA (" protéolyse,! Σ prot) - Ala et Gln = 2/3 des AA totaux libérés par muscle / 15% dans prot en tout - il y a une synthèse de novo de ces AA dans le muscle - Ala gagne le foie (néoglucogénèse) - Gln gagne l intestin où il sert de carburant - En situation de pénurie l organisme a 2 priorités * Fournir de l Ala au foie (néoglucogénèse ) * Fournir de la Gln aux tissus à renouvellement rapide

59 Echange interorganes d AA chez l homme sain à jeun (tiré de «La Nutrition Humaine», D. Darmaun INSERM, Nathan)

60 9/ Physiologie du Métabolisme protéique Régulation par les nutriments Etat post-prandial (nourri) - L image s inverse - Approvisionnement par glucides ingérés (glycogène et TG) - Lipolyse périphérique freinée - L intestin devient une source d AA - AA captés par le foie - Exception pour les ramifiés (Leu, Ile, Val) qui gagnent le muscle - Repas * Freine la dégradation protéique (insuline) * " Σ prot (lié à " des AA circulants) * " apport énergétique (adaptée aux besoins) " la balance azoté

61 Echanges interorganes d AA chez l homme sain nourri (tiré de «La Nutrition Humaine», D. Darmaun, INSERM, Nathan)

62 Effet de l " de l apport énergétique sur la balance azoté lors d un apport azoté constant d après (tiré du «Traité de Nutrition Artificielle de l Adulte», B. Beaufrère, SFNEP)

63 9/ Physiologie du Métabolisme protéique Régulation hormonale Insuline (anabolisante) - " la captation intracellulaire des AA - " Σ prot (difficile à démontrer in vivo) -! protéolyse (effet le plus important Hormone de croissance (médiée par l IGF-1) - " Σ prot -! protéolyse Stéroïdes sexuels - Anabolisantes (testostérone)

64 9/ Physiologie du Métabolisme protéique Régulation hormonale Catécholamines - Adrénaline et noradré anabolisantes (lipo et glycogénolytiques) - " Σ prot -! protéolyse Hormones thyroïdiennes - Euthyroïdie indispensable à la croissance - L hyperthyroïdie provoque une fonte musculaire " protéolyse) Glucagon - " protéolyse - Effet modeste (inhibition de cet effet par insuline)

65 9/ Physiologie du Métabolisme protéique Régulation hormonale Glucocorticoïdes - Hormones catabolisantes les plus puissantes ( hyperinsulinisme) - " protéolyse -! Σ prot Cytokines - Globalement catabolisantes - " Σ prot de l inflammation dans le foie

66 10/ Conclusion Évolution générale du métabolisme protéique corps entier (tiré de «Enseignement de la Nutrition», B. Beaufrère, Collège des enseignants de Nutrition)

67 Ouvrages conseillés Enseignement de la Nutrition Tome 1 physiologie Tome 2 pathologie Collège des enseignants de Nutrition Edité par Candia et Sodilac Traité de Nutrition Artificielle de l adulte Coordonnateurs: X Leverve, J Cosnes, P Erny, M Hasselmann SFNEP Editions Mariette Guéna