Lipides Métabolisme Poly Laresba [PDF]

Zitiervorschau

LARESBA- Biochimie Métabolique

Biochimie métabolique des lipides

Université Polytechnique de Bobo-Dioulasso Laboratoire de Recherche et d’Enseignement en Santé et Biotechnologie Animales

Pr Georges-Anicet OUEDRAOGO

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Lipides généralités Définitions Les lipides constituent un groupe hétérogène de composés principalement caractérisés par leurs critères de solubilité : ils sont majoritairement insolubles dans l’eau et solubles dans les solvants organiques apolaires tels que le benzène, le dioxane, l’éther de pétrole, etc. La plupart des lipides sont des dérivés des acides gras mais ils comprennent également des composés tels que le cholestérol, des vitamines (A, D, E, K, carotènes), des dérivés isopréniques, etc.

Importance L’importance des lipides tient à leurs multiples rôles : - constituants structuraux des membranes cellulaires, dont la base est constituée de feuillets de phospholipides, - substrats dont l’oxydation produit de grandes quantités d’énergie et réserves énergétiques; à masse égale, le rendement énergétique de l’oxydation des lipides est environ deux fois supérieur à l’oxydation des glucides1, - médiateurs intra- et inter-cellulaires, les eicosanoïdes (dérivés de l’acide arachidonique) interviennent dans l’inflammation, la coagulation, etc., et un de ces dérivés est même une véritable hormone : PGF2α ou lutéolysine intervient dans la physiologie sexuelle femelle, en particulier dans l’involution du corps jaune, - isolants thermique (couche de graisse sous-cutanée essentielle chez les mammifères et oiseaux vivant dans les zones froides, en particulier chez les cétacés ou les pingouins) et électrique (gaine de myéline entourant les axones des neurones), -…

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de plus, les lipides sont pratiquement anhydres alors que les glucides sont hydratés; par exemple, le glycogène fixe approximativement deux fois sa masse d’eau. Il en résulte que, à masse égale, les lipides sont, en bilan, environ 6 fois plus « énergétiques » que les glucides.

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Bibliographie sommaire • Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K & Watson JD (1994) Biologie moléculaire de la cellule. Troisième édition. Médecine-Sciences Flammarion, Paris, 477-651. • Bruss ML (1997) Lipids and ketones. In : Clinical biochemistry of domestic animals, 4th Ed (Kaneko et al. Edrs) Academic Press, San Diego, 83-115. • Christie WW (1981) Lipid metabolism in ruminant animals. Pergamon Press. Oxford. • Devlin T.M. (1997) Biological membranes : structure and membrane transport. In : Textbook of biochemistry with clinical correlations, 4th Ed (Devlin TM, Edr) Wiley-Liss, New York, 179-216. • Glew RH (1997) Lipid metabolism II : pathways of metabolism of special lipids. In : Textbook of biochemistry with clinical correlations, 4th Ed (Devlin TM, Edr) Wiley-Liss, New York, 395-443. • Horton HR et coll. (1994) Principes de biochimie. De Boeck, Bruxelles. • Mc Garry JD (1997) Lipid metabolism I : utilization and storage of energy in lipid form. In : Textbook of biochemistry with clinical correlations, 4th Ed (Devlin TM, Edr) Wiley-Liss, New York, 361-393. • Voet D & Voet JG (1998) Biochimie. De Boeck, Paris.

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Classification La classification la plus habituelle est fondée sur la nature chimique des constituants des lipides : • lipides simples, qui ne renferment dans leurs structures que des atomes de C, H et O : - glycérides : dérivés d’acides gras et de glycérol - stérides : cholestérol et esters du cholestérol - cérides : dérivés d’alcools aliphatiques à longue chaîne • hétérolipides ou lipides complexes, qui renferment en outre dans leur structure des hétéroatomes, en particulier P, N et plus rarement S - glycérophospholipides, dérivés du sn-glycérol-3-phosphate - sphingolipides, dérivés de la sphingénine ou sphingosine

Plan général _______________________________________________________________________________________________________________________

1. Acides gras 2. Triglycérides 3. Hétérolipides 4. Cholestérol 5. Eicosanoïdes 6. Lipoprotéines plasmatiques 7. Corps cétoniques 8. Membranes cellulaires _________________________________________________________________________________________________________________ _____

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acides gras •1• Définitions Les acides gras sont des acides organiques à chaîne carbonée généralement longue, non ramifiée et à nombre pair d’atomes de carbone supérieur à 42.

Plan _________________________________________________________________________________________________________________ _____

2. Biochimie métabolique 2.1. Etat naturel-répartition 2.2. Apports-biosynthèse 2.2.1. Apports alimentaires 2.2.2. Biosynthèse des acides gras 2.2.2.1. Synthèse du palmitate 2.2.2.2. Elongation 2.2.2.3. Désaturation 2.2.2.3.1. Monodésaturation 2.2.2.3.2. Polyinsaturation 2.3. Catabolisme 2.3.1. β-oxydation mitochondriale 2.3.1.1. acides gras saturés 2.3.1.2. autres AG 2.3.1.3. bilan énergétique 2.3.2. autres voies d’oxydation 2.3.2.1. β-oxydation peroxisomale 2.3.2.2. ω-oxydation 2.3.2.3. α-oxydation 2.4. Rôles _________________________________________________________________________________________________________________ ____

Objectifs minimum comprendre : • l’importance

savoir : des

doubles

liaisons

:

structure,

• la structure linéaire à nombre pair d’atomes de C

oxydation (rancissement des graisses), métabolisme

• expliquer le caractère apolaire des acides gras et ses

• la synthèse cytoplasmique à partir d’acétyl CoA et les

conséquences sur la solubilité des lipides

besoins de transfert d’acétylCoA depuis la mitochondrie

• la β-oxydation mitochondriale, fournisseur d’acétyl

et de production de NADPH

CoA et de coenzymes réduits, donc d’énergie • expliquer comment les possibilités de désaturation sont responsables du caractère essentiel de certains acides gras polyinsaturés

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l’acide butyrique en C4 est présent dans les triglycérides du lait de vache, mais rarement dans les autres lipides

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Importance des acides gras Les acides gras sont les constituants structuraux communs à la plupart des lipides auxquels ils confèrent leur caractère apolaire. Bien que leur concentration circulante reste faible, ce sont : - des intermédiaires très importants du métabolisme énergétique : leur oxydation produit de nombreuses molécules d’ATP et leur mise en réserve sous forme de graisses permet une épargne de l’énergie. - les précurseurs de la synthèses de médiateurs intracellulaires : les eicosanoïdes

1. Biochimie métabolique 1.1. Etat naturel - Répartition Les acides gras ne sont pratiquement pas rencontrés à l’état libre. La majeure partie est incorporée dans des structures lipidiques, triglycérides et lipides membranaires pour l’essentiel. La très faible quantité d’acides gras libres correspond à la partie métaboliquement active; cependant, bien qu’elle soit faible, cette quantité d’acides gras libres, a une grande importance en raison du renouvellement constant des lipides intracellulaires. Dans le sang, les acides gras libres ou acides gras non estérifiés3, apolaires, sont transportés principalement par l’albumine (jusqu’à 20 molécules d’acides gras par molécule d’albumine) et non par des lipoprotéines. La fraction d’acides gras plasmatiques réellement libres, non liés à l’albumine est infime : environ 0,02%. La concentration des acides gras libres plasmatiques est comprise entre 0,2 et 0,6 mmol/l chez l’homme et varie très fortement en fonction de l’exercice physique, de la glycémie, du stress, etc., c’est-à-dire en fonction de toutes les causes qui libèrent des acides gras à partir des triglycérides de réserve (cf. triglycérides § 2.4.1). Chez la vache, la concentration des AGL varie entre 0,1 et 0,4 mmol/l. Chez les monogastriques, la concentration des AGL varie en fonction de la proximité du repas : elle diminue peu après les repas et augmente en période de jeûne en raison de la lipomobilisation. Chez les polygastriques, la concentration des AGL est beaucoup plus stable. Le dosage des AGL plasmatique impose des précautions de gestion du prélèvement La concentration des AGL plasmatiques est environ 10 fois plus faible que celle des triglycérides et des phospholipides chez les carnivores et du même ordre de grandeur que la concentration des triglycérides chez les herbivores. Par conséquent, une dégradation même limitée des triglycérides et/ou phospholipides in vitro dans l’échantillon peut entraîner une fausse augmentation notable de la concentration des AGL.

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AGL [acides gras libres] = AGNE [acides gras non estérifiés] = FFA [free fatty acids] = NEFA [non-esterified fatty acids]),

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Cela est évitable en centrifugeant l’échantillon immédiatement et en effectuant l’analyse immédiatement ou bien en utilisant des inhibiteurs des lipases (fluorures, paraoxon). Cependant, ce facteur de variation est difficile à contrôler et représente la principale limite à l’utilisation diagnostique de ces constituants.

1.2. Apports et biosynthèse Les acides gras présents dans l’organisme d’un animal proviennent des lipides alimentaires ainsi que d’une synthèse endogène. 1.2.1. Apports alimentaires 1.2.1.1. Sources alimentaires Les aliments de l’homme et des animaux ne renferment que très peu d’acides gras libres. L’essentiel de l’apport en acide gras résulte de l’hydrolyse des lipides alimentaires dans le tube digestif par les lipases digestives (cf. triglycérides § 2.4.2). Les apports alimentaires en lipides varient considérablement : - selon les aliments : les sources animales sont en général plus riches que les sources végétales (environ 20 % de lipides dans la viande de bœuf, 8 % dans celle de poulet, 1 % dans les végétaux verts [5 à 10 % de la matière sèche dans les fourrages mais très peu de triglycérides], 2 % dans les grains de blé mais 18 % dans les graines de soja). De plus, la composition du mélange d’acides gras ingéré dépend très notablement de la source alimentaire. Exemple de la composition en acides gras des lipides de trois sources alimentaires (d’après Beitz DC & Nizzi CP (1997) in : Rumen microbes and digestive physiolgy in ruminants. Karger, Bâle)

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50 45 40 35 30

graisse Bv lait Bv graisse Pc

25 20 15 10 5

?

20 : ∆ 5,8,11,14

18 : ∆9,12,15

18 : ∆9,12

18 : ∆9

18

16 : ∆9

16

14

12

10

8

6

4

0

acides gras

- selon les espèces : • chez les monogastriques, la composition en acides gras de l’alimentation est notablement responsable de la nature des acides gras présents dans les lipides de l’organisme. • chez les ruminants, la flore ruminale est responsable de l’hydrolyse des lipides alimentaires puis de la saturation d’une partie des acides gras, de l’isomérisation de certaines doubles liaisons (présence d’acides gras trans) : il en résulte que des acides gras libres sont présents en plus forte quantité que chez les monogastriques dans l’intestin grêle où on trouve également des acides gras trans résultant des réactions d’hydrogénation par la flore bactérienne tel l’acide trans-vaccénique (C18:∆11trans), dérivé du linolénate. • chez le lapin ou le cheval qui possèdent de volumineux réservoirs digestifs dans l’intestin distal, les fermentations bactériennes des glucides alimentaires produisent des acides gras volatils et des acides gras à courte et moyenne chaînes (≤ C10) Le lait représente également une source importante de lipides pour les nouveau-nés. Outre les différences quantitatives globales, les compositions en acides gras diffèrent également en fonction des espèces; par exemple, les acides gras à 10 carbones et moins ne constituent que 1% des acides gras dans le lait de femme et environ 20 % dans le lait de vache (cf. triglycérides § 2.1). 1.2.1.2. Absorption - distribution

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• L’absorption des acides gras a lieu dans les entérocytes du duodénum et du jéjunum, puis : - les acides gras à longue chaîne servent à synthétiser des triglycérides intégrés dans des complexes lipoprotéiques de grande taille, les chylomicrons (cf. lipoprotéines) qui rejoignent la circulation sanguine par voie lymphatique. - les acides gras à chaîne courte sont directement transportés dans la veine porte où ils sont pris en charge par l’albumine. Chez les ruminants, les acides gras volatils sont absorbés par les parois du rumen, ainsi que des acides gras à courte chaîne. Dans toutes les espèces, y compris l’homme, les acides gras à courte et moyenne chaînes (≤ C10) sont également absorbés dans le côlon et le rectum. Cela a une importance quantitative notable chez le cheval ou le lapin (cf. supra) pour lesquels cette absorption peut représenter près d’un tiers de l’apport énergétique. En revanche, les acides gras à longues chaînes ne sont pas absorbés dans cette partie de l’intestin. • La distribution des acides gras se fait peu sous forme d’acides gras libres transportés par l’albumine. La majeure partie des acides gras captés par les cellules de l’organisme provient de l’hydrolyse des molécules de triglycérides des lipoprotéines plasmatiques par la lipoprotéine lipase de l’endothélium des capillaires des divers organes : les acides gras libérés pénêtrent alors immédiatement dans les cellules. • La capture des acides gras libres par les cellules est très rapide, essentiellement par les cellules musculaires, en particulier myocardiques, et les adipocytes AG mais aussi les hépatocytes. Il en résulte que la Na+ concentration plasmatique en acides gras fluide interstitiel libres reste toujours très faible. Les acides gras libres pour la pénétration cellulaire ont une double origine : cytoplasme i) AG transportés par l’albumine; + Na ii) AG libérés par hydrolyse des triglycérides AG des lipoprotéines sous l’action de la FABP lipoprotéine lipase de l’endothélium vasculaire. Le processus de transport met en jeu des protéines membranaires qui fixent spécifiquement les acides gras à longue chaîne et les transfèrent vers le cytoplasme (dans certains modèles, par un système de cotransport avec Na+). Dans les cellules, les acides gras à longue chaîne sont fixés/transportés par de petites protéines cytoplasmiques spécifiques 4(FABP = fatty acid binding proteins; LBP = lipid binding proteins; ≈130/135 AA) qui, faciliteraient leur solubilisation dans le milieu aqueux intracellulaire. Cela est particulièrement important dans les adipocytes, où le métabolisme des lipides est constant et dans lesquels la concentration en acides gras libres est bien supérieure à leur solubilité.

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les CRBP et CRABP, protéines cytoplasmiques fixant le rétinol et le rétinoateappartiennent à la même famille de molécules ayant une forme de barrique avec une cavité centrale où se logent les molécules apolaires,

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Les acyl CoA à longue chaîne, qui sont les formes métaboliquement actives des résidus acyle, sont également fixés par des protéines de petite taille (10/11 kDa) : les ACBP = acyl CoA binding proteins. 1.2.1.3. Acides gras essentiels Les apports alimentaires sont indispensables pour apporter certains acides gras polyinsaturés que l’organisme est incapable de synthétiser, notamment les acides linoléique et α -linolénique, précurseurs des séries ω6 et ω3, qui sont donc des acides gras essentiels (cf. § 2.2.2.3.2). Facteurs alimentaires obligatoires, nécessaires en petite quantité, ces acides gras ont les mêmes caractéristiques que les vitamines et sont parfois considérés comme des vitamines. 1.2.2. Biosynthèse des acides gras L’organisme des mammifères est capable : - de synthétiser des acides gras saturés, essentiellement en C16, - d’allonger ultérieurement les acides gras synthétisés sur place ou apportés par l’alimentation, deux carbones par deux carbones, jusqu’en C22/C24, - de monodésaturer les acides gras saturés dans la position ∆9, et d’ajouter des doubles liaisons dans les acides gras insaturés entre la double liaison existante et le carboxyle.

1.2.2.1. Biosynthèse du palmitate5 1.2.2.1.1. Lieu La biosynthèse des acides gras a lieu dans le cytoplasme de presque toutes les cellules de l’organisme, essentiellement dans le foie, le tissu adipeux et la glande mammaire; la synthèse d’acides gras et de triglycérides dans la mamelle a une très grande importance quantitative chez les vaches, brebis et chèvres. Selon les espèces, la synthèse d’acides gras a lieu préférentiellement dans certains organes : foie chez l’homme et les oiseaux, foie et tissu adipeux chez le rat et le lapin, tissu adipeux et mamelle chez le porc et les ruminants. 1.2.2.1.2. Précurseurs Les précurseurs sont : i) l’acétyl-coenzyme A. L’acétylcoenzyme A est avant tout produit en grande quantité à l’intérieur des mitochondries, dont la membrane interne est

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la synthèse hépatique conduit principalement à la formation de palmitate, mais dans d’autres organes, des acides gras plus courts peuvent être synthétisés, c’est en particulier le cas dans la mamelle, où la proportion de butyrate est élevée.

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imperméable aux dérivés de coenzyme A. Le transfert du compartiment mitochondrial au cytoplasme implique deux possibilités de transport: - un échange de citrate et de pyruvate grâce au transporteur des tricarboxylates de la membrane interne de la mitochondrie, puis l’action de la citrate lyase cytoplasmique pour reformer de l’acétylCoA. L’activité de ce transporteur est freinée par l’élévation de la concentration des acyl-CoA à longue chaîne. - le fonctionnement d’une navette avec la carnitine avec un système d’acétylcarnitine transférases. L’acétyl CoA a deux origines différentes selon les espèces animales : a/ chez les monogastriques, il provient principalement du catabolisme du glucose. b/ chez les ruminants, l’acétyl CoA est provient majoritairement d’acétate résultant des fermentations microbienne des glucides dans le rumen; les ruminants peuvent également incorporer directement du β-hydroxybutyrate pour les 4 premiers atomes de carbone d’un acide gras (environ 20 % de la synthèse des AG par la mamelle). Chez les ruminants, la mamelle ne renferme pratiquement pas de citrate lyase et par conséquent ne peut pas utiliser le glucose comme précurseur d’acétylCoA pour la synthèse des acides gras. ❹

Pyruvate

Oxaloacétate

❺

Citrate

mitochondrie

cytoplasme

❸ Pyruvate

Malate

❷

Oxaloacétate

➊

Citrate ATP HS-CoA

ADP + Pi Acétyl CoA

Acyl CoA longue chaîne

(1) : ATP-citrate lyase; (2) : malate déshydrogénase; (3) enzyme malique (4) : pyruvate carboxylase; (5) : citrate synthétase

ii) le NADPH qui est indispensable aux deux réactions de réduction. Ce NADPH provient : a/ chez les monogastriques * pour partie, de l’activité de l’enzyme malique indispensable au transfert des acétylCoA vers le cytoplasme, qui fournit donc une molécule de NADPH par molécule d’acétylCoA transféré malate + NADP+ ---> pyruvate + CO2 + NADPH,H+ * pour partie, de la voie des pentoses b/ chez les ruminants principalement de l’activité de l’isocitrate déshydrogénase cytoplasmique, et à un moindre degré de la voie des pentoses.

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activités enzymatiques de la mamelle

(U/mg protéines)

1200 1000 800 G6PD GA6PD MA ICD

600 400 200 0 Truie

Ratte

Vache

Brebis

G6PD = glucose-6-P DH; GA6PD = 6-P-gluconate DH; MA = enzyme malique; ICD = isocitate DH cytoplasmique

1.2.1.1.3. Enzyme Chez les mammifères et les oiseaux, l’enzyme responsable est l’acide gras synthétase qui est une grosse protéine dimérique (534 kDa, 2438 acides aminés pour l’enzyme du foie de poulet) dont chaque sous-unité porte sept activités enzymatiques complémentaires, ainsi qu’une séquence dite ACP « acyl carrier protein » qui fixe l’acide gras en formation sur un bras 4’-phosphopantéthéine dérivé de l’acide pantothénique. Ces différentes activités enzymatiques sont réparties en 3 domaines inégaux. Le bras phosphopantéthéine, d’une longueur voisine de 2 nm, est au voisinage du thiol d’un résidu de cystéine de la cétoacyl synthétase de l’autre sous-unité et peut se déplacer, amenant le substrat au contact des différents domaines de l’enzyme. Le système doit comprendre les deux sous-unités pour fonctionner et il synthétise deux molécules de palmitate simultanément.

thioestérase

ACP

cétoacyl réductase

hydratase

énoyl réductase

malonyl acétyl transacylase transacylase

4’-phospho pantéthéine

SH 4’-phospho pantéthéine

SH

cétoacyl acétyl malonyl synthétase transacylase transacylase

cétoacyl synthétase

énoyl réductase

hydratase

cétoacyl réductase

ACP

thioestérase

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Chez les micro-organismes, les différentes activités enzymatiques sont réalisées par des protéines individuelles organisées en un complexe multienzymatique ayant les mêmes fonctions. 1.2.2.1.4. Voies Les réactions forment un cycle répétitif qui assure l’élongation d’un résidu acyle par unités de 2 carbones par condensation successives de malonylcoenzyme A, selon la réaction générale : AcétylCoA + 7 MalonylCoA + 14 NADPH + 14 H+ ---> Palmitate + 8 CoA + 7 CO2 + 14 NADP+ + 6 H2O i) formation du malonyl CoA : cette réaction de carboxylation biotinedépendante, catalysée par l’acétyl coenzyme A carboxylase, est l’une des étapes limitantes de la biosynthèse. H3C-CO-S-CoA + HCO3- + ATP ---> - OOC-CH2- CO-S-CoA + ADP + Pi Il existe deux isoenzymes de l’acétyl CoA carboxylase (ACC) : - ACC1 ou ACCα, dans les tissus synthétisant de fortes quantités de lipides : adipocytes, mamelle, foie; - ACC2 ou ACCβ, principalement dans les autres tissus, dont les muscles squelettiques et le myocarde, où la synthèse d’acides gras de novo a une très faible intensité6 Les enzymes de PM ≈ 265 à 275 kDa existent sous forme phosphorylée inactive (par le glucagon et les catécholamines) ou phosphorylée active (par l’insuline). Elle est également activée par le citrate, alors que le palmitylCoA joue un rôle de rétro-inhibiteur. citrate insuline

Acétyl Co carboxylase (monomère inactif) phosphorylé

Acétyl Co carboxylase (polymère actif) non phosphorylé

palmitoylCoA glucagon, catécholamines

ii) réaction d’amorçage : fixation d’acétate sur le thiol porté par la cystéine de l’acide gras synthétase; activité enzymatique de cétoacylsynthétase.

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dans ces organes, il est vraisemblable que le malonyl CoA joue davantage le rôle de modulateur de la carnitine palmitoyl transférase I que de substrat de la synthèse des acides gras (cf. § 2.3.1.1.2)

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Pant

HS Cys HS

Pant

Cys

SH

Pant

HS Cys

SH

HS

Pant

Cys

SH S C CH3 O

iii) charge de l’enzyme par le malonylCoA; activité enzymatique de malonylCoA transférase. Le malonylCoA est fixé par le bras phosphopantéthéine de l’ACP. Il semble que ce soit celui qui est présent sur la sous-unité opposée à celle qui a fixé l’acétylCoA qui réagisse ultérieurement avec ce dernier. Pant

HS Cys

S Pant Cys C O CH2 C O

SH S C CH3 O

-

O

iv) formation du dérivé β-cétoacyl et réductions-déshydratation. La condensation des deux acides est accompagnée de la décarboxylation du malonate; cette étape est catalysée par une activité acétylCoA transacylase et conduit à la formation d’un dérivé β-cétoacyl-Enzyme. La saturation de ce dérivé a lors lieu en trois étapes : NADP+

HS Cys S

Pant

Pant Cys

SH

NADPH,H+

HS Cys

SH

S

C O

Pant

Pant Cys

SH SH

C CH2

C CH3 O

O

CH2 CH CH3 OH H2O

HS Cys S

Pant

Pant Cys

SH

NADP+ NADPH,H+

HS Cys

SH

S

C O

Pant

Pant Cys

C CH2 CH2 CH3

O

CH

CH CH3

- réduction du dérivé β-cétoacyl en dérivé β-hydroxyacyl par une activité βcétoacylréductase utilisant le NADPH comme réducteur (le dérivé hydroxylé appartient à la série D en projection de Fischer, à la différence du dérivé L observé lors du catabolisme) - déshydratation en dérivé énoyl par une activité β-hydroxyacyl déshydratase - réduction en dérivé acyl par une activité énoyl réductase utilisant également le NADPH comme réducteur.

SH SH

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v) à la fin de cette étape, la chaîne carbonée a été allongée de 2 carbones, passant de acétyl à butyryl, mais cette chaîne est attachée au thiol de la pantéthéine, site accepteur du malonylCoA, et non au thiol de la cystéine. Un transfert est alors effectué, qui permet à l’enzyme de recommencer un cycle d’allongement de 2 carbones en fixant du malonylCoA. HS Cys

Pant

HS

Cys S C CH2 CH2 CH3 O

Pant

SH

vi) les cycles d’allongement se poursuivent jusqu’à ce que 7 tours aient été effectués et que le dérivé palmitoyl soit formé. Le palmitate est finalement libéré par hydrolyse grâce à une activité palmitoylthioestérase.

HS Cys

Pant

SH

S Pant Cys SH C O (CH2 CH2)7 CH3

HS Cys

Pant

HS

Cys SH

Pant

SH

+

-

OOC (CH2)14 CH3

Dans certains organes, la synthèse s’arrête avant d’arriver au stade du palmitate, c’est notamment le cas dans la mamelle. Dans ce cas, l’hydrolyse est liée à l’action de cétothiolases solubles, indépendantes de l’acide gras synthétase. 1.2.2.1.5. Régulation La régulation de la synthèse des acides gras porte principalement sur l’étape limitante qui est la réaction de carboxylation de l’acétyl CoA en malonyl CoA catalysée par l’acétyl CoA carboxylase. En résumé, - toute élévation de la concentration en acétate active la synthèse d’acides gras - toute élévation de la concentration en acides gras inhibe la synthèse d’acides gras.

L’acétyl CoA carboxylase est : - activée par : - l’acétyl CoA lui-même, ainsi que par le citrate dont l’augmentation de concentration témoigne à la fois d’une forte concentration d’acétyl CoA et d’oxaloacétate. - l’insuline qui favorise l’épargne énergétique et la dégradation du glucose en augmentant sa pénétration intracellulaire; l’insuline active également la pyruvate déshydrogénase du tissu adipeux mais non du foie. (par ailleurs, l’insuline inhibe la lipolyse, cf § ??). - inhibée par : - les acyl CoA à longue chaîne

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- les hormones lipolytiques, catécholamines, glucagon, … qui accroissent la lipolyse et augmentent la concentration des acides gras à longue chaîne. - induite par l’insuline qui augmente sa synthèse.

Oxalo acétate

Glucose

Pyruvate

Acétyl CoA

Citrate

Malonyl CoA

acyl CoA LC

Glucagon/Adrénaline Insuline

1.2.2.2. Elongation des acides gras Les acides gras d’origine endogène ou alimentaire peuvent subir des réactions d’élongation à partir du carboxyle, par chaînons successifs de deux carbones fournis par l’acétylCoA. Ces réactions se déroulent : - dans le réticulum où elles sont identiques à celles de la synthèse du palmitate mais en utilisant des acylCoA et du NADPH comme substrats; le principal substrat est le palmitoylCoA. - dans les mitochondries, où elles sont l’inverse des réactions de β-oxydation mais en utilisant NADPH et NADH comme réducteurs; ce système est peu efficace pour les acides gras à longue chaîne.

De telles réactions sont particulièrement importantes : - dans le système nerveux, où les lipides contiennent une forte proportion d’acides gras à plus de 20 carbones - pour la synthèse d’arachidonate à partir du linoléate alimentaire. 1.2.2.3. Désaturation des acides gras 1.2.2.3.1. Monodésaturation des acides gras saturés La plupart des tissus peuvent créer une première double liaison dans les acides gras saturés grâce à des oxydases réticulaires appelées désaturases. Chez les animaux, le substrat de ces enzymes est un acylCoA saturé, dans lequel une double liaison cis est créée en position 9−10 Les désaturases sont des enzymes de 300/350 AA qui possèdent un ion ferrique non héminique lié à des résidus d’histidine dans leur centre catalytique et utilisent O2, NADPH, un système de transporteurs d’électrons formé d’une flavoprotéine (NADPH cytb5 réductase) et de cytochrome b5. Chez les mammifères, la réaction de désaturation affecte principalement les acides stéarique et palmitique : la stéraoylCoA désaturase conduit respectivement aux acides oléique et palmitoléique.

TG

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H3C-(CH2)7-CH2-CH2-(CH2)7-CO-SCoA + O2 + NADPH, H+ ---> H3C-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-CO-SCoA + NADP+ + 2 H2O L’activité de la stéaroylCoA désaturase est : - réprimée par les apports alimentaires en acides gras insaturés, - induite par l’insuline, les glucocorticoïdes et la T3. 1.2.2.3.2. Formation des acides gras polyinsaturés Une fois qu’une première double liaison existe, l’organisme est capable d’insérer des doubles liaisons supplémentaires dans les positions 4, 5 ou 6 par des ∆4-, ∆ 5- ou ∆ 6-désaturases, en respectant toujours la présence d’un résidu méthylène (-CH2-) entre deux doubles liaisons consécutives. Un tel système n’est pleinement efficace qu’en liaison avec le système d’élongation. Il ne permet cependant pas de synthétiser tous les acides gras polyinsaturés dont l’organisme a besoin pour ses synthèses : les acides gras qui ne peuvent pas être synthétisés ou bien qui le sont en quantité insuffisante doivent être apportés par l’alimentation et sont appelés « acides gras essentiels » : ce sont le linoléate et l’α-linolénate.

Chez le chat, l’arachidonate est réellement un acide gras essentiel

7

On considère en général que les acides gras essentiels sont au nombre de 3 : linoléate, arachidonate (têtes de série ω6 ou n-6) et α-linolénate (tête de série ω3 ou n-3); indispensables à la synthèse de composés à nombre supérieur d’atomes de carbone, ils doivent donc être apportés par l’alimentation, ce qui a amené à les considérer comme des vitamines (vitamine F). En fait, dans nombre d’espèces, l’acide linoléique (C18, ∆

9,12

) peut être converti en acide

arachidonique mais non en α-linolénique par le jeu des désaturases et élongases; chez le chat et les félidés, la ∆ -désaturase est peu ou pas active : il en résulte donc que 6

l’arachidonate (ou le γ-linoléate) doit également être apporté dans l’alimentation de ces animaux.

7

la définition d’acide gras essentiel diffère parfois légèrement selon les auteurs. Par exemple, on peut considérer que l’arachidonate n’est pas un acide gras essentiel s’il peut être synthétisé à partir de linoléate ou bien au contraire qu’il est un acide gras essentiel dans la mesure où il permet de guérir les troubles résultant d’un défaut d’apport d’acides gras de la série ω6.

18

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H3C (CH2)4 CH CH CH2 CH CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 COOH

acide linoléique 18:2;∆ 9,12

H3C (CH2)4 CH CH CH2 CH CH CH2 CH CH CH2 CH2 CH2 CH2 COOH

acide γ-linolénique 18:3;∆ 6,9,12

H3C (CH2)4 CH CH CH2 CH CH CH2 CH CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 COOH

acide dihomo-γ-linolénique 20:3;∆ 8,11,14

5 H3C (CH2)4 CH CH CH2 CH CH CH2 CH CH CH2 CH CH CH2 CH2 CH2 COOH

acide arachidonique 20:4;∆ 5,8,11,14

1.3. Catabolisme des acides gras Le catabolisme des acides gras est principalement fondé sur une β−oxydation mitochondriale complète de la chaîne hydrocarbonée en acétylCoA, puis en CO2 + H2O, avec formation intermédiaire de coenzymes réduits (NADH et FADH2) dont la réoxydation permet la production d’ATP. Mise en évidence de la β−oxydation : expérience de Knoop (1904) β− dans l'alimentation

dans l'urine

Interprétation : conjugaison au glycocolle de

O CH2 (CH2 CH2)n

COOH

O

CH2 C NH CH2

nombre pair d'atomes de C

COOH

acide phénylacéturique

COOH

C NH CH2

nombre impair d'atomes de C

acide phénylacétique O

O (CH2 CH2)n

C CH2 COOH

COOH

acide hippurique

C COOH acide benzoïque

Au début du XX° siècle, le marquage des molécules p ar des radio-isotopes n’était pas encore pratiqué. Knoop eut l’idée de marquer des acides gras à nombre pair et impair d’atomes de carbone par un noyau benzénique non métabolisé par les organismes supérieurs, puis de les administrer à des chiens et d’étudier la nature des catabolites urinaires obtenus.Les dérivés benzéniques extraits de l’urine sont trouvés sous forme de conjugués du glycocolle (hydrosolubilisation) et sont de deux types : - en C2, pour les produits des acides gras à nombre pair d’atomes de C, - en C1, pour les produits des acides gras à nombre impair d’atomes de C. Knoop en a déduit que le catabolisme procédait : - par arrachage successif d’unités dicarbonées, - par oxydation du carbone β, puisqu’une fonction acide est présente dans les catabolites, ce qui devait être confirmé ultérieurement, en particulier avec des acides gras marqués au carbone 14.

1.3.1. β−oxydation mitochondriale des acides gras 1.3.1.1. β−oxydation des acides gras saturés

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1.3.1.1.1. Lieu - précurseurs La β−oxydation a lieu : - dans toutes les cellules de l’organisme, principalement les cellules musculaires, myocardiques et hépatiques. - dans les mitochondries, donc les érythrocytes sont incapables d’effectuer la β−oxydation des acides gras. Les précurseurs sont des acylCoA, H3C - (CH2)n - CO - S - CoA 1.3.1.1.2. Voies Les résidus acyle sont présents dans le cytoplasme sous forme: H3C - (CH2)n COO- et fixés sur des FABP. La membrane interne de la mitochondrie est imperméable aux acylCoA à longue chaîne mais non à ceux à courte chaîne ou à chaîne moyenne (≤ C10); ces derniers pénètrent directement dans la mitochondrie, où ils sont transformés en acyl CoA par une acyl CoA synthétase GTP dépendante. La pénétration intramitochondriale des acides gras à longue chaîne met en jeu : a/ la formation d’un acylCoA cytoplasmique ; b/ la traversée des membranes mitochondriales par un intermédiaire, la carnitine et un système d’acyltransférases puis la re-formation d’un acylCoA dans la matrice mitochondriale. i) activation cytoplasmique des résidus acyle La réaction d’activation des résidus acyle en acylCoA à longue chaîne dans le cytoplasme utilise l’équivalent de deux liaisons « riches en énergie ». Les enzymes sont des acylCoA synthéthases (ou thiokinases), réticulaires ou mitochondriales (membrane externe), différentes selon la longueur de la chaîne d’acide gras; elles catalysent la réaction suivante : H3C - (CH2)n - COOH + HS-CoA ---> H3C - (CH2)n - CO - S - CoA + ATP + AMP + PPi L’hydrolyse du pyrophosphate, spontanée ou catalysée par les pyrophosphatases, étant presque totale, la réaction est pratiquement irréversible. ii) pénétration mitochondriale des résidus acyle La membrane mitochondriale interne est imperméable aux acyl CoA à longue chaîne et un système de transport vers la matrice mitochondriale met en jeu :

19

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- le transfert du résidu acyle sur la L-carnitine, ACBP petite molécule polaire R-CO-S-CoA cytoplasme dérivée de la lysine, - deux carnitine acyltransmembrane ➊ externe férases8 appartenant aux membranes R-CO-Carnitine mitochondriales externe et externe (carnitine palmitoyl Carnitine transférase I et II), majoritairement dans des zones où les deux membrane ❸ ❷ membranes sont fortement interne rapprochées. matrice HS-CoA Carnitine Le site catalytique et le site régulateur de la carnitine R-CO-S-CoA R-CO-Carnitine palmitoyl transférase I sont exposés à la face cytoplasmique, ce qui (1) : carnitine palmitoyl transférase I; (2) : carnitine palmitoyl transférase II; (3) carnitine acylcarnitine permet l’accès des acyl translocase CoA transportés par leurs protéines de fixation (ACBP); le complexe ayant un PM voisin de 11 kDa ne pourrait pas diffuser vers l’espace intermembranaire, le seuil des porines étant voisin de 5 kDa. - une translocase qui échange carnitine et acyl-carnitine de part et d’autre de la membrane interne par un système d’antiport. Il existe en fait de nombreuses isoenzymes des carnitine acyltransférases, présentes également dans les peroxisomes (cf. § 2.3.2.1) et le réticulum. La plupart des carnitine acyltransférases faisant face au cytoplasme sont inhibées par le malonylCoA, évitant que biosynthèse des acides gras et catabolisme ne soient en concurrence. Le bilan est donc le transfert d’un groupe acyle cytoplasmique au pool de coenzyme A intramitochondrial. C’est l’étape limitante contrôlant l’oxydation ultérieure des acides gras (cf. § 2.3.1.1.5). malonylCoA

La carnitine : un additif alimentaire pour les sports d’endurance

8

il existe des isoenzymes des carrnitine acyltransférases spécifiques des acides gras à longue et moyenne chaîne et de l’acétate. Le rôle des deux dernières reste inconnu puisque ces molécules diffusent dans la matrice mitochondriale.

20

21

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COOCH2 HO CH CH2 (H3C)3 N+

L-carnitine

Dans les sports d’endurance, chez l’homme ou les animaux, une grande partie de l’énergie provient de l’oxydation des acides gras par les cellules musculaires, ce qui implique qu’un très grand nombre de molécules d’acides gras doivent pénétrer dans les mitochondries. Le transfert des radicaux acyle à longue chaîne étant l’étape limitante de cette voie métabolique, certains ont pensé que l’administration de carnitine favoriserait les efforts d’endurance. La carnitine est considérée comme un additif alimentaire et non comme un produit dopant.

ii) β−oxydation des acylCoA C’est un processus cyclique en 4 étapes qui libère de l’acétylCoA en oxydant le carbone 3 (carbone β) du résidu acyle) et réduit une molécule de NAD+ et une molécule de FAD, à chaque tour de cycle. > 1° étape : La première oxydation est une déshydrogénation catalysée par l’acylCoA déshydrogénase (qui est une flavoprotéine). Cela introduit une double liaison (de type trans, à la différence de la synthèse) dans la chaîne et forme un 2-énoylCoA. Il existe au moins quatre isoenzymes de l’acyloA déshydrogénase en fonction de la longueur de la chaîne acyle : VLCAD (very long chain acylCoA déshydrogénase), LCAD (long chain), MCAD (medium chain) et SCAD (short chain) dont l’action se relaie dans la mitochondrie. FAD H3C (CH2)n

CH2

CH2 CO S CoA

FADH2 H3C (CH2)n

CH CH

CO S CoA

Le FADH2 formé au cours de cette réaction n’est pas libre mais partie intégrante de l’enzymeL Il sert ultérieurement à réduire une protéine de transfert des électrons de la matrice mitochondriale (ETF : electron transfer flavoprotein) qui comprend un centre fer-soufre; l’entrée des électrons et des hydrogènes dans la chaîne mitochondriale a alors lieu sur le coenzyme Q, comme pour le complexe II. > 2° étape : L’hydratation de l’énoylCoA catalysée par l’énoylCoA hydratase conduit à la formation d’un β−hydroxyacylCoA (isomères de la série L)

H3C (CH2)n CH

CH CO S CoA

H 2O

OH H3C (CH2)n CH CH2 CO S CoA

> 3° étape : La deuxième oxydation est également une déshydrogénation catalysée par la β−hydroxyacylCoA déshydrogénase NAD-dépendante. Il en résulte la formation d’un β−cétoacylCoA +

NAD OH H3C (CH2)n CH CH2 CO S CoA

NADH,H

+

O H3C (CH2)n C CH2 CO S CoA

> 4° et dernière étape : la scission de la chaîne a lieu par l’action d’une thiolase qui catalyse l’attaque du carbone β par le soufre d’une molécule de coenzyme A et par conséquent la libération d’une molécule d’acétylCoA et la formation

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d’un acylCoA à 2 carbones de moins. Les trois activités enzymatiques : hydratase, hydroxyacylcoenzymeA déshydrogénase et thiolase sont effectuées par une même protéine qui est un hétéro-octamère appelé protéine trifonctionnelle .

O H3C (CH2)n C CH2 CO S CoA HS

cytoplasme

mitochondrie

CPT I-II acyl CACT CoA acétyl CoA

H3C (CH2)n CO S CoA CoA

H3C CO S CoA

Le processus se répète, FADH 2 raccourcissant la chaîne de deux atomes de carbone à chaque tour de cycle, jusqu’à la libération de 2 acylCoA énoylCoA acétylCoA à partir de β−cétobutyrylCoA. Ce méca-nisme répétitif dit « hélice de Lynen », libère hydroxyacyl donc : 1 FADH2, 1 NADH CoA protéine et un AcétylCoA par tour trifonctionnelle de cycle et un acétyl CoA 3-cétoacyl NADH supplémentaire à la fin. CoA VLCAD LCAD MCAD SCAD

CPT : carnitine palmitoytoyl transférases; CACT : carnitine acylcarnitine translocase; VLCAD : verylong chain acylCoA déshydrogénase [LC, MC, SC : long, medium, short chain]

1.3.1.1.4. Devenir des produits Le FADH2 et le NADH sont réoxydés par la voie des oxydations phosphorylantes mitochondriales conduisant à la formation respective de 2 et 3 molécules d’ATP. L’acétyl CoA peut également être oxydé par le cycle citrique ou bien servir de précurseur à diverses synthèses (acides gras, cholestérol, corps cétoniques, …). Il s’agit donc d’une voie métabolique produisant une grande quantité d’énergie (cf. § 2.3.1.3) sous forme d’ATP, réutilisable pour les synthèses de l’organisme. 1.3.1.1.5. Régulation La β−oxydation est une voie métabolique qui ne présente aucune régulation propre. Son intensité ne dépend que du nombre de molécules d’acides gras qui pénètrent dans les cellules, donc de l’apport alimentaire et de la lipolyse des graisses de réserve, donc essentiellement de la régulation de la triglycéride lipase hormono dépendante. Cependant, l’intensité de cette voie est diminuée par inhibition de l’activité de la carnitine palmitoyl transférase I qui est inhibée par une élévation de la concentration intracellulaire en malonylCoA (qui traduit une activation de la synthèse des acides gras, cf. § 2.2.2.1.5) : il en résulte une diminution de la pénétration des acides gras dans la mitochondrie, donc de leur catabolisme.

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1.3.1.2. β−oxydation des autres acides gras • acides gras insaturés : la voie de la β−oxydation butte sur des doubles liaisons « cis » qui ne sont pas toutes situées sur le carbone 2 par rapport au carboxyle. Trois systèmes enzymatiques permettent de contourner ces obstacles : - double liaison « cis » en 3,4 (β−γ): une énoyl-CoA isomérase fait migrer la double liaison en trans 2,3 (α−β), donnant un intermédiaire qui peut rattraper la β−oxydation.

HC

O

O C S CoA

3

CH

CH CH2

CH2

C S CoA CH 2

- doubles liaisons conjuguées trans en 2,3 résultant de la progression de la β−oxydation et cis en 4,5 : ce substrat est très mal utilisé par l’hydratase, ce qui reviendrait à un blocage de l’hélice de Lynen.

CH2

NADPH,H+ O C S CoA

CH HC CH 4

CH 2

+ NADP

CH2 CH2

CH2 CH2

CH CH2

CH

O C S CoA

CH CH2

Une 2,4 diénoylCoA réductase NADPH-dépendante produit un cis-3,4ènoylCoA qui est ultérieurement isomérisé en cis-2,3-ènoylCoA par une 3,2-ènoylCoA isomérase, redonnant un intermédiaire normal de la β−oxydation. • acides gras à nombre impair d’atomes de carbone. Ils sont peu abondants dans l’alimentation humaine et animale. La β−oxydation conduit, dans son dernier tour, à la libération d’acétylCoA et de propionylCoA. Ce dernier est également le produit du catabolisme des certains acides aminés (Met, Val, Ile) et un dérivé du propionate résultant de la fermentation ruminale des glucides. Le propionylCoA est un substrat glucoformateur9. Dans le foie principalement, il est transformé en succinylCoA et rejoint ainsi le cycle citrique par une voie métabolique qui nécessite : - de la biotine pour la carboxylation du propionylCoA en méthylmalonylCoA par la propionylCoA carboxylase qui utilise une molécule d’ATP (cf. Vitamines - Biotine) 9

O C S CoA

3

la principale origine du propionate chez les ruminants est la fermentation ruminale des glucides alimentaires; c’est l’un des principaux substrats de la gluconéogenèse.

CH 2

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- du coenzyme B12 (dérivé de la cobalamine) pour l’isomérisation du méthylmalonylCoA10 en succinylCoA par la méthylmalonylCoA mutase.

O

ATP HCO3-

ADP Pi

H3C CH2 C S CoA

O -

propionylCoA

-

OOC CH2 CH

O C S CoA

succinylCoA

OOC CH C S CoA CH3 (S)-méthylmalonylCoA

H3C CH COO

O C S CoA (S)-méthylmalonylCoA

1.3.1.3. Bilan énergétique de la β−oxydation Si l’on considère que tous les produits de la voie métabolique sont oxydés jusqu’à leur terme, il apparaît que cette voie est à l’origine d’une production considérable de molécules d’ATP. Par exemple, pour le palmitate (C16) : - activation + 2 ATP - 8 acétylCoA (12 ATP/acétylCoA) - 96 ATP - 35 ATP - 7 NADH + 7 FADH2 Soit au total, la production de 129 molécules d’ATP par molécule de palmitate. Le même calcul à partir du caproate (C6) montre que 44 molécules d’ATP sont produites, alors que l’oxydation complète d’une molécule de glucose (en C6, lui aussi) ne produit que 38 ATP. Le rendement énergétique supérieur de l’oxydation des acides gras par rapport aux glucides pouvait être prévu puisque les glucides possèdent de nombreuses fonctions oxygénées (hydroxyles, carbonyles). L’oxydation complète des acides gras produit également beaucoup d’eau L’oxydation complète d’une molécule de palmitate conduit à la formation de 16 molécules d’eau. Cette importante production d’eau est mise à profit par les animaux qui hibernent (par exemple, ours brun) ou par ceux qui vivent dans les régions désertiques (par exemple, dromadaire) pour compenser les pertes d’eau obligatoires par la respiration. Chez ces mêmes animaux, d’autres mécanismes limitent les pertes d’eau, en particulier en favorisant la réabsorption rénale. L’oxydation des acides gras du tissu adipeux brun (graisse brune) produit de la chaleur mais pas d’ATP De nombreux mammifères adaptés au froid ainsi que les nouveau-nés possèdent un tissu adipeux particulier dit brun (en raison de sa forte vascularisation et de la coloration que lui confèrent les cytochromes qui y sont abondants). Ce tissu peu abondant et localisé possède des réserves lipidiques sous forme de gouttelettes de triglycérides. L’oxydation des acides gras y produit de l’ATP dans les conditions « normales ». 10

la mutase est spécifique de l’isomère (R) alors que la carboxylase synthétise exclusivement le dérivé (S); une racémase assure l’interconversion des deux formes, via un carbanion.

25

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Lors de stimulation, par exemple par un refroidissement rapide, la lipolyse induite par l’adrénaline provoque une forte augmentation de la concentration des acides gras libres, d’où résulte un découplage des transferts de protons et de la synthèse d’ATP. Par conséquent, il se produit une forte libération de chaleur puisque toute l’énergie est dispersée et n’est pas partiellement récupérée pour la synthèse d’ATP. Le mécanisme de ce découplage repose sur l’interaction des acides gras libres avec une protéine de la membrane mitochondriale spécifique des cellules adipeuses brunes : l’UCP (uncoupling protein) ou thermogénine qui permet le retour des protons vers la matrice mitochondriale en court-circuitant l’ATP synthétase. Les fonctions de ce tissu sont

schéma du découplage dans le tissu adipeux brun (d’après Trayhurn P (1993) J Biosci 18 : 161-173

particulièrement importantes chez les jeunes animaux, chez les rongeurs lors de l’adaptation au froid : c’est le seul processus de thermogenèse

TG

HSL

AG

de UCP

β3

ATP

ce

tissu

hibernent, ATP Σ

G AC

du

est

également

important chez les animaux qui

AMPc NA

indépendant

fisson thermique. Le métabolisme

au

moment

de

la

reprise d’activité.

H+

Plus récemment, des protéines découplantes ont également été mises en évidence dans d’autres

oxydations

tissus,

mitochondrie

adipocytes blancs, des cellules

NA = noradrénaline; HSL = lipase hormonosensible; TG = triglycérides; AG = acides gras; UCP = uncoupling protein; ATP S = ATP-synthétase

notamment

dans

des

musculaires (cf. phosphorylation oxydative)

1.3.2. Autres voies d’oxydation des acides gras 1.3.2.1. β−oxydation peroxysomale Cette voie métabolique ne concerne que les acides gras à très longues chaînes (≥ 22 atomes de C) qui ne sont que très peu oxydés dans les mitochondries. Elle présente quelques différences par rapport à la voie mitochondriale : - elle débute uniquement avec des résidus acyle longs et se termine en C8/C12, les résidus acyle étant alors exportés vers le cytoplasme puis les mitochondries pour poursuivre l’oxydation. - les autres réactions sont analogues, mais la première réaction de déshydrogénation réduit également une flavoprotéine (acylCoA oxydase) dont les équivalents réducteurs servent directement à réduire de l’oxygène moléculaire avec formation d’eau oxygénée, ultérieurement dégradée en eau et oxygène par la catalase : Enz-FPH2 + FAD ---> Enz-FP + FADH2 FADH2 + O2 ---> FAD + H2O2 H2O2 ---> H2O + 1/2 O2

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2.3.2.2. α−oxydation des acides gras Ce processus assez rare se traduit par la libération de CO2, sans production d’énergie. Il est notamment utilisé par les mitochondries des cellules hépatiques pour dégrader les acides gras ramifiés, lorsque le substituant est porté par le carbone n° 3. 1.3.2.3. ω−oxydation des acides gras Quantitativement peu importante, elle a lieu dans le réticulum et concerne surtout les acides gras à chaîne moyenne et longue; elle conduit à la production de diacides. Dans un premier temps, une hydroxylase cytochrome P450 dépendante (O2, NADPH) catalyse la transformation du méthyl terminal en hydroxyméthyl. Ce dernier est ensuite oxydé puis transformé en dérivé de coenzyme A avant de subir le processus de la β−oxydation. 1.4. Rôles des acides gras Les acides gras, surtout à longue chaîne, ont une importance considérable pour l’organisme : i) substrats « combustibles » dont l’oxydation fournit une quantité considérable d’énergie; ii) bases de la mise en réserve de cette énergie sous forme de graisses de réserves : triglycérides principalement présents dans le tissu adipeux; iii) éléments constitutifs de nombreux glyco- et phospholipides membranaires auxquels, les acides gras confèrent un caractère apolaire, responsable de l’imperméabilité des membranes aux substances hydrophiles iv) précurseurs des prostanoïdes, prostaglandines, lecotriènes, thromboxanes, etc. qui sont principalement des médiateurs intracellulaires

26

27

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Glycérides11 •2• Définitions Les glycérides, et principalement les triglycérides (triacylglycérols), sont les principaux lipides de réserve de l’homme et des animaux; constituant l’essentiel du contenu des adipocytes du tissu graisseux, ce sont des substrats énergétiques.

Plan _________________________________________________________________________________________________________________ _____

1. Biochimie structurale 1.1. Structure 1.2. Propriétés physiques et chimiques 1.2.1. Solubilité 1.2.2. Point de fusion 1.2.3. Hydrolyse

2. Biochimie métabolique 2.1. Etat naturel-répartition 2.2. Biosynthèse 2.3. Rôles 2.3. Catabolisme

_________________________________________________________________________________________________________________ _____

Objectifs minimum comprendre

savoir

• l’importance de l’apport glucidique dans la synthèse

• la

des triglycérides par le tissu adipeux

caractéristiques physiques

• le rôle de la lipoprotéine lipase

• la fonction et la régulation du fonctionnement de la

structure

générale

des

glycérides

triglycéride lipase hormono-dépendante

11

En biologie médicale et en nutrition humaine ou animale, on utilise habituellement les vocables de tri-(di-, mono-) glycérides. Cependant, la terminologie internationale (IUB & IUPAC - International Union of Biochemistry, International Union of Pure and Applied Chemistry) recommande de nommer ces composés : tri-(di-, mono-) acylglycérols.

et

leurs

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1. Biochimie structurale 1.1. Structure Par hydrolyse, les glycérides libèrent du glycérol et des acides gras. La plupart, sont des triglycérides, c’est-à-dire des triesters du glycérol par des acides gras.

H2C OH HO C H H2C OH glycérol

αC β

1

C2 αC3

O O H 2C O C R1 R2 C O C H H 2C O C R3 O

triglycéride

Asymétrie spatiale et fonctionnelle du glycérol

1 CH2OH

HO C H 3 CH2OH sn - glycérol

Dans l’espace, les carbones 1 et 3 du glycérol ne sont pas identiques et sont différenciés par la plupart des enzymes; par exemple, la glycérokinase ne catalyse que la phosphorylation de l’une des deux fonctions alcool primaire, en l’occurrence en 3. La numérotation stéréospécifique

(sn) est

donc

systématiquement

utilisée

et

correspond à la figure ci-contre.

Dans la majeure partie des triglycérides, les trois acides gras sont différents; par conséquent, les triglycérides des tissus de l’organisme ne sont pas des corps purs; ce sont des mélanges de molécules de composition voisine qui diffèrent par la nature et les proportions relatives des acides gras constitutifs. Dans quelques sources alimentaires, la majeure partie des molécules sont des triglycérides homogènes, par exemple, trioléine de l’huile d’olive (C57H104O6; PM = 884,6). Sans que la raison en soit connue, on observe que les acides gras insaturés et/ou à longue chaîne sont préférentiellement positionnés sur la fonction alcool en 2 du glycérol. Dans l’espace, les triglycérides ont une structure différente selon la température, c’est-à-dire selon leur point de fusion (cf. § 1.2.1). A l’état liquide, les trois chaînes d’acides gras sont orientées environ à 120 ° l’une de l’autre en Y; à l’état solide, les molécules de triglycérides prennent une conformation plus resserrée, en forme de diapason.

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O C

O

O O H2C C O CH H2C

θ>θ f

O H2C O C C O CH H2C O C

O C O

O

θC18

C18:D9,12,15

C18:D9,12

C18:D9

C18

C16:D9

C16

C14

C12

C10

C8

C6

C4

0

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iii) synthèse dans le tissu concerné.

Par exemple, dans la mamelle de la vache, environ 60 % des acides gras sont synthétisés sur place et 40 % captés à partir du plasma.

- glycérol-3-phosphate dont l’origine diffère selon les tissus : i) le foie et le rein possèdent une glycérol kinase qui catalyse la phosphorylation ATP-dépendante du glycérol : glycérol + ATP ---> glycérol-3-P + ADP ii) les adipocytes ne possèdent pas de glycérol kinase et les muscles n’ont qu’une activité très faible de cette enzyme; dans ces cellules, la seule origine possible du glycérol-3-P est la réduction de la dihydroxyacétonephosphate, intermédiaire de la glycolyse; cela impose donc la pénétration de glucose dans les adipocytes qui ne peut se faire de manière intense que par transport facilité sous l’influence de l’insuline (transporteur GLUT4, chez l’homme, le transporteur constitutif GLUT1 n’ayant qu’une capacité très limitée). 2.2.3. Voies i) formation de phosphatidate : deux résidus d’acylCoA servent à l’estérification des deux fonctions alcool libre, en deux étapes consécutives. Il en résulte la formation d’un acide phosphatidique. Une voie mineure (sauf dans les peroxisomes) permet également l’acylation de la dihydroxyacétone-P sur le C1, puis la réduction ultérieure du carbonyle.

32

33

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CH2OH O C CH2

R CO S CoA -

O O P O O

HS CoA

❼

dihydroxyacétone-P

❶

O CH2 O C R HO C H O CH2 O P O O

acyldihydroxyacétone-P

NADH,H+ NAD+

CH2OH

O CH2 O C R HO C H O CH2 O P O O lysophosphatidate

R CO S CoA -

HO C H O CH2 O P O O glycérol-3-P

HS CoA

❷

R CO S CoA

❸

HS CoA

O O CH2 O C R R C O C H O CH2 O P O O phosphatidate H2O

❹ O CH2 OH R C O C H CH2 OH 2-monoacylglycérol (intestin : digestion par la lipase)

R CO S CoA HS CoA

❻

Pi

O O CH2 O C R R C O C H CH2 OH diglycéride

R CO S CoA

❺ (1) : glycérol-3-P déshydrogénase (2) : glycérol-3-P acyltransférase (3) : lysophosphatidate acyltransférase (4) : phosphatidate phosphatase (5) : diacylglycérol acyltransférase (6) : 2-monoacylglycérol acyltransférase (7) : dihydroxyacétone-P acyltransférase

R2

HS CoA

O O CH2 O C R2 C O C H CH2 O C R3 triglycéride

O

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ii) hydrolyse de la liaison ester phosphorique par une phosphatase (phosphatidate phosphohydrolase) et libération d’un 1,2-diglycéride, puis formation d’un triglycéride par estérification de la fonction alcool libérée. Dans l’intestin, l’absorption des produits de digestion des triglycérides conduit à la présence de 2-monoglycérides : l’acylation directe de ces molécules par un acylCoA, catalysée par la 2-monoacylglycérol acyltransférase, conduit aussi à la formation de diglycérides. 2.2.4. Régulation En raison de l’importance de la pénétration intracellulaire du glucose dans la synthèse des triglycérides, l’insuline joue un rôle prépondérant dans la régulation, en facilitant la diffusion du glucose vers le secteur intracellulaire par augmentation du nombre de transporteurs membranaires (translocation du pool intracellulaire de GLUT4 vers la membrane); cela est particulièrement important dans les adipocytes, où la disponibilité du glycérol-3-P est le facteur limitant de la lipogenèse. La régulation de la synthèse des triglycérides varie selon les tissus : i) dans l’intestin, la disponibilité des substrats représente le facteur limitant (cf. formation des chylomicrons) ii) dans la mamelle, la disponibilité des substrats est également le point déterminant; une part des acides gras nécesaires étant captée à partir des AGL résultant de la lipomobilisation iii) dans le foie, l’étape limitante est celle de phosphatidate phosphohydrolase qui existe sous deux formes : cytoplasmique peu active et réticulaire active : - l’augmentation de la concentration intracellulaire en AMPc (élévation du glucagon ou diminution de l’insuline, par exemple lors de jeûne ou de diabète sucré) inhibe sa fixation au réticulum et entraîne donc une diminution de la synthèse des triglycérides; - l’élévation de la concentration des acyl CoA à longue chaîne favorise la fixation au réticulum; paradoxalement, les cellules hépatiques peuvent donc synthétiser des triglycérides lors de lipomobilisation liée au jeûne. iv) dans les adipocytes, ce sont surtout les mouvements de glucose et donc la disponibilité des précurseurs qui sont déterminants; de plus, l’augmentation de la concentration d’AMPc entraîne une augmentation d’activité de la plupart des enzymes de la synthèse des triglycérides. 2.2.5. Devenir des triglycérides synthétisés i) dans les adipocytes blancs, les triglycérides sont accumulés dans une énorme vésicule de stockage, d’où ils sont mobilisés par la triglycéride lipase (cf. § 2.3.) ; dans les adipocytes bruns, les vésicules sont multiples et de petite taille. Les vésicules de stockage sont bordées de protéines spécifiques, les périlipines qui pourraient jouer un rôle pour faciliter le catabolisme des lipides lors de l’action de la triglycéride lipase hormonosensible (cf. § 2.4.1). ii) dans les hépatocytes, les triglycérides sont : - soit incorporés dans les VLDL qui servent principalement à la distribution des acides gras vers les organes,

34

35

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- soit stockés sur place si la capacité d’exportation de lipides diminue ; en cas d’excès de stockage, se développe alors une surcharge lipidique ou stéatose, iii) dans l’intestin, les triglycérides sont incorporés dans les chylomicrons qui permettent leur transfert vers la circulation sanguine. iv) dans la mamelle, ils s’accumulent dans des vésicules sécrétoires exportées lors de la sécrétion lactée. Obésité et leptine L’obésite est fréquente chez l’homme comme chez les animaux domestiques; en Grande Bretagne, plus de 10% des chiens et des chats sont obèses. L’obésité est caractérisée par une augmentation du nombre et de la taille des adipocytes. Il s’agit d’une affection multifactorielle dans laquelle la quantité et la qualité des apports alimentaires ne sont pas les seuls déterminants. Chez l’homme et chez les rongeurs, la leptine (du grec leptos = mince) est une petite protéine (167 AA, PM = 16 kDa) sécrétée principalement par les adipocytes (surtout par les adipocytes blancs) mais également par le placenta et certains tissus du foetus. C’est une hormone qui agit principalement sur le centre hypothalamique de la satiété pour limiter la fin et donc l’ingestion d’aliments. La sécrétion de leptine est fortement corrélée à la masse lipidique et à la taille des adipocytes; elle est stimulée par l’insuline et les glucocorticoïdes et est inhibée par les catécholamines. Des récepteurs de la leptine ont été identifiés dans de nombreux adipocyte

tissus où la leptine agit notamment en redistribuant les substrats vers l’oxydation par les cellules musculaires : i) dans le pancréas, elle diminue la sécrétion

Acides gras libres

d’insuline , leptine

Glucose

ii) dans les cellules musculaires, elle augmente la pénétration du glucose , la synthèse de glycogène et l’oxydation des acides gras, iii) dans

cellule musculaire squelettique

les

adipocytes,

elle

diminue

la

pénétration du glucose. La leptine a de plus des effets sur la maturité sexuelle,

la

fertilité,

l’équilibre

hydro-

électrolytique et l’hématopoïèse.

2.3. Rôles Les triglycérides sont des réserves énergétiques, qui : - sont formées dans le tissu adipeux lorsque le bilan énergétique global du sujet est positif, notamment après un repas, - sont utilisées lorsque le bilan énergétique du sujet est négatif, c’est-à-dire pendant les périodes de jeune.

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Les triglycérides sont également des isolants thermiques qui se déposent dans le tissu sous-cutané des animaux vivant dans les zones froides, par exemple phoques, baleines, ours polaires, etc. 2.4. Catabolisme Le catabolisme des triglycérides a lieu essentiellement dans le foie, le tissu adipeux et le système circulatoire pour les triglycérides des chylomicrons et des VLDL. Ce catabolisme est le préalable à la libération des acides gras qui sont : i) dans les celllules, ultérieurement utilisés pour des synthèses ou oxydés pour produire de l’énergie; ii) dans la circulation sanguine, captés par les cellules où ils rejoignent éventuellement le pool des acides gras libres intracellulaires et sont utilisés. Un autre catabolisme des triglycérides (et des autres lipides alimentaires) a également lieu dans le tube digestif qui est le préalable à l’absorption intetsinale des lipides. 2.4.1. Catabolisme des triglycérides dans les organes et le système circulatoire Le catabolisme des triglycérides a principalement lieu : - dans les adipocytes : il y a un renouvellement continu des molécules de triglycérides par une lipolyse et une lipogenèse constantes qui libèrent les acides gras des triglycérides et assurent la synthèse de nouvelles molécules à partir des acyl CoA libérés et de glycérol-3-P ou de diacylglycérols. Cependant, si la lipolyse excède les capacités de synthèse, les acides gras passent dans la circulation où ils sont transportés par l’albumine et captés par les autres cellules pour faire face à un besoin énergétique (jeûne, exercice, par exemple). - dans le système circulatoire pour les triglycérides constituants des lipoprotéines plasmatiques: dans ce cas, il s’agit principalement de l’acheminement des acides gras alimentaires ou synthétisés par le foie vers le tissu adipeux, à des fins de stockage ou les organes périphériques pour leur utilisation.

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37

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adrénaline glucagon récepteur Gs

AC

ATP

AMPc

PKA active LHS inactive

PKA inactive LHS active

vacuole lipidique

TG

DG + AG

MG + AG monoglycéride lipase Glycérol + AG

Dans les adipocytes, la lipase hormonosensible (LHS) catalyse l’hydrolyse des triglycérides (TG), en deux étapes, jusqu’au stade 2monoglycérides + acides gras, puis une monoglycéride lipase hydrolyse la dernière liaison et libère une molécule d’acide gras et le glycérol. La lipase hormono sensible est l’enzyme clef de la régulation de la lipolyse, alors que la monoglycéride lipase n’est soumise à aucune régulation. La lipase hormonosensible est une enzyme dimérique (2 x 85 kDa) activée par phosphorylation AMPcdépendante, mettant en jeu une protéine kinase A (PKA). Les hormones « lipolytiques » sont les catécholamines (effets β), les glucocorticoïdes, le glucagon et à un moindre degré l’ACTH, la TSH et la

parathormone13. L’insuline peut inversement inhiber la lipolyse par activation d’une phosphodiestérase accélérant le catabolisme de l’AMPc (la sécrétion de l’insuline est stimulée par l’élévation de la glycémie mais aussi par l’augmentation de la concentration des AGL plasmatiques chez les ruminants) Dans le système circulatoire, la lipoprotéine lipase agit sur les triglycérides des chylomicrons et des VLDL. Cette enzyme synthétisée principalement par les hépatocytes est sécrétée et s’attache à l’endothélium des capillaires (via des molécules d’héparan sulfate). La lipoprotéine lipase est activée par l’héparine. Cette enzyme est essentielle pour l’hydrolyse des triglycérides arrivant par voie circulatoire dans les organes (via les chylomicrons ou les VLDL) car c’est elle qui en libère les acides gras qui sont ensuite utilisés comme substrats par les cellules. La stimulation spécifique de la lipolyse pourrait être un moyen de lutte contre l’obésité Chez le chien, comme chez l’homme ou les rongeurs, les adipocytes du tissu adipeux blanc ou brun possèdent un récepteur β-adrénergique spécifique β 3-AR. La stimulation spécifique de ce récepteur par des agonistes de synthèse conduit en quelques semaines à une perte de poids liée à une augmentation de l’oxydation des acides gras par stimulation de la protéine de découplage (UCP) du tissu adipeux brun (cf. § 2.3.1.3).

13

ces mêmes hormones entraînent également la phosphorylation des périlipines, renforçant l’hypothèse de leur implication dans le catablisme des triglycérides (cf. § 2.2.5)

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OH

H N

O CH3

O

COONa COONa

CL-316 243, agoniste β 3-AR

2.4.2. Catabolisme des triglycérides dans le

tube digestif Les lipides ingérés par les animaux et l’homme sont principalement des triglycérides. Chez les monogastriques, les produits d’assimilation des triglycérides arrivent rapidement dans la circulation sanguine : le pic de concentration des chylomicrons est observé environ 2 heures après le repas. Chez les polygastriques, les triglycérides qui arrivent dans la caillette sont également d’origine microbienne et les triglycérides alimentaires ont été partiellement hydrogénés. Quelle que soit leur origine alimentaire ou microbienne, les triglycérides sont dégradés dans le tube digestif par l’action de lipases de 3 types : i) lipases gastrique et pré-gastriques : Dans toutes les espèces, le début de la digestion des lipides intervient dans l’estomac sous l’action de lipases d’origine variable selon les espèces : linguale (rat, souris), pharyngienne (veau, agneau) ou gastrique (homme, lapin, chien, chat, cheval, porc, cobaye). Ces lipases stables à pH acide commencent à hydrolyser spécifiquement les triglycérides en position sn-1 et sn-3; elles sont très rapidement inactivées dans leduodénum par la présence de sels biliaires. Cette étape représente environ 20 % de la digestion de ces molécules. Son intérêt principal est de commencer l’émulsification des lipides par la formation de molécules amphiphiles : sels d’acides gras et 2-monoglycérides ainsi que par les mouvements de brassage de l’estomac et le passage des molécules par le pylore.

Les acides gras ainsi libérés facilitent également la liaison de la lipase pancréatique et de la colipase (cf. infra) et déclanchent la sécrétion de cholécystokinine par la muqueuse du duodénum et du jéjunum, ce qui entraîne la sécrétion des enzymes pancréatiques et la contraction de la vésicule biliaire, donc la sécrétion de lipase et de procolipase, ainsi que la libération d’acides biliaires facilitant l’émulsification des lipides. ii) lipase pacréatique - colipase dépendante Cette enzyme est quantitativement la plus importante; sa sécrétion permet d’hydrolyser environ 1000 fois la quantité de triglycérides ingérés chez l’homme. C’est une petite molécule de PM environ 50 kDa formé de deux domaines différents dont un seul porte le site catalytique. L’enzyme n’agit que sur les émulsions lipidiques mais est inhibée par les sels biliaires.

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La fixation de la colipase (PM environ 10 kDa) qui est sécrétée par le pancréas sous forme d’un précurseur activé par la trypsine14 lève l’inhibition par les sels biliaires. Cependant, l’enzyme ne devient active que par « activation interfaciale », c’est à dire par interférence avec des émulsions de lipides insolubles : cette liaison entraîne une transconformation de l’enzyme qui démasque son site actif, en soulevant un couvercle, dont l’ouverture serait stabilisée par liaison avec la colipase. La spécificité de la lipase est très large : c’est une carboxylestérase agissant de préférence sur les acylglycérol sans spécificité de longueur de chaîne et libérant des acides gras et des 2monoacylglycérols. iii) lipases activées par les sels biliaires Ces enzymes à spécificité très large sont peu actives sur les triglycérides mais davantage sur les esters de cholestérol, de vitamines liposolubles, etc. A la différence de la lipase, elles sont inactives en l’absence de sels biliaires. Chez les primates nouveau-nés on trouve une lipase similaire dans le lait qui contribue à l’hydolyse des triglycérides du lait.

Alimentation triglycérides

Estomac lipase “gastrique”

Foie sels biliaires émulsion

Pancréas lipase +colipase

triglycérides chylomicrons entérocyte

14

selon certains auteurs, l’action de la trypsine sur la procolipase ne consisterait pas en une activation mais libérerait un pentapetide, l’entérostatine régulant la satiété et l’ingestion lipidique.

lymphe

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Hétérolipides •3• Définitions Les hétérolipides sont des lipides qui renferment dans leur structure des hétéroatomes (N, P, S). Les hétérolipides appartiennent à deux grandes familles selon la molécule à laquelle les acides gras sont liés : - glycérophospholipides, dérivés d’acide glycérophosphorique, - sphingolipides, dérivés de la sphingénine ou sphingosine. Ils ont cependant des caractères généraux communs tenant à leur structure générale et à leurs fonctions de molécules apolaires impliquées dans la formation des membranes cellulaires.

Plan _________________________________________________________________________________________________________________ ____

1. Biochimie structurale

2. Biochimie métabolique 2.1. Etat naturel-répartition

1.1. Structure 1.1.1. Glycérophospholipides

2.2. Biosynthèse 2.2.1. Glycérophospholipides

1.1.2. Sphingolipides 1.1.2.1. Sphingomyélines

2.2.2. Sphingolipides

1.1.2.2. Glycolipides

2.2.3. transport intracellulaire

1.2. Prop. physiques et chimiques 1.2.1. Solubilité

2.3. Rôles 2.4. Catabolisme

1.2.2. Hydrolyse

2.4.1. Glycérophospholipides

1.2.3. Charge

2.4.2. Sphingolipides

_________________________________________________________________________________________________________________

Objectifs minimum Comprendre • l’importance

• expliquer les voies du catabolisme des sphingolipides de

l’estérification

fréquente

des

et l’importance des anomalies de ce dernier

glycérophospholipides par des acides gras insaturés en

Savoir

sn-2 et le rôle de la phospholipase A2 : cf.

• le caractère amphiphile des hétérolipides et son

eicosanoïdes

importance dans les structures des membranes ou des lipoprotéines.

41

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Importance Une grande partie des hétérolipides sont des molécules amphiphiles participant à différentes structures, notamment aux membranes cellulaires et aux lipoprotéines. Ce sont également : - des réservoirs d’acides gras insaturés, - les précurseurs de certains médiateurs intra- et extra-cellulaires, - des agents tensioactifs, participant ainsi aux fonctions du surfatant pulmonaire, à l’émulsification des lipides apolaires dans le tube digestif ou à l’élimination de molécules apolaires (cholestérol) dans la bile.

1. Biochimie structurale 1.1. Structure 1.1.1. Glycérophospholipides Ce sont des dérivés de phosphatidates, résultant (au minimum) de l’estérification d’une fonction acide phosphorique par un alcool. Ils comprennent donc une fonction phosphodiester dans leur structure. O O R1 C O CH2 R2 C O CH O O CH2 O P OO-

AG1

C O CH2

AG2

C O CH O O CH2 O P O R -

O

structure générale d'un glycérophospholipide

En fonction de la nature de l’alcool, on distingue plusieurs familles de glycérophospholipides. Les plus abondants dans les membranes sont les phosphatidylcholines ou lécithines, les phosphatidyléthanolamines ou céphalines et les phosphatidylsérines. Comme dans les triglycérides, la nature des acides gras estérifiant les fonctions alcool du glycérol diffère d’une molécule à l’autre. Préférentiellement, les acides gras insaturés, notamment l’acide arachidonique, estérifient la fonction alcool du C2. Les lysoglycérophospholipides sont des molécules dans lesquelles une seule molécule d’acide gras estérifie l’une des deux positions sn-1 ou sn-2 du glycérol.

42

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CH2 CH2 N

+

(CH3)3

CH2 CH2 NH 3 NH 3

+

éthanolamine : phosphatidyléthanolamines (céphalines)

+

CH2

CH

CH2

CH CH2OH OH

CH2

choline : phosphatidylcholines (lécithines)

sérine : phosphatidylsérines

-

COO

O CH2 O C AG3 O CH O C AG4 CH CH2O P O CH2 O OH O

glycérol: phosphatidylglycérols

phosphatidylglycérol: diphosphatidylglycérols (cardiolipines)

OH 1

OH OHHO 2

myo-inositol: phosphatidylinositols

OH Les molécules peuvent éventuellement subir certaines modifications telles que l’estérification de une ou plusieurs fonctions alcool des phosphatidylinositols.

• Ethers-lipidiques : Les plasmalogènes (= alkyl phosphatidylinositol-2,6-diP (MacMolecule Lite 2) glycérophospholipides) sont des dérivés de structure générale voisine des glycérophospholipides (=acylglycérophospholipides) dont ils ne diffèrent que par la nature de la molécule fixée sur le C1 du glycérol et le type de la liaison : un alcool gras liée par une liaison éther vinylique H3C (CH2)m HC CH O CH2 (qui résiste à l’hydrolyse par la H3C (CH2)n C O CH O phospholipase A1). Les + O CH2 O P O CH2 CH2 NH3 O plasmalogènes représentent environ 20% des glycérophospholipides et sont abondants dans le système nerveux central, le myocarde et les muscles squelettiques. Le PAF (platelet activating factor) : un éther lipidique particulier, médiateur de la réaction inflammatoire H3C (CH2)n CH2 O CH2 O H3C C O CH O CH2 O P O CH2 O-

D’abord reconnu pour son aptitude à CH2 N+

provoquer l’agrégation des plaquettes (CH3)3

sanguines et la libération d’histamine lors des réactions d’anaphylaxie chez

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le lapin, ce composé est produit lors de la stimulation des différentes cellules de la réaction -6

inflammatoire et stimule à son tour (à des concentrations très faibles : 10 à 10

-12

mol/l) les

autres cellules impliquées dans la réaction inflammatoire ; il est également synthétisé de manière constitutive dans le rein où il diminue la pression sanguine et est impliqué dans l’implantation de l’embryon et la parturition. C’est un éther lipidique dont la principale caractéristique structurale est de présenter un reste acétyle en 2. 1-palmitoyl-2-arachidonyl-glycérophosphorylcholine peroxydation en C9 + scission en 9-10 O H3C (CH2)14 C O CH2 O H C (CH2)7 C O CH O CH2 O P O O O-

Des

dérivés

d’oxydation

des

phospholipides

présentent

une

analogie structurale avec le PAF en raison du raccourcissement du radical acyl porté en 2 et sont reconnus par

CH2

CH2

N+

(CH3)3

son récepteur, induisant des effets analogues dans les cellules cibles. Cela pourrait expliquer certains des

effets des produits d’oxydation des phospholipides dans l’athérosclérose, l’asthme ou l’ischémie myocardique. Une faible quantité de phosphonolipides est présente dans de nombreux tissus O AG1 C O CH2 AG2 C O CH O O CH2 O P CH2 O-

Dans de nombreux tissus, 2 à 3 % des lipides sont des phosphonolipides. Les organismes supérieurs CH2 NH2

diacylglycérol aminoéthyl phosphonate

sont

incpables

de

synthétiser

des

dérivés

phosphoniques. Les phosphonolipides, analogues des

sphingomyélines,

phosphatidylcholine

phosphatidyléthanolamines

dérivent

de

et la

phosphonoéthanolamine produite par les microorganismes du tube digestif, en particulier du rumen des ruminants

1.1.2. Sphingolipides La base structurale commune de tous ces composés est la sphingénine ou sphingosine, alcool aminé insaturé à 18 atomes de carbone. trans

H3C CH2

CH2 CH2

CH2 CH2

CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH CH CH OH + H3N CH CH 2 OH

La liaison des acides gras se fait sur la fonction amine portée par le carbone C2 et les sphingolipides sont donc des amides. Les molécules résultant de la fixation d’un acide gras par la sphingosine sont les céramides. Selon la nature des molécules liées à la fonction alcool primaire en 1 des céramides, on distingue deux classes de sphingolipides : 1.1.2.1. Sphingomyélines Ce sont des phospholipides : la fonction alcool primaire de la sphingosine y est estérifiée par la phosphocholine, comme dans les lécithines avec lesquelles les sphingomyélines présentent une grande analogie structurale; en effet, l’acide gras fixé est souvent un acide gras à longue chaîne (en particulier, l’acide béhémique, C22 saturé).

44

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H3C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2

CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH CH CH OH H3C (CH2)n C HN CH O CH2 O P O CH2 CH2 N+ (CH3)3 O sphingomyéline O-

1.1.2.2. Glycolipides Dans ces molécules, un ou plusieurs résidus glucidiques sont liés par des liaisons osidiques avec le C1 de la sphingosine.

• Cérébrosides : Ils ne comportent qu’une seule molécule d’ose, galactose ou glucose --> galactocérébroside et glucocérébroside. Les sulfatides sont des galactocérébrosides portant une fonction sulfate en 3; ils constituent environ 15 % des lipides de la matière blanche de l’encéphale.

• Globosides : ce sont des sphingolipides qui comportent 2 ou plus de deux résidus osidiques neutres (par opposition aux gangliosides acides, cf. cidessous). Leurs proportions varient selon les tissus; par exemple, le lactosyl céramide est un constituant important de la membrane des éythrocytes. Céramide - Glu - Gal Céramide - Glu - Gal - Gal Céramide - Glu - Gal - Gal - N acétyl Gal

lactosyl céramide trihexosyl céramide globoside

• Gangliosides : ils portent des chaînes oligosaccharidiques comportant notamment de l’acide N-acétylneuraminique (NANA) qui CH2OH donne un caractère anionique à ces molécules. Il existe un HC OH très grand nombre de gangliosides variés qui interviennent HC OH O dans les interactions intercellulaires, la détermination de HO HO certains groupes sanguins (système ABO de l’homme), etc. OOC NH Parmi ces gangliosides, un certain nombre sont présents en C CH3 N-acétylneuraminate grande quantités dans le système nerveux et s’accumulent lors d’anomalies de leur catabolisme créant des affections actuellement incurables. céramide - Glu - Gal - NANA

ganglioside GM3

céramide - Glu - Gal - NANA

ganglioside GM2

N Acétyl Glu céramide - Glu - Gal - NANA N Acétyl Glu - Gal

ganglioside GM1

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1.1.3. Structure spatiale générale des hétérolipides Selon le nombre et la nature insaturée ou saturée des acides gras, ainsi que selon le volume de la tête polaire, les molécules d’hétérolipides peuvent avoir une forme générale grossièrement cylindrique, en particulier pour les lécithines, ou cônique, la pointe du cône étant située dans la zone apolaire des lysophospholipides ou dans la zone des phosphatidyl dipalmitoyl dipalmitoyl monopalmitoyl polaire éthanolamines. Il en résulte des phosphatidyl phosphatidyl phosphatidyl éthanolamine choline choline interactions intermoléculaires différentes et donc des stabilités variables des membranes dans lesquelles ces lipides sont insérés. 1.2. Principales propriétés physiques et chimiques 1.2.1. Solubilité Le point essentiel est le caractère amphiphile ou amphipathique des molécules d’hétérolipides, résultant de l’apolarité des chaînes hydrocarbonées d’acides gras et de la sphingosine et de la polarité des extrémités, souvent chargées.

Il en résulte qu’en milieu aqueux les hétérolipides tendent à former barrière - des micelles, apolaire - des vésicules, - des films bicouches, bases queue milieu aqueux structurales de membranes apolaire cellulaires (ou des liposomes), les têtes polaires faisant face au milieu aqueux et les queues apolaires se faisant face. Dans cette disposition, les chaînes hydrocarbonées des acides gras ou de la sphingosine interagissent par des forces de Van der Waals qui assurent la stabilité de l’édifice et excluent pratiquement toutes les molécules d’eau. tête polaire

1.2.2. Hydrolyse

milieu aqueux

45

46

LARESBA- Biochimie Métabolique

Les hétérolipides sont hydrolysables, particulièrement dans des réactions catalysées par des enzymes conduisant à l’utilisation de leurs constituants ou à leur dégradation (cf. § 2.4). L’hydrolyse de la liaison ester en 2 des glycérophospholipides conduit à la O formation de lysophospholipides qui ne AG1 C O CH2 HO CH O peuvent plus former des bicouches CH2 O P O CH2 CH2 N+ (CH3)3 stables. O lysolécithine

1.2.3. Charge La plupart des hétérolipides portent une ou plusieurs charges à leur extrémité polaire : acide phosphorique, acide carboxylique, ammonium. Certains de ces composés sont : - acides en raison de la présence d’une fonction acide phosphorique (ex. phosphatidylinositol) ou carboxylique (acide neuraminique des gangliosides) ou de la présence de deux fonctions acides et d’une seule fonction basique (phosphatidylsérines). - neutres comme résultat de la présence simultanée d’une fonction acide phosphorique et d’une fonction ammonium (phosphatidyléthanolamines, phosphatidylcholines, sphingomyélines) ou bien de l’absence de toute charge (cérébrosides).

2. Biochimie métabolique 2.1. Etat naturel et répartition Les hétérolipides sont abondants dans l’organisme où ils ne sont pas libres mais incorporés dans diverses structures, membranes cellulaires et lipoprotéines. Une grande quantité de lipides est présente dans le système nerveux, en particulier dans l’encéphale. Dans tous les cas, les hétérolipides les plus abondants sont les phosphatidylcholines, les phosphatidyléthanolamines et les sphingomyélines. Les hétérolipides sont présents dans toutes les cellules mais leur répartition est variable selon : i) les organes : ils sont particulièrement abondants dans le système nerveux; ii) les structures cellulaires. Ils sont abondants en général dans les membranes, où leur répartition n’est pas homogène et dépend du tissu et de la face de la membrane (par exemple, extracellulaire vs.intracellulaire pour la membrane plasmique). répartition des phospholipides dans les membranes des hépatocytes de rats (d’aprèsDaum G et Vance JE (1997) Prog Lip Res 36:103-130) (PC : phosphatidylcholines; PE : phosphatityléthanolamines; PI : phosphatidylinositols; PS : phosphatidylsérines; CL : cardiolipines; PA : phosphatidates; SM : sphingomyélines)

47

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60

% phopsholipides

50 40 PC PE PI PS CL PA SM

30 20 10 0 Mitochondries

Réticulum

Lysosomes

Golgi

Par ailleurs certains lipides se trouvent préférentiellement dans certains organites, par exemple, les cardiolipines sont presque exclusivement présents dans les mitochondries dont ils constituent environ 15 % des lipides, alors que les sphingomyélines et glycosphingolipides en sont presque absents.

2.2. Biosynthèse Elle a lieu dans toutes les cellules de l’organisme selon des voies différentes selon qu’il s’agit des glycérophospholipides ou des sphingolipides. En général, ces synthèses ont lieu principalement dans le réticulum, l’appareil de Golgi, les peroxisomes et le cytoplasme. Cela implique ensuite des transferts des molécules nouvellement synthétisées vers les différentes membranes où elles sont présentes dans les cellules. 2.2.1. Biosynthèse des glycérophospholipides • Précurseurs : glycérol, acylCoA, alcools • Voies : identiques à la synthèse des triglycérides (cf. Triglycérides § 2.2.3) jusqu’au phosphatidate. Au-delà, les voies diffèrent selon les molécules formées, mais en règle générale, elles mettent en jeu une réaction d’activation impliquant le CTP (cytosine triphosphate). 2.2.1.1. Synthèse des phosphatidyl-cholines et -éthanolamines Elle passe par la formation de CDP-choline/éthanolamine en deux étapes : i) phosphorylation par des kinases spécifiques : choline kinase et éthanolamine kinase; ii) transfert sur le CTP par les CTP:phosphocholine/éthanolamine cytidyltransférases. Ensuite, la réaction de substitution sur un diacylglycérol, catalysée par une phosphocholine/éthanolamine transférase conduit aux lécithines ou aux céphalines.

M. plasmique

48

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ATP HO CH2

+

CH2 N

ADP

O -O P

(CH3)3

O CH2

CH2 N+

(CH3)3

O-

choline

phosphocholine CTP

O AG1 C O CH2 AG2 C O CH O O CH2 O P O O-

NH2 CDP CH2

CH2 N+

Diacyl glycérol

(CH3)3

PPi

N O

N

HO

phosphatidylcholine (lécithine)

O

CH2 O CH2

CH2 N+

OH

CDP-choline

Dans le foie exclusivement, les phosphatidylcholines peuvent être synthétisées par méthylation de phosphatidyléthanolamines : Phosphatidyléthanolamine ---> Phosphatidylcholine + 3 S-Adénosylméthionine + 3 S-Homocystéine Dans de nombreux tissus, des acyltransférases peuvent l’estérification de lysophosphatidylcholines en lécithines. Lysolécithine + Acyl CoA ---> Lécithine + HS-CoA

catalyser

2.2.1.2. Synthèse des phosphatidylsérines Chez les mammifères, il s’agit d’une réaction d’échange entre la sérine et l’éthanolamine d’une phosphatidyléthanolamine catalysée par l’enzyme échangeuse de bases, présente dans le réticulum. Par ailleurs, dans les mitochondries hépatiques, les phosphatidylérines peuvent être décarboxylées en phosphatidyléthanolamines, mais ce processus serait quantitativement limité. sérine phosphatidyléthanolamine

éthanolamine phosphatidylsérine

CO2

2.2.1.3. Synthèse des phosphatidylinositols Dans ce cas, c’est le phosphatidate qui est activé sous forme de CDPdiacylglycérol par transfert de CMP catalysé par la CTP:phosphatidate cytidyltransférase.

(CH3)3

49

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O AG1 C O CH2 AG2 C O CH O CH2 O P OO O-

CTP

O AG1 C O CH2 AG2 C O CH O O CH2 O P O H2C O-

PPi

NH2 N O

OH

phosphatidate

N

O

OH

CDP-diacylglycérol

Chez les mammifères, les phosphatidylinositols sont alors synthétisés par échange d’inositol avec le CMP catalysé par la phosphatidylinositol synthétase : CDP-diacylglycérol + inositol ---> CDP + phosphatidylinositol Les nombreux dérivés phosphorylés des phosphatidylinositols sont ensuite synthétisés dans les membranes par des kinases et phosphatases (cf. § 2.3). En particulier : PIP (phosphatidylinositol-4-phosphate) et PIP2 (phosphatidylinositol-4,5-diphosphate) résultent de l’action ultérieure de deux kinases sur le phosphatidylinositol (PI) : i) PI + ATP ---> PIP + ADP, phosphatodylinositolkinase ii) PIP + ATP ---> PIP2 + ADP, phosphatidylinositol-4-phosphate kinase. 2.2.1.4. Synthèse des phosphatidylglycérols et diphosphatidylglycérols ou cardiolipines Dans les mitochondries, le glycérol-3-phosphate est substitué au CMP d’un CDP-diacylglycérol par la glycérophosphate phosphatidyltransférase, conduisant à la formation d’un phosphatidylglycérophosphate. La fonction ester phosphorique terminale de ce dernier est hydrolysée par la phosphatidylglycérolphosphatase O AG1 C O CH2 AG2 C O CH O O CH2 O P O H2C O-

NH2 N O

N

O

+

CH2OH HO CH

O

CH2 O P O-

O AG1 C O CH2 AG2 C O CH O O CH2 O P O H2C O- HO CH

OOH

CDP-diacylglycérol

OH

glycérol-3-phosphate

O

CH2 O P OO-

phosphatidylglycérolphosphate

O AG1 C O CH2 AG2 C O CH O O CH2 O P O H2C O- HO CH CH2OH

phosphatidylglycérol

La synthèse des diphosphatidylglycérols résulte de l’élimination d’une molécule de glycérol entre deux molécules de phosphatidylglycérol, catalysée par une enzyme mitochondriale.

50

LARESBA- Biochimie Métabolique

O AG1 C O CH2 AG2 C O CH O CH2 O P O H2C O O- HO CH

O H2C O C AG3 O HC O C AG4 H2C O P O CH2 O HC OHO

+

O H2C O C AG3 O HC O C AG4 CH2 O P O CH2 O O-

glycérol

CH2OH HOH2C

phosphatidylglycérol

O AG1 C O CH2 AG2 C O CH O CH2 O P O H2C O O- HO CH

phosphatidylglycérol

diphosphatidylglycérol

2.2.1.5. Synthèse des plasmalogènes Ces lipides ne dérivent pas du glycérol-3-P mais de la dihydroxyacétone-P, qui est d’abord acylée; son reste acyl est ensuite échangé avec un reste alkyl d’un alcool gras par la 1-alkyl-dihydroxyacétone phosphate synthétase. Ultérieurement, la fonction cétone est réduite en fonction alcool et le reste de la synthèse ressemble à celui des glycérophospholipides. L’activité des enzymes impliquées dans cette synthèse est maximale dans les peroxisomes. R' 2 NADPH,H +

O C S CoA

❸ HS CoA

2 NADP + O R C S CoA

CH2 OH O C O

❶

CH2 O P OO-

O CH2 O C R O C O

R'

CH2 OH

❷

CH2 O P OO-

HS CoA

dihydroxy acétone-P

1-acyldihydroxy acétone-P

CH2 O CH2R'' O C O CH2 O P OO-

O R C OH

1-alkyldihydroxy acétone-P NADPH,H +

O CH2 O CH AG C O CH O CH2 O P

CH CH2 R'

NADP + NADP cyt b 5 O2

O- (CH2)2 N+ (CH3)3

O-

1-ènyl-2-acyl glycérophosphocholine

❺

❹

NADP + O CH2 O CH2 AG C O CH O CH2 O P

CH2 CH2 R' O- (CH2)2 N+ (CH3)3

CH2 O CH2R' HC OH O CH2 O P O-

O-

1-alkyl-2-acyl glycérophosphocholine

O-

1-alkyl glycérol-3P

1 : dihydroxyacétone-P acyltransférase; 2 : 1-alkyl-dihydroxyacétone-P synthétase; 3 : acyl CoA réductase; 4 : 1-alkyl-dihydroxyacétone-P réductase; 5 : ∆1-alkyl désaturase

2.2.1.6. Remodelage des glycérophospholipides Dans de très nombreux tissus, des phospholipases A1 et A2 sont présentes et bien que leur activité soit faible, elles catalysent la formation constante de faibles quantités de lysoglycérophospholipides. Ceux-ci servent de précurseurs à la synthèse de nouvelles molécules de glycérophospholipides par des acyltransférases. Il se produit ainsi un échange fréquent des acides gras estérifiant les positions sn-1 et sn-2 du glycérol. Un cas particulier est celui de l’acyl CoA transférase spécifique de l’arachidonate qui fixe spécifiquement

51

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l’arachidonate ou un résidu d’acide gras polyinsaturé à longue chaîne sur la position sn-2 : lysolécithine + arachidonyl-CoA ---> lécithine + HS-CoA 2.2.2. Biosynthèse des sphingolipides 2.2.2.1. Synthèse de la sphingosine Les précurseurs en sont le palmityl CoA et la sérine dont la condensation donne la 4-cétosphinganine qui est réduite en sphinganine par une réductase NADPH dépendante; enfin la sphinganine déshydrogénase réticulaire désature la sphinganine en sphingénine ou sphingosine. O COO+ H N CH 3

+

CoA

O S C CH2

CH2

H3C (CH2)12 CH2 CH2 C+ H N CH 3

(CH2)12 CH3

CH2OH

+

HS CoA

+

CO2

CH2OH

sérine

palmityl CoA

3-cétosphinganine NADPH,H + NADP +i

H3C (CH2)12 CH CH CH+ H N CH 3

OH

CH2OH

FADH2

FAD

H3C (CH2)12 CH2 CH2 CH+ H N CH 3

OH

CH2OH

sphingénine

sphinganine 1/2 O2

H 2O

2.2.2.2. Synthèse des céramides Les céramides résultent de l’acylation de la sphingosine par un acyl CoA, sous l’action d’une sphingosine acyltransférase. Sphingosine + R-CO-S-CoA ---> Céramide + HS-CoA

2.2.2.3. Synthèse des sphingomyélines Le reste phosphocholine est apporté par une phosphatidylcholine. phosphatidyl choline

1,2-diacyl glycérol

H3C (CH2)12 CH CH CH- OH AG C NH CH

H3C (CH2)12 CH CH CH- OH AG C NH CH O

O

O

CH2OH

CH2 O P O CH2 CH2 O-

céramide

sphingomyéline

2.2.2.4. Synthèse des cérébrosides Dans ces réactions de synthèse, c’est l’ose qui est activé sous la forme habituelle d’UDP-ose. La sulfatation éventuelle est catalysée par une

N+ (CH3)3

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sulfotransférase utilisant le PAPS (phosphoadénosylphosphosulfate) comme donneur de groupement sulfate. 2.2.2.5. Synthèse des globosides et gangliosides Comme pour la synthèse des cérébrosides, ce sont les résidus osidiques qui sont successivement activés sous forme de dérivés UDP-ose et liés par des enzymes spécifiques dans l’appareil de Golgi. Une exception est l’activation de l’acide acétylneuraminique qui est faite sous forme de CMPacétylneuraminate. 2.2.3. transport intracellulaire des hétérolipides Les hétérolipides sont principalement synthétisés dans le réticulum et le Golgi. Une partie des lipides font partie (avec vésicules des protéines) des vésicules Golgiennes et diffusent ainsi vers la membrane réticulum plasmique ou les mitochondries; pour ces endocytose recyclage dernières, il existe des zones de contact protéines de transport entre avec le réticulum qui permettent des échanges directs de lipides. Il existe également des protéines de transport de mitochondrie phospholipides, spécifiques ou non qui favorisent le trafic intracellulaire des hétérolipides. dans les membranes, des enzymes favorisent le retournement (« flip-flop ») des hétérolipides d’une face à l’autre de la membrane, conservant ainsi l’asymétrie de ces dernières. Il existe également un recyclage des lipides membranaires, notamment par les vésicules d’endocytose. Golgi

“flip-flop”

2.3. Rôles des hétérolipides 2.3.1. Rôles structuraux • structure des membranes cellulaires: par leur caractère amphiphile, les hétérolipides assurent la base strcturale sous forme d’un double feuillet, les têtes polaires faisant face au milieu aqueux (cf. membranes) • solubilisation des lipides neutres dans les lipoprotéines plasmatiques, où avec les protéines, les têtes polaires des hétérolipides assurent le contact avec l’eau plasmatique. • tensioactifs : les hétérolipides sont des agenst émulsifiants et tensioactifs, contribuant avec les sels biliaires à la solubilisation du cholestérol apolaire dans la bile, ainsi qu’à l’émulsification des lipides digestifs préalable à leur digestion et à l’absorption des produits. Ce sont également les principaux constituants du surfactant pulmonaire.

52

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• ancrage de protéines aux membranes : cet ancrage est réalisé par les phosphatidylinositols, en particulier à la face externe de la membrane plasmique. Les protéines sont fixées aux phosphatidylinositols par différents intermédiaires et peuvent en être libérées par action des phospholipases C ou D.

protéine C O NH (CH2)2 O -O P

(Man)3 Glu-NH2

O

O HO O

OH OH

O P O OH O-

membrane plasmique

2.3.2. Rôles fonctionnels

• messagers inter- et intracellulaires : un nombre croissant d’hétérolipides et de dérivés d’hétérolipides se voit reconnaître des fonctions de messager dans des processus de prolifération cellulaire, de différenciation cellulaire, d’arrêt de la croissance, d’inflammation, d’apoptose : diacylglycérols, acides phosphatidiques, acides lysophosphatidiques, céramides, céramides1-P, sphingosine phosphorylcholine, sphingosine 1-P, sphingosine. De plus, le phosphatidylinositol-4,5-diphosphate est hydrolysé en diacylglycérol (DAG) et en inositol-1,4,5-triphosphate (IP3) par la phospholipase C, ellemême activée par divers agonistes, en particulier hormonaux. I-1,3,4-P3

I-1,3,4,5-P4

Inositol I-1,4-P2

I-1,4,5-P3

cytoplasme membrane

PI

PI-4-P

PI-3,4-P2

PI-4,5-P2

DAG

PI-3,4,5-P3

PI : phosphatidylinositols; I : inositol; DAG : diacyglycérol; P,P2,P3,P4 : mono-, di-, tri-, tetra-phosphate

Il en résulte une augmentation de la concentration intracellulaire en Ca2+ libre par mobilisation des réserves intracellulaires par l’IP3 et l’activation de la protéine kinase C par le DAG (cf. mode d’action des hormones). • réservoir d’arachidonate pour la synthèse des eicosanoïdes : les phosphatidyl inositols et phosphatidylcholines principalement renferment souvent de

54

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l’arachidonate estérifiant l’hydroxyle en 2. Sous l’action d’une phospholipase A2, les molécules d’arachidonate sont libérées et peuvent servir de précurseurs à la synthèse des prostaglandines, thromboxanes et leucotriènes.

• récepteurs : certains glycolipides sont des récepteurs. Le premier ainsi identifié a été le ganglioside GM1 comme récepteur de la toxine cholérique (Vibrio cholerae) chez l’homme et les animaux. La fixation des sous-unités B de la toxine (polymère AB6) par des molécules de GM1 de la muqueuse intestinale entraîne la libération de la sous-unité A et l’activation d’une adénylate cyclase, d’où découlent les effets sur la réabsorption de l’eau et des électrolytes. Les déterminants antigéniques des groupes sanguins ABO de l’homme sont des sphingolipides ou des glycoprotéines La spécificité des groupes sanguins ABO de l’homme repose sur la présence de chaînes oligosaccharidiques spécifiques liées soit à des protéines, soit à des sphingolipides.

Sphingosine — AG Fucose I I Glucose — Galactose — N-AcétylGalactosamine — Galactose

groupe O

— N-AcétlGalactosamine

groupe A

— Galactose

groupe B

Le surfactant pulmonaire contient principalement de la dipalmitoylphosphorylcholine Le

SM ° PS PI 2% 3% 3% PE 3% 4%

surfactant

pulmonaire

est

un

mélange complexe de lipides (90 %) et de protéines (10 %) formant un film

à

la

surface

des

alvéoles

pulmonaires. La diminution de la

PG 10%

tension superficielle qui en résulte limite : i) l’atélectasie, c’est-à-dire la

PC 75%

tendance des alvéoles à s’écraser lors de l’expiration, ii) la transudation de liquides vers la cavité alvéolaire. Les

composition des lipides du surfactant pulmonaire du rat d'après Rooney SA et coll (1994) FASEB J 8:957-967

lécithines

(PC) représentent

environ les 3/4 des lipides totaux ; parmi

ces

lécithines,

la

plupart

comprennent des acides gras saturés, le

principal

composé

étant

la

dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC). Ces composés saturés forment un réseau rigide en raison de leur point de fusion plus élevé que la plupart des autres phospholipides (le point de fusion de la DPPC est de 41 °C).

55

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Le surfactant n’est produit chez les mammifères qu’à la fin de la gestation.

Chez les

prématurés, particulièrement chez les bébés dans l’espèce humaine, une insuffisance de sécrétion est responsable de troubles respiratoires très graves : le syndrome de détresse respiratoire que l’on peut traiter en adminsitrant des préparations contenant de la DPPC.

Le film de larmes présent à la surface de la cormée est protégé par une très mince pellicule lipidique La cormée est recouverte par une triple couche de mucine, de larmes et d’un très fin fim lipidique (100 nm) composé principalement de phospholipides neutres et anioniques, ainsi que d’esters de cholestérol, dont le point de fusion est voisin de 35 °C. Ce très fin film lipidique a pour effets de : i) limiter l’évaporation des larmes, ii) éviter l’écoulement des larmes au bord des paupières, iii) assurer l’étalement du film précorméen par ses propriétés tensioactives. Ce film liidique a la structure de micelles de lipides anioniques qui en se repoussant étalent des couches plus ou moins épaisses de phospholipides neutres et de stérols Les plasmalogènes protègent contre le stress oxydatif et l’excès d’iode Outre le myocarde et le système nerveux, les plasmalogènes sont abondants dans les neutrophiles, les macrophages et les cellules thyroïdiennes. La double liaison vinylique peut être le siège : i) d’une oxydation qui entraîne une scission de la chaîne avec libération de formiate et de pentadécanal à partir de l’alcool en C16 Cette oxydation préférentielle des plasmalogènes protégerait d’autres composés de l’oxydation : dans des cellules mutantes dépourvues de plasmalogènes,

les

chocs

oxydatifs

létaux

sont

prévenus

par

addition

de

1-

hexadécènylglycérol, précurseur de la synthèse des plasmalogènes ii) d’une addition d’iode lorsque les iodures sont présents en excès dans les cellules thyroïdiennes, provoquant également une scission de la double liaison vinylique et la formation d’iodoaldéhydes. Ces derniers inhibent la NADPH oxydase thyroïdienne et par suite la production d’un excès d’hormones thyroïdiennes, responsable d’une thyrotoxicose. Les céramides sont des médiateurs de la mort cellulaire par apoptose Dans de nombreuses cellules, des effecteurs comme les glucocorticoïdes, le TNF (Tumor Necrosis Factor), l’IL-1 (interleukine-1) peuvent déclancher un processus d’apoptose. Dans ce cas, l’apoptose résulte de l’activation d’une sphingomyélynase entraînant une augmentation de la concentration intracellulaire en céramides qui par une cascade entraîne la mort cellulaire. L’arrêt de l’effet des céramides est provoqué par la resynthèse de sphingomyélines

2.4. Catabolisme Le catabolisme des hétérolipides passe par l’hydrolyse des différentes liaisons unissant les éléments constitutifs. Chaque produit est alors recyclé ou subit ses propres voies de catabolisme/élimination.

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2.4.1. Catabolisme des glycérophospolipides Pour les glycérophospholipides, on a décrit 4 phospholipases capables de catalyser l’hydrolyse spécifique des 4 O liaisons esters carboxyliques ou AG1 C O CH2 phosphoriques. AG2 C O CH O L’une des plus importantes est la O CH2 O P O R phospholipase A2, qui présente de nombreses isoenzymes et est sécrétée O A2 par le pancréas, intervient dans les C D cellules pour libérer des acides gras polyinsaturés, etc. Le produit d’hydrolyse d’un glycérophospholipide par une phospholipase A est une lysolécithine, qui, O ayant perdu un de ses résidus H3C (CH2)n CH2 C O CH2 acyle, a perdu une partie de ses HO CH O CH2 O P O CH2 CH2 N+ (CH3)3 interactions avec les molécules Olysolécithine d’hétérolipides voisines : cela a notamment pour effet de déstabiliser les structures membranaires (cf. infra). Le foie sécrète des lysolécithines dans la circulation sanguine. celles-ci sont transportées par l’albumine et rapidement captées par le foie lui-même, l’intestin, le rein, les muscles, les poumons et l’encéphale. Cette distribution des lysolécithines sert à : i) assurer un apport supplémentaire de précurseurs de la synthèse des phospholipides dans les organes périphériques, ii) transporter de la choline et des acides gras insaturés par un mécanisme indépendant des lipoprotéines. Les lysoglycérophospholipides sont ensuite dégradés ou retransformés en glycérophospholipides par la lysophospholipide transacylase qui catalyse le transfert de leur résidu acyle soit à de l’eau soit à une deuxième molécule de lysoglycérophospholipide. A1

56

57

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O

O CH2 O C AG2 HO CH O

CH2 O C AG1 O HO CH

CH2 O P O R

CH2 O P O R

H2O

O-

O-

lysophospholipase transacylase O CH2 O C AG O AG2 C O CH O CH2 O P O R O-

O HO C AG1

CH2 OH O HO CH CH2 O P O R O-

phosphodiestérase CH2 OH HO CH CH2 OH

+ H2O O

+

HO P

O R

O-

Les effets hémolytiques de certains venins de serpents sont dus à une activité phospholipase A2 Le venin de certains serpents (crotale, par exemple) renferme de la phospholipase A2. Lors de morsure, le venin diffuse très rapidement dans le sang où l’enzyme hydrolyse les phospholipides membranaires, en particulier ceux des globules rouges, entraîant une hémolyse intravasculaire massive et rapide qui est souvent fatale.

Les toxines de certaines bactéries contiennent de la phospholipase C Clostridium perfringens est une bactérie normalement présente dans la flore intestinale de l’homme et des animaux, ainsi que dans le sol. Lors de contamination des plaies apr ce germe, on peut observer des gangrènes gazeuses avec des destructions tissulaires massives. Parmi les toxines sécrétées par C. perfringens, la toxine alpha a une activité phospholipase C et sphingomyélinase qui catalyse l’hydrolyse des glycérophospholipides et sphingolipides membranaires. Il en résulte la destruction des cellules musculaires. Lors de contamination plus forte, les toxines peuvent diffuser dans le sang et entraîner la lyse des cellules endothéliales, des cellules sanguines et même des hépatocytes. La phospholipase A2 (PLA2) est responsable d’une partie des lésions lors de pancréatite aiguë La sécrétion pancréatique exocrine renferme notamment une prophospholipase A2. Cette proenzyme est normalement activée dans l’intestin grêle par la trypsine, ce qui lui permet de participer à la digestion des phospholipides alimentaires. Lors de pancréatite aiguë, l’activation du trypsinogène en trypsine a lieu in situ dans les cellules des acini pancréatiques; secondairement, la trypsine active la PLA2 qui hydrolyse alors les glyérophospholipides membranaires des cellules acineuses du pancréas, entraînant leur nécrose.

2.4.2. Catabolisme des sphingolipides Ce catabolisme est essentiellement réalisé par une série d’hydrolases lysosomales qui conduisent à la libération des différents constituants des chaînes oligosidiques. Elles sont principalement connues en raison de

58

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l’existence de déficits congénitaux conduisant à l’accumulation progressive de sphingolipides dans les lysosomes : les sphingolipidoses, connues chez l’homme et les animaux. Les sphingolipidoses, maladies congénitales

humaines et animales résultant de

l’accumulation de sphingolipides dans les lysosomes Chez l’homme et les animaux domestiques ou de laboratoire, on connaît une grande variété de maladies congénitales rares résultant du déficit total ou partiel de l’une des enzymes lysososomales impliquées dans le catabolisme des sphingolipides. Ces affections se traduisent par l’accumulation progressive des sphingolipides concernés dans les lysosomes principalement des cellules nerveuses et musculaires. Elles apparaissent en général chez les sujets jeunes et sont incurables, et souvent fatales. Chez le chien, par exemple, la gangliosidose GM1 résulte du déficit en gangliosido-β-galactosidase qui bloque la dégradation de tous les gangliosides ayant une liaison β-galactoside terminale. Chez les Cockers et les Beagles atteints, les gangliosides GM1 s’accumulent dans le système nerveux et les neurones entraînant de l’ataxie, et des altérations ostéo-articulaires.

59

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cholestérol •4• Définitions Le cholestérol est un alcool polycyclique apolaire participant à la structure des membranes cellulaires et des lipoprotéines et servant de précurseur à de nombreux composés biologiques : hormones stéroïdes, vitamine D3, sels biliaires. étymologie : du grec, kholè = bile et stereos = solide (nom donné par Chevreul en 1815 au composé isolé pour la première fois de calculs biliaires vers 1770 par Poulletier de La Salle) terminologie :

le nom générique de « stéroïde » est donné à tous les composés qui

possèdent le même noyau de base (stérane) que le cholestérol (cf. § 1.1)

Plan _________________________________________________________________________________________________________________ _____

1. Biochimie structurale 1.1. Structure 1.2. Prop. physiques et chimiques 2. Biochimie métabolique 2.1. Etat naturel - répartition 2.2. Apports et biosynthèse 2.2.1. Apports alimentaires distribution

-

2.2.1.1. Apports alimentaires 2.2.1.2. Distribution 2.2.2. Biosynthèse 2.2.2.1. Lieux - précurseur 2.2.2.2. Voies 2.2.2.4. Régulation 2.3. Rôles 2.4. Catabolisme - élimination

_________________________________________________________________________________________________________________________

Objectifs minimum comprendre

savoir

• les voies générales de la synthèse et l’importance de

• la structure polycyclique et apolaire du cholestérol

la l’HMGCoA réductase dans la régulation et les actions

pour en expliquer les conséquences

thérapeutiques

• expliquer

• l’importance de l’apport alimentaire vs. biosynthèse et

précurseur métabolique

les transferts de cholestérol dans l’organisme (voir

• connaître

aussi lipoprotéines)

l’importance les

du

cholestérol

caractéristiques

comme

structurales

et

métaboliques générales des sels biliaires et expliquer leurs fonctions

60

LARESBA- Biochimie Métabolique

Importance Chez les animaux, le cholestérol et les stérides (esters du cholestérol) interviennent : - dans la structure des membranes cellulaires - comme précurseur de nombreuses molécules biologiquement actives : hormones sexuelles et de la corticosurrénale, vitamine D3, sels biliaires - dans certaines affections humaines, en particulier dans l’athérosclérose, cause importante de mortalité dans les pays développés; cette affection est pratiquement inconnue chez les animaux domestiques. Rq : de nombreux stéroïdes végétaux, alcaloïdes et aglycones hétérosidiques ont également des structures stéroïdiques (par exemple, digitoxigénine, solanidine) Rq : les hormones de la mue des insectes et crustacés (ecdysone, …) ont une structure stéroïdique. O O

CH3

CH3

H3C CH3

H

CH3

H3C

N

H3C

CH"

HO

H3C

OH

OH HO

OH HO

HO

H

digitoxigénine

solanidine

H

O

α-ecdysone

1. Biochimie structurale 1.1. Structure La formule brute du cholestérol ou 3β-cholest-5èn-3-ol est : C27H46O, correspondant à un PM de 387 (386,66) La structure du cholestérol est formée d’un noyau à 4 cycles substitué et d’une chaîne latérale ramifiée : i) le noyau stérane (ou gonane) résulte de la juxtaposition d’un cycle à 5 chaînons : cyclopentane avec un noyau comprenant 3 cycles hexagonaux dans la disposition du phènanthrène, d’où sa C D dénomination de cyclopentanoperhydrophènanthrène; A

B

Dans

stérane

l’espace, 13

10

1

9 8 12

3

5

MacMolecule2lite

17

les

OH

cycles hexagonaux prennent préférentiellement une configuration « chaise » plus stable et sont en position « trans » les uns par rapport aux autres, ce qui donne un aspect grossièrement plane à la molécule. Dans le cholestérol, l’articulation entre les cycles A et B est modifiée en

61

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raison de la présence de la double liaison 5-6. ii) la chaîne latérale ramifiée saturée substitué le carbone 17 et comporte 8 atomes de carbone dans la disposition de l’isooctane et est toujours située audessus du plan moyen du cycle D, c’est-à-dire en β. En résumé, dans la molécule de cholestérol, le noyau polycyclique : - est insaturé en 5-6, ce qui accentue le caractère plan et rigide du noyau - porte : - deux substituants méthyle en 10 et 13, - un hydroxyle alcoolique en 3β, - la chaîne latérale en 17β. Dans cette structure, il y a 8 carbones asymétriques, donc théoriquement 256 isomères possibles; un seul est rencontré dans la nature, correspondant à la structure représentée ci-dessous. H3C 21 H3C18 H3C19 1 10

2

11

4

5

13

23 17 24

16

14 9

3

HO

12

22

20

6

8 7

26 25

15 27

1.2. Principales propriétés physiques et chimiques • Cristaux incolores, onctueux, insipides • Solubilité : le cholestérol est pratiquement insoluble dans l’eau et les solvants polaires. Dans l’eau à 25 °C, la solubilité du cholestérol est voisine de 2 mg/l15. Le cholestérol est plus soluble dans les solvants organiques polaires : 12 g/l dans l’alcool éthylique à 20 °C, 357 g/l d’éther éthylique. Il est complètement soluble dans le benzène, l’éther de pétrole et les solutions aqueuses d’acides biliaires. • Pouvoir rotatoire : le composé naturel est lévogyre • Oxydation : le cholestérol subit des réactions d’autooxydation par l’oxygène moléculaire conduisant à la formation d’un grand nombre de dérivés, en particulier à la formation des deux hydroperoxydes épimères sur le carbone 7, qui ultérieurement se décomposent en formant les deux 7-hydroxycholestérol épimères et le 7-cétocholestérol. C8H17

C8H17

HO

OOH

7β-hydroperoxycholestérol

15

HO

OH

7-hydroxycholestérol

C8H17

HO

O

7-cétocholestérol

alors que dans le plasma de l’homme et des carnivores sa concentration atteint ou dépasse souvent 1 g/l (cf. § 2.1)

LARESBA- Biochimie Métabolique

Rôle du 7-cétocholestérol dans l’athéromatose Dans les plaques d’athérome, on trouve une concentration élevée de 7-cétocholestérol. Cette molécule qui peut être formée enzymatiquement en faible quantité dans le foie, mais son rôle reste incommu. Le 7-cétocholestérol résulte majoritairement de l’oxydation non enzymatique du cholestérol et pourait également provenir de l’alimentation. Il s’accumule dans les lésions athéromateuses mais on ne sait pas s’il est la cause ou la conséquence de la formation et du développement de ces lésions.

• Estérification : elle se produit sur la fonction alcool secondaire en 3. In vivo, elle implique des acides gras (en particulier de l’oléate ou des acides gras polyinsaturés dans les lipoprotéines), ce qui a pour effet de renforcer l’apolarité des esters de cholestérol qui sont encore plus apolaires que le cholestérol lui-même. • Réactions colorées : de nombreuses réactions colorées ont été utilisées pour doser le cholestérol plasmatique/sérique en biochimie clinique. La plus répandue a été la réaction de Liebermann-Burchard qui donne une coloration vert/bleu à chaud en présence d’acide acétique, d’anhydride acétique en milieu sulfurique. Ce dosage a été abandonné au profit d’un dosage enzymatique. Dosage enzymatique du cholestérol La méthode de routine utilisée en biologie médicale humaine et vétérinaire repose sur l’action de deux enzymes : - cholestérol estérase qui libère le cholestérol de ses esters ; - cholestérol oxydase qui transforme la totalité du cholestérol en cholestén-3-one, en libérant de l’eau oxygénée, ultérieurement dosée par une réaction de Trinder.

cholestérol esters + H2O -- cholestérol estérase --> cholestérol + acides gras cholestérol + O2 -- cholestérol oxydase --> cholestène-4-one-3 + H2O2 H2O2 + phénol + amino-4-antipyrine -- peroxydase --> quinoneimine + 4 H2O En général, seul le dosage du cholestérol total est effectué, mais l’utilisation de la cholestérol oxydase en l’absence de cholestérol estérase permet éventuellement de doser le cholestérol libre. Pour effectuer correctement l’analyse différentielle des formes estérifiées et libre, le prélèvement doit être analysé immédiatement ou congelé; en effet, la LCAT plasmatique (cf. § 2.2.2.2.4) continue à être efficace in vitro et la proportion de cholestérol estérifié augmente donc avec le délai avant analyse.

2. Biochimie métabolique 2.1. Etat naturel et répartition Le cholestérol n’existe que chez les animaux; il est absent chez les procaryotes et n’existe à l’état de traces que dans de rares végétaux, qui renferment d’autres stérols.

62

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Chez les animaux, les organes les plus riches sont l’encéphale, la moelle épinière, les nerfs (environ 20 g/kg) et les glandes surrénales alors que le foie (env. 2 g/kg) et les muscles (env. 0,5 g/kg) ne renferment que peu de cholestérol. Dans l’organisme, une partie du cholestérol est libre, c’est-à-dire non estérifié, en particulier dans les membranes cellulaires. Dans les cellules, le cholestérol est présent : - dans le cytoplasme, sous forme de gouttelettes d’esters de cholestérol qui sont des formes de stockage. Le transport intracellulaire du cholestérol (et celui de ses précurseurs) pour les réactions métaboliques impose la participation de protéines transporteuses de stérols (SCP : sterol carrier proteins) : la SCP2 est une petite protéine de PM = 13,5 kDa qui assure l’essentiel du transport intracellulaire du cholestérol, notamment en vue de son utilisation. - dans les différentes membranes, où sa distribution est très hétérogène (par exemple, dans le foie du rat, le rapport cholestérol/ phospholipides est égal à 0,06 dans le réticulum et 0,76 dans la membrane plasmique) Dans le sang, le cholestérol libre ou estérifié (environ 1/3 libre, 2/3 estérifié) est transporté par des lipoprotéines, les plus riches en cholestérol étant les HDL et les LDL. La cholestérolémie est plus basse chez les herbivores que chez les carnivores ou les omnivores et, chez ces derniers, elle dépend très largement des apports alimentaires. Chez l’homme, la cholestérolémie des sujets en bonne santé est comprise entre 1,0 et 2,0 g/l (cette limite supérieure recommandée est parfois jugée excessivement basse et 2,4 g/l a également été proposée). La cholestérolémie est comprise entre 0,5 et 1,5 g/l chez les bovins, 0,8 et 1,3 g/l chez le cheval, 1,0 à 2, 5 g/l chez le chien et le chat. Le lait ne contient que des traces de cholestérol : moins de 1 % des lipides totaux du lait. 2.2. Apports et biosynthèse Le cholestérol est apporté par l’alimentation et est synthétisé par l’organisme : la synthèse est d’autant plus faible que les apports alimentaires sont élevés. 2.2.1. Apports alimentaires - Distribution 2.2.1.1. Apports alimentaires Chez les carnivores et omnivores, le cholestérol alimentaire, souvent sous forme d’esters, est hydrolysé dans l’intestin grêle par une cholestérol estérase d’origine pancréatique activée par les sels biliaires (carboxyl ester lipase). Une partie du cholestérol présent dans l’intestin grêle provient de la sécrétion biliaire et de la desquamation des cellules intestinales. Le cholestérol libre est intégré dans des micelles formées avec des acides biliaires, des monoglycérides et des phospholipides; la formation de micelles avec les acides biliaires est indispensable à l’absorption du cholestérol qui ne pourrait pas franchir la couche aqueuse de la surface apicale des entérocytes.

63

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Le cholestérol est absorbé de manière passive16 dans le duodénum et le jéjunum avec un assez mauvais rendement (30 à 60 % chez l’homme).

Dans les entérocytes, le cholestérol est fortement estérifié (environ 75 %) sous l’action de l’ACAT (cf § 2.2.2.2.4) et intégré, sous forme libre ou estérifiée, dans les chylomicrons, où les esters de cholestérols, moins polaires, sont enfouis dans le coeur hydrophobe de la structure. Les chylomicrons rejoignent la circulation générale via le système lymphatique. Une partie du cholestérol alimentaire est réduit par la flore microbienne, produisant du coprostérol non absorbé, donc éliminé dans les fèces. HO

coprostérol 3β,5β-coprostanol Les stérols végétaux réduisent l’absorption du cholestérol

CH3 H3C H3C

CH3 CH3

H3C

L’alimentation de l’homme et des animaux renferme des stérols végétaux, les plus commun étant le β-sitostérol. Bien que structuralement proches du cholestérol, ces stérols ne sont pratiquement pas absorbés et réduisent l’absorption du cholestérol par un mécanisme inconnu. Cet effet est mis à profit en diététique humaine pour réduire la

HO

sitostérol

cholestérolémie.

D’autres inhibiteurs de l’absorption intestinale du cholestérol sont également utilisés pour réduire la cholestérolémie chez l’homme : certains forment des complexes stables non absorbables; d’autres ont un mécanisme d’action non encore élucidé.

2.2.1.2. Distribution Qu’il soit d’origine alimentaire, c’est-à-dire apporté au foie par les chylomicrons ou synthétisé sur place dans le foie, le cholestérol est exporté du foie dans les VLDL, qui se transforment peu à peu en LDL. C’est sous cette forme de cholestérol lié aux LDL qu’il pénètre dans la plupart des cellules de l’organisme par un processus d’endocytose sur des récepteurs des LDL : dans les lysosomes, le cholestérol et ses esters sont libérés et les récepteurs des LDL sont recyclés (cf. lipoprotéines).

16

Selon certains auteurs, l’absorption intestinale du cholestérol reposerait sur un processus de diffusion facilitée mais aucun transporteur spécifique n’a été identifié.

64

65

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voies d’utilisation du récepteur des LDL Current Topics Cellular Regulation, 26: 3-15

(d’après Brown MS & Goldstein (1985)

synthèse de novo

LDL -cholestérol/ cholestérol esters

utilisations régulations

•• ••••

ACAT

•••••

cholestérol

goutelette d’esters de cholestérol

••

••

•• lysosome

endosome

vésicule de recyclage

Le récepteur des LDL reconnaît seulement les apolipoprotéines Apo-B100 et ApoE, présentes dans les LDL, les IDL et quelques types de HDL. Les cellules les plus riches en récepteurs des LDL sont les hépatocytes >>ovaires, rate, surrénales>intestin, poumon>rein, myocarde> peau>graisse, muscle. Lorsque la concentration intracellulaire en cholestérol augmente, le nombre de récepteurs des LDL diminue (cf. § 2.2.2.3) évitant ainsi une accumulation intracellulaire excessive de cholestérol. Le cholestérol retourne des tissus périphériques au foie transporté par les HDL : il y est stocké, réutilisé ou dégradé. 2.2.2. Biosynthèse 2.2.2.1. Lieux, précurseur La synthèse endogène du cholestérol a lieu préférentiellement dans le cytoplasme et le réticulum des hépatocytes (à un moindre degré dans l’intestin, des glandes surrénales et des gonades) mais la plupart des cellules sont capables de le synthétiser en faible quantité. Une synthèse importante a également lieu dans le placenta pendant la gestation. Son précurseur est l’acétyl CoA.

2.2.2.2. Voies La synthèse du cholestérol est une synthèse isoprénique qui passe par des étapes successives :

66

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isoprène

i) formation de l’« isoprène actif » (C5) à partir de 3 molécules d’acétylCoA ii) formation du squalène, polymère linéaire en C30 à partir de 6 molécules d’isoprène actif iii) cyclisation en lanostérol et remaniements en cholestérol (C27). 2.2.2.2.1. Formation de l’isoprène actif via le mévalonate

Dans un premier temps, trois molécules d’acétyl CoA se condensent pour donner du β−hydroxy-β−méthylglutaryl CoA (HMG CoA) en deux étapes catalysées par la thiolase et l’HMG CoA synthétase. Rq I : ces étapes sont identiques à celles qui débutent la synthèse des corps cétoniques, mais cette dernière voie métabolique a lieu dans les mitochondries. Rq II : l’HMG CoA est également un des produits du catabolisme de la leucine.

S CoA C O CH3

+

S CoA

S CoA C O CH2

C O CH3

C O CH3

HS-CoA

2 Acétyl CoA

Acétyl CoA

-

OOC CH2

HS-CoA

Acétoacétyl CoA

S CoA

-

OOC CH2

2 NADPH,H+

CH2OH

2 NADP+

CH2 C OH CH3

HS-CoA

OOC CH2

C OH CH3 HMG CoA

L’étape enzymatique suivante est catalysée par l’HMG CoA réductase réticulaire et représente la principale étape de régulation de la synthèse du cholestérol. Elle conduit à la formation du mévalonate.

C O

S CoA C O CH2

CH2 C OH CH3 mévalonate

Enfin, le mévalonate est transformé en précurseurs des synthèses isopréniques : pyrophosphate d’isopentényle et son isomère le pyrophosphate de diméthylallyle par deux réactions de phosphorylation et une réaction de décarboxylation.

67

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O CH2 -

OH

CH2

OOC CH2

C OH

O -

-

CH2 O P O

ATP

CH2

ADP

(1)

OOC CH2

CH3

-

O

CH2 O P O P O

ATP

OOC CH2

(2)

O

-

O

C OH

CH3

mévalonate

-

CH2

ADP

-

C OH

O

CH3

5- phosphomévalonate

5-pyrophosphomévalonate ATP (3)

1 : mévalonate 5-kinase; 2 : mévalonate phosphate kinase; 3 : pyrophosphomévalonate décarboxylase; 4 : isopentényle pyrophosphate isomérase

ADP + Pi + CO2

O

O

O -

O -

CH2 O P O P O

CH2 O P O P O

CH

CH2

-

O

H 3C C

-

O

(4)

CH3 diméthylallyle PP

C’est à partir de ces deux isomères, parfois appelés « isoprène actif » que l’organisme synthétise tous les composés isopréniques. 2.2.2.2.2. Synthèse du squalène Cette synthèse se déroule en trois étapes : i) condensation de deux unités en C5 --> C10 (géranyle PP) ii) addition d’une troisième unité en C5 --> C15 (farnésyle PP) iii) condensation « tête-à-tête » de deux unités en C15 --> C30 (squalène). Les deux premières réactions sont catalysées par la même enzyme (prényle transférase) qui allonge la chaîne isoprénique par addition d’isopentényle pyrophosphate, et qui n’est pas spécifique du substrat initial : ici, soit le diméthylallyle PP soit le géranyle PP. Rq : le farnésyle PP est également le précurseur de la synthèse d’autres dérivés isopréniques chez les mammifères et les oiseaux : - dolichol PP servant à la formation des polysaccharides N-liés à des protéines - protéines farnésylées (prénylées) ou géranyl-géranylées qui s’ancrent aux membranes par ces substituants apolaires - ubiquinone de la chaîne mitochondriale de transporteurs d’électrons. Chez les végétaux et dans de nombreuses espèces animales, c’est également le précurseur des vitamines A, K et E, de la chaîne phytyle de la chlorophylle, de la plastoquinone, de nombreuses huiles essentielles, etc.

-

O

-

O

H 2C C CH3 isopentényle PP

68

LARESBA- Biochimie Métabolique

O O O P O P O -

O

O O O P O P O

+

-

-

O

O

diméthylallyle PP

-

O

isopentényle PP

(1) PPi

1

1'

O O O P O P O O O

géranyle PP isopentényle PP (1'') (1) PPi

O

1''

O -

O P O P O O O

1

farnésyle PP 1'

NADPH,H+ fanésyle PP (1'') (2) PPi NADP+ 1'' 1''

squalène

1 : prényle transférase (= farnésyle PP synthétase); 2 : squalène synthétase

2.2.2.2.3. Formation du lanostérol, puis du cholestérol En présence d’oxygène moléculaire et de NADPH, le squalène est oxydé par la squalène époxydase pour donner un époxyde qui est ultérieurement transformé en lanostérol, qui possède le noyau stérane, sous l’action de la squalène époxydase. Dans une série de 19 étapes, le lanostérol subit une série de réactions d’oxydation O2 et NADPH-dépendantes conduisant au cholestérol.

69

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O2 NADPH

+ NADP

O

squalène

2,3-époxysqualène

cholestérol

HO lanostérol

2.2.2.2.4. Estérification du cholestérol Deux enzymes sont capables de catalyser l’estérification du cholestérol : i) l’acyl CoA cholestérol acyltransférase (ACAT) : il existe deux isoenzymes de cette activité enzymatique réticulaire : l’ACAT1 est ubiquiste et l’ACAT2 est principalement hépatocytaire et intestinale. Elle utilise des acyl CoA pour estérifier la fonction alcool en 3 du cholestérol, sans spécificité particulière, essentiellement en fonction de la disponibilité des acylCoA. acyl CoA + cholestérol ---> cholestérol ester + HS-CoA L’ACAT1 est activée par le cholestérol; l’estérification a pour effet de diminuer la solubilité du cholestérol et donc, en limitant sa solubilité dans les membranes, d’éviter son accumulation dans celles-ci. L’ACAT2 pourrait intervenir dans l’absorption inttsinale du cholestérol et la sécrétion d’esters de cholestérol dans les VLDL par les hépatocytes ou dans les chylomicrons par les entérocytes.

70

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Acyl CoA récepteur des LDL

Cholestérol esters Cholestérol ACAT estérase Cholestérol

Acétyl CoA

membrane plasmique

LDL-cholestérol

Les stérides qui en résultent sont essentiellement exportés dans les VLDL sécrétées par le foie dans la circulation sanguine. Inversement, dans les cellules stéroïdogéniques (produisant des hormones stéroïdes; par exemple les cellules de Leydig du testicule qui synthétisent de la testostérone, ou les cellules de la corticosurrénale), les esters de cholestérol sont stockés dans des vésicules bordées de périlipines (cf. triglycérides § 2.2.5). Le cholestérol stocké est libéré grâce à des cholestérol estérases. Il en existedifférentes formes isoenzymatiques dont une est soumise à une régulation hormonale via l’AMPc, correspondant à l’activation de la synthèse des hormones stéroïdes dans ces cellules. ii) la lécithine cholestérol acyltransférase (LCAT) : cette enzyme d’origine hépatique, présente dans le plasma catalyse le transfert de l’acide gras en 2 d’une lécithine sur le cholestérol, de préférence dans les HDL dont les apoprotéines (ApoA1 et ApoD) sont des activateurs : cholestérol + lécithine ---> cholestérol ester + lysolécithine C’est l’activité de cette enzyme qui est responsable de la formation de la majeure partie des esters de cholestérol présents dans le plasma. Les esters de cholestérol plus hydrophobes migrent vers le centre des HDL et sont ensuite transportés vers le foie, où le cholestérol est stocké, transformé en acides biliaires ou éliminé. Dans le plasma, les esters de cholestérol cellules CE peuvent également être catabolisme HDL échangés avec des rapide par lipase enrichies HDL triglycérides entre hépatique en Tg VLDL ou LDL d’une CE CETP Tg part et HDL d’autre VLDL part, grâce à une glycoprotéine de transport : la CETP (cholesterol ester transfer protein). 2.2.2.3. Régulation de la synthèse du cholestérol L’intensité de la synthèse du cholestérol dépend très largement des apports alimentaires : lorsque ceux-ci sont importants, la synthèse endogène est

71

LARESBA- Biochimie Métabolique

pratiquement supprimée. La régulation porte essentiellement sur l’HMG-CoA réductase qui est l’étape limitante de cette biosynthèse ainsi que sur la synthèse des récepteurs des LDL. La modulation de l’activité de l’HMG-CoA réductase a un rôle réduit mais permet une régulation à court terme. L’enzyme existe sous forme phosphorylée peu active (et plus sensible à la protéolyse) et non phosphorylée plus active, la phosphorylation étant catalysée par l’HMG CoA réductase kinase. Une augmentation de la concentration cellulaire du cholestérol augmente la phosphorylation de l’enzyme. schéma de la régulation de la transcription par le cholestérol (d’après Kahn A (1997), Médecine Sciences, 13 : 374-376)

noyau

jj de la transcription de : - récepteur LDL - HMG CoA réductase - HMG CoA synthétase - farnésyl PP synthétase

SREBP soluble

SREBP réticulum

Protéase SCAP

récepteur des LDL

Cholestérol

membrane plasmique

LDL-cholestérol

La modulation de la synthèse de différentes protéines par le cholestérol est le mécanisme de régulation le plus important. Il repose sur l’activation de la transcription des gènes du récepteur des LDL, de l’HMG CoA synthétase, de l’HMG CoA réductase et de la farnésyl PP synthétase par la SREBP soluble (Steroid responsive element binding protein). Cette protéine est libérée du réticulum par une activité protéolytique (SCAP : SREBP cleavage activating protein) inhibée lorsque la concentration intracellulaire en cholestérol est élevée; par conséquent, la transcription des enzymes et du récepteur est freinée ou annulée lorsque la concentration du cholestérol est élevée dans la cellule. En résumé,

72

LARESBA- Biochimie Métabolique

HMG CoA réductase HMG CoA

3 Acétyl CoA (C5)

Mévalonate

“isoprène actif” 2(x3)

-

cholestérol (C27)

lanostérol (C30 cyclique)

squalène (C30 linéaire)

L’HMG CoA réductase : cible de certains médicaments hypocholestérolémiants

HO

COOOH

O

HO H3C

COOOH

Chez des hommes atteints d’hypercholestérolémie, un des moyens de lutte consiste à freiner la synthèse endogène de cette molécule en utilisant

O CH3

des

inhibiteurs

réductase.

H3C

lovastatine

L’un

compétitifs des

de

l’HMG

médicaments

les

CoA plus

mévalonate employés est la lovastatine dont l’extrémité de la molécule a structure très proche de celle du

mévalonate.

2.3. Rôles 2.3.1. Rôle structural Le cholestérol s’insère dans les feuillets hétérolipidiques des membranes cellulaires, l’hydroxyle alcoolique faisant face au milieu aqueux. Le cholestérol modifie la fluidité des membranes : il augmente la fluidité en-deçà du point de fusion des phospholipides et la diminue au-delà.

2.3.2. Rôle de précurseur métabolique Le cholestérol est le précurseur de la synthèse de : 2.3.2.1. hormones stéroïdes Dans les cellules spécialisées des glandes surrénales, des ovaires et des testicules, le cholestérol est le précurseur unique des hormones stéroïdes : œstrogènes (C18), androgènes (C19), gestagènes (C21), corticostéroïdes (C21). La synthèse de toutes ces molécules débute par une scission de la chaîne latérale entre les carbones 20 et 22 par un système enzymatique de la membrane mitochondriale interne le P450scc (cholesterol side chain cleaving

73

LARESBA- Biochimie Métabolique

O

enzyme system) qui comprend du cytochrome P450 et conduit à la formation de prégnénolone. Pendant longtemps, on a considéré qu’il s’agissait de l’étape limitante de la production des stéroïdes hormonaux, HO prégnénolone alors qu’on a montré plus récemment que la limite résulte du transfert du cholestérol vers la membrane interne de la mitochondrie. Dans les cellules produisant des hormones stéroïdes, le cholestérol utilisé pour la synthèse hormonale provient essentiellement des stocks intracellulaires sous forme de gouttelettes lipidiques (cf. § 2.1) et à un moindre degré d’une synthèse locale. La régulation de Représentation schématique de la localisation et de la la mobilisation du fonction de la protéine StAR (Stocco DM (1999) Exp Clin cholestérol à Endocrinol Diabetes 107: 229-235.) partir des esters membrane de cholestérol extrémité externe N-terminale n’est pas zone de transfert totalement membrane du cholestérol interne élucidée, mais il a été montré qu’une système protéine sert au mitochondrial transfert du extrémité de transport cholestérol vers la C-terminale mitochondrie : la StAR (steroid acute regulatory protein) est mitochondrie synthétisée très rapidement en réponse à l’action des stimulines hypophysaires (ACTH, LH); son précurseur de 37 kDa pénètre dans la mitochondrie dans une zone ou les membranes interne et externe se touchent, et facilite la pénétration du cholestérol vers la matrice. Ce précurseur subit rès rapidement (quelques minutes) l’excision de son petide signal et devient aors inactif, entraînant la fin de la synthèse hormonale si de nouvelles molécules ne sont pas synthétisées. 2.3.2.2. vitamine D3 ou cholécalciférol

HO

HO

7-déhydrocholestérol

cholécalciférol (vitamine D3)

Le précurseur est le 7déhydrocholestérol, dernier composé de la voie de synthèse du cholestérol à partir du lanostérol. La synthèse a lieu dans les zones dépigmentées de la eau et dans les sécrétions sébacées sous l’action des rayonnements ultra-violets 2.3.2.3. Acides biliaires

74

LARESBA- Biochimie Métabolique

Ces molécules participent à l’émulsification des lipides digestifs, préalable à leur hydrolyse par la lipase, ainsi qu’à l’absorption de nombeuses molécules lipidiques par les entérocytes, notamment des vitamines liposolubles. La synthèse des acides biliaires a lieu dans les hépatocytes et débute par l’hydroxylation du cholestérol en 7α : la 7 α-hydroxylase est une enzyme réticulaire qui catalyse l’étape limitante de cette voie métabolique (dont certaines enzymes ont également été identifiées dans les peroxisomes). Il en résulte la formation d’une série de composés acides par scission oxydative de la chaîne latérale en C24. Dans la plupart des espèces, le principal acide biliaire formé par le foie (ou acide biliaire primaire) est l’acide cholique; l’acide chénodésoxycholique résulte de la même voie métabolique sans hydroxylation en 12. Il existe également une voie secondaire de formation des acides biliaires qui débute par l’oxydation mitochondriale de l’atome de carbone 27 sous l’action d’une 27-hydroxylase. NADP +

NADPH

NAD +

NADH

O2

(1)

(2)

HO

HO

OH

O

α-hydroxycholestérol 7

cholestérol

OH

7α-hydroxycholest-4-ène-3-one NADPH

(3)

O2 NADP +

OH

C O O H 3C CH 2 HO

OH

3 NADP + 3 NADPH O2

2 NADP + 2 NADPH O2

(5)

OH

(4)

CO S CoA

OH

HO

OH

O

α,73α,12 α-trihydroxycholestane

cholate

OH

7 α,12 α-dihydroxycholest-4-ène-3-one

1 : 7α− hydroxylase; 2 : 3 β-hydroxystéroïde oxydoréductase, ∆5->4-5 isomérase; 3 : 12 α− hydroxylase; 4 : 3α− réductase, ∆4réductase; 5 : 24 hydroxylase, 26 hydroxylase, 24,25 desmolase

Les acides biliaires sont conjugués par formation d’une liaison amide avec la taurine ou le glycocolle avant d’être excrétés de manière active au pôle biliaire des hépatocytes et donc de rejoindre le tube digestif via la bile. OH

OH C O NH CH2 COOO

HO

OH

glycocholate

C O NH CH2 CH2 SO3O HO

OH

taurocholate

L’excrétion active des sels biliaires au pôle biliaire des hépatocytes est le moteur principal de la sécrétion biliaire qui entraîne également de l’eau, des électrolytes, du cholestérol et des phospholipides.

75

LARESBA- Biochimie Métabolique

La composition de la bile est variable selon les espèces _______________________________________________________________________________________________________________

Homme

Rat

_______________________________________________________________________________________________________________

Acides biliaires totaux Phospholipides Cholestérol total Saturation de la bile en cholestérol Protéines

21 7 5 265 1,3

25 7 0,8 39 1,1

mmol/l mmol/l mmol/l % g/l

_______________________________________________________________________________________________________________

La présence de la fonction carboxylate en 24 des acides biliaires donne un caractère hydrophile à l’extrémité de la chaîne latérale, qui est encore renforcé dans le glycocholate et le taurocholate. Il en résulte que les sels biliaires sont des molécules plus hydrosolubles que le cholestérol. La solubilité du glycocholate (pKa = 4,4 ) dans l’eau est supérieure à 270 g/l; le taurocholate (pKa = 1,7) est encore plus soluble (la solubilité du cholestérol est voisine de 2 mg/l). Les acides biliaires présentent en outre une forte amphiphilie responsable de leur caractère tensioactif leur permettant notamment d’agir comme des émulsifiants pour les lipides alimentaires dans l’intestin, préalable à leur digestion et à leur absorption. Dans l’intestin grêle, les sels biliaires subissent l’action de la flore digestive, qui en particulier, déconjugue ces molécules et réduit la fonction hydroxyle en 7, formant des acides biliaires dits « secondaires » : désoxycholate et lithocholate qui sont réabsorbés, en même temps que les acides biliaires primaires non modifiés, de manière active dans l’iléon et de manière passive dans le côlon. Dans l’iléon, un transporteur spécifique (ASBT - apical sodium bile acid transporter) est présent dans la membrane apicale des entérocytes et fonctionne au voisinage de la saturation. cycle entéro-hépatique des sels biliaires intestin grêle foie cholestérol

cholate

tauro/glycocholate tauro/glycodésoxycholate désoxycholate

taurine/ glycocolle + cholate

désoxycholate

76

LARESBA- Biochimie Métabolique

La réabsorption des acides biliaires est très efficace; son rendement est supérieur à 95 %, ainsi seule une très faible fraction des acides biliaires est éliminée chaque jour dans les fèces. Ces acides biliaires réabsorbés passent ainsi dans la circulation porte puis sont recaptés par les hépatocytes, décrivant un cycle entéro-hépatique; pour maintenir une sécrétion biliaire suffisante, l’intensité du cycle est telle que chaque molécule d’acide biliaire subt 5 à 10 recyclages par jour.

La concentration plasmatique des acides biliaires varie en fonction de l’espèce et de la proximité du repas chez les monogastriques Chez le chien et le chat, la production d’acides biliaires par le foie est continue mais la bile est en grande partie stockée dans la vésicule biliaire entre les repas. En revanche, après un repas, la vidange de la vésicule biliaire libère une masse importante d’acides biliaires qui empruntant le cycle entéro-hépatique contribuent à une forte élévation de la concentration des acides biliaires, en moyenne par un facteur voisin de 4; la concentration passe alors d’une moyenne de 2 µmol/l à une moyenne de 8 à 10 µmol/l. Chez les animaux qui , comme les ruminants, ont une activité digestive permanente, la concentration des acides biliaires plasmatique et plus élevée que chez les carnivores, voisine de 35 µmol/l. Le dosage des sels biliaires sériques peut contribuer au diagnostic de certaines affections hépatiques des carnivores domestiques Lors de cholestase, c’est-à-dire de ralentissement ou d’interruption de l’écoulement biliaire, la bile reflue dans le foie et ses constituants, dont les acides biliaires, passent dans le sang où leur concentration est donc élevée. Une partie de ces acides biliaires est ensuite éliminée dans les urines après filtration glomérulaire. On peut facilement les y détecter par la réaction de Hay qui consiste à saupoudrer de l’urine avec de la fleur de soufre : l’urine d’un sujet a une tension superficielle suffisamment élevée pour que la fleur de soufre flotte sans être mouillée; la présence de sels biliaires diminue la tension superficielle de l’urine, par conséquent, la fleur de soufre est mouillée et tombe, parfois très lentement, au fond du flacon. Le dosage des sels biliaires plasmatiques et/ou la mise en évidence de sels biliaires dans l’urine permet de détecter une anomalie du fonctionnement hépatique. La fonction 3α α-OH des acides biliaires permet leur dosage plasmatique La plupart des stéroïdes circulants sont des dérivés 3β-OH, comme le cholestérol ou bien 3oxo (ou céto : >C=O) comme de très nombreuses hormones, voire 3-OH phénoliques comme les œstrogènes.

Par conséquent, il est possible d’assimiler la concentration des 3α-

hydroxystéroïdes plasmatiques à celle des acides biliaires. C’est ce qui est fait dans le dosage de routine des acides biliaires plasmatiques en clinique, en utilisant une enzyme d’origine microbienne, la 3α-hydroxystéroïde déshydrogénase qui catalyse la réaction : +

+

3α-hydroxystéroïde + NAD ---> 3-oxostéroïde + NADH,H

Ainsi, la concentration d’acides biliaires totaux est-elle proportionnelle à l’augmentation de l’absorbance à 340 nm. En revanche, cette technique ne permet pas le dosage individuel des différents acides biliaires qui impose leur extraction et leur fractionnement par HPLC, actuellement réservé à des expérimentations.

77

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2.4. Catabolisme et élimination A l’exception du foie, les tissus sont incapables de dégrader le cholestérol en vue de son élimination. La dégradation et l’élimination hépatiques du cholestérol imposent son « retour » depuis les tissus périphériques vers le foie, essentiellement par la voie des HDL (cf. Lipoprotéines § 2.4.2).

Dans le foie, le cholestérol est : - directement éliminé, non transformé dans la bile, majoritairement sous forme libre. Sa concentration biliaire est élevée mais très variable selon les espèces; il y est présent sous forme d’émulsions avec les phospholipides et les sels biliaires également abondants dans la bile. - éliminé sous forme d’acides biliaires. Cette dernière voie est quantitativement importante bien que les sels biliaires soient très efficacement réabsorbés par le côlon et que seuls environ 5% soient éliminés dans les matières fécales. Le catabolisme du cholestérol est augmenté par les hormones thyroïdiennes iodées17 car ces hormones augmentent le catabolisme/épuration des LDL en augmentant l’activité du récepteur des LDL. Elles augmentent également l’excrétion des acides biliaires. La cholestérolémie du chien ou du chat permet de suivre l’efficacité des traitements des affections thyroïdiennes La cholestérolémie varie en sens inverse de l’activité thyroïdienne; par conséquent, on observe une hypercholestérolémie chez les hypothyroïdiens (fréquent chez le chien) et une hypocholestérolémie chez les hyperthyroïdiens (fréquent chez le chat). Cependant, les facteurs de variation de la cholestérolémie sont nombreux, notamment alimentaires, et la cholestérolémie ne peut suffire au diagnostic d’hyper- ou hypo-thyroïdisme, bien qu’elle puisse être un signe d’appel suggérant une exploration de la fonction thyroïdienne. En revanche, une fois que le diagnostic a été établi et le traitement instauré, les variations de la cholestérolémie chez le sujet en cause permettent de suivre l’efficacité du traitement. Des résines échangeuses d’ions pour piéger les sels biliaires dans l’intestin et diminuer la cholestérolémie Les

CH CH2 CH CH2

sels

biliaires

représentent

l’une

des

principales voies de dégradation et d’élimination du cholestérol; si leur élimination fécale augmente CH2

N+ (CH3)3 Cl -

cholestyramine

n

car ils ne sont plus réabsorbés, une plus grande quantité

de

cholestérol

est

utilisée

à

leur

synthèse, ce qui a pour effet de faire diminuer la cholestérolémie. Différentes résines peuvent ainsi

être administrées par voie orale, notamment la cholestyramine. 17

les hormones thyroïdiennes iodées stimulent également la synthèse du cholestérol en augmentant l’activité de l’HMG CoA réductase, mais l’accroissement du catabolisme est supérieur à celui de la synthèse, et en bilan, les hormones thyroïdennes iodées effet hypocholetérolémiant.

LARESBA- Biochimie Métabolique

La majorité des calculs biliaires sont formés totalement ou majoritairement de cholestérol Dans l’espèce humaine, les calculs biliaires sont de deux types : - cholestérol, - bilirubinate de calcium, associés à différentes protéines et mucopolysaccharides. Les calculs de cholestérol, les plus abondants (environ 80 % des calculs biliaires), résultent de la très faible solubilité de cette molécule. Le cholestérol peut rapidement atteindre une concentration biliaire saturante et précipiter si la concentration des phospholipides et/ou des sels biliaires qui le maintiennent en solution vient à diminuer.

78

79

LARESBA- Biochimie Métabolique

Eicosanoïdes

•5•

Définitions Les eicosanoïdes sont une famille de composés oxygénés dérivés d’acides gras polyinsaturés en C20, principalement l’arachidonate, intervenant dans de multiples fonctions, telles que les réactions inflammatoire et anaphylactique, la coagulation, la fièvre, le cycle sexuel femelle, etc. étymologie : les prostaglandines, premiers eicosanoïdes isolés dans les années 1930 par Von Euler, ont été extraites de organes génitaux de béliers et on a longtemps cru, à tort, qu’elle provenaient de la prostate, d’où le nom qu’elles ont gardé. Les deux premières isolées ont été les PGE et PGF, respectivement extractibles dans l’éther et un tampon phosphate (fosfat en suédois).

Plan _________________________________________________________________________________________________________________ ____

1. Biochimie structurale 1.1. Structure 1.1.1. Prostanoïdes 1.1.1.1. Prostaglandines 1.1.1.2. Prostacyclines 1.1.1.3. Thromboxanes 1.1.1.4. Isoprostanes 1.1.2. Eicosanoïdes linéaires 1.1.2.1. leucotriènes 1.1.2.2. autres 1.2. Prop. physiques et chimiques

2. Biochimie métabolique 2.1. Etat naturel - répartition 2.2. Biosynthèse 2.2.1. Précurseurs 2.2.2. Voie de la cyclo-oxygénase 2.2.3. Voie de la lipoxygénase 2.3. Rôles 2.3.1. Prostaglandines 2.3.2. Thromboxanes/prostacyclines 2.3.3. Leucotriènes 2.4. Catabolisme - élimination

_________________________________________________________________________________________________________________ ____

Objectifs minimum comprendre • les

voies

savoir de

synthèse des eicosanoïdes pour

• la structure générale des prostaglandines et les

expliquer l’importance des acides gras polyinsaturés

propriétés qui en résultent

• pourquoi

des

• retenir le rôle des prostaglandines dans la réaction

prostaglandines impose l’utilisation de dérivés de

inflammatoire et expliquer le mécanisme d’action des

synthèse

anti-inflammatoires stéroïdiens et non stéroïdiens

la

rapidité

du

catabolisme

• les actions de PGF2a et leurs applications

80

LARESBA- Biochimie Métabolique

Importance Les eicosanoïdes jouent un rôle de messagers intercellulaires et intracellulaires, notamment : - dans les processus inflammatoires, et le mécanisme d’action des antiinflammatoires, - dans l’anaphylaxie, - dans la coagulation sanguine, - dans le cycle sexuel femelle, principalement pour PGF2a dont de nombreux dérivés sont utilisés en médecine vétérinaire. On distingue habituellement : i) les dérivés de la voie de la cyclo-oxygénase : prostaglandines, prostacyclines et thromboxanes ii) les dérivés de la voie de la lipo-oxygénase : leucotriènes, lipoxines, hépoxylines et hydroperoxyacides (HEPTE) Par ailleurs, on rattache également à ce groupe : - des métabolites produits par l’époxygénase : acides époxyeicosatriènoïques (EET) et hydroxyeicosatriènoïques (HETE) dont les rôles ne sont pas clairement élucidés, - des produits d’auto-oxydation des acides eicosapentaènoïques : les isoprostanes.

1. Biochimie structurale 1.1. Structure COO-

arachidonate (20:4)

Les eicosanoïdes sont des composés à 20 atomes de carbone dérivant d’acides gras polyinsaturés en C20, en particulier (série 2) de l’arachidonate ou acide 5,8,11,14-eicosatétraènoïque.

1.1.1. Structure des prostanoïdes : prostaglandines, prostacyclines et thromboxanes -

COO

8

1 20

12 acide prostanoïque

1.1.1.1. Prostaglandines

Les prostaglandines et prostacyclines dérivent d’un composé qui n’existe pas à l’état naturel : l’acide prostanoïque qui comprend un cycle cyclopentane.

81

LARESBA- Biochimie Métabolique

Les différentes prostaglandines appartiennent à : - des classes différentes (indiquées par des lettres majuscules de A à H, et J) en fonction de la nature des substituants et de l’insaturation du cycle. On distingue ainsi de manière générale des prostaglandines ayant un cycle hydroxycyclopentane et cyclopenténone. Les prostaglandines D, E et F sont considérées comme des prostaglandines « primaires » car elles ne sont pas dérivées d’autres prostaglandines dans l’organisme. - des séries différents en fonction du nombre d’insaturations présentes sur les chaînes latérales de la molécule (indiquées par des chiffres de 1 à 3 en indice) : en 5-6 cis (1), 13-14 trans (2) et 17-18 cis (3). Chez l’homme et les animaux domestiques, les prostaglandines de série 2 (dérivées de l’arachidonate) sont les HO plus abondantes. Ainsi, par exemple, la 8 COO prostaglandine PGF2α a la structure 5 1 20 représentée ci-contre (C20H34O5; PM = 15 12 354,49). 13 HO OH PGF2α

cycle PGA

chaînes latérales

O

COO-

COO-

OH

OH

Type 1

PGB

O

COO-

OH

O

Type 3

COO-

Type 1

COO-

OH

Type 2 COO-

Type 1

OH

OH

OH

OH

COO-

Type 2 COO-

OH

Type 3

COO-

Type 1

PGD

OH

OH

OH

O

COO-

Type 2 COO-

PGJ

Type 3

COO-

Type 1 O

OH

Type 2

OH

PGC

COO-

Type 3

COO-

OH

COO-

OH

Type 2

Type 3

82

LARESBA- Biochimie Métabolique

O

PGE

COO-

COO-

OH

OH

Type 1

OH

PGF α

OH

OH

Type 1

O

OOH

OOH

COO

O

Type 3

COO-

OOH

Type 2 -

O

OH

COO-

Type 1

PGH

COO-

Type 2

COO-

O

Type 3

COO-

OH

PGG

OH

Type 2 COO-

OH

COO-

Type 3

COO-

OH

OH

Type 1

COO-

OH

Type 2

Type 3

1.1.1.2. Prostacyclines

O

6

Ces molécules se différencient des prostaglandines par la présence supplémentaire d’un hétérocycle oxygéné à 5 carbones (furane) établi entre le C9 du cyclopentane et le C6 de la chaîne latérale. Le reste de la structure est identique, notamment avec un hydroxyle 15α.

OH

1.1.1.3. Thromboxanes

Les thromboxanes sont caractérisés par le remplacement du cyclopentane par un pyrane (hétérocycle à 6 chaînons avec un hétéroatome d’oxygène). TXA Thromboxane

COO-

COO-

COO-

O OH

OH

O

Type 1 OH

TXB Thromboxane

O

Type 2 -

COO

OH HO

Type 1

OH

Type 3

COO-

OH

COO-

OH

Type 2

1.1.1.4. Isoprostanes Les isoprostanes forment une famille de produits naturels formés in vivo par peroxydation radicalaire des acides eicosaènoïques.

Type 3

83

LARESBA- Biochimie Métabolique

Les structures ainsi formées dans les membranes sont libérées lors de l’action de phospholipases (comme l’arachidonate lors de la synthèse des eicosanoïdes). Un grand nombre de prostanoïdes ont ainsi été identifiés qui sont des isomères ou des molécules voisines des prostaglandines, notamment de PGF2α. HO

HO -

COO HO

PGF2α

COO HO

OH

COO-

-

COO HO

OH

OH

HO

HO

-

iPF2α -III

HO

OH

15-epi- iPF2α -III

8-iso-iPF2α -IV

1.1.2. Structure des eicosanoïdes linéaires 1.1.2.1. Leucotriènes Ce sont des composés linéaires dérivés de l’acide arachidonique pour les molécules de la série 4 et des tri- et pentaeicosaènoates pour les séries 3 et 5. O

-

COO 1 20

leucotriène A4 OH

OH

OH

OH

OH

COO-

COOC5H11 S Cys

Gly

COOC5H11 S Cys

Gly

COOC5H11 S Cys

γ Glu

leucotriène B4

leucotriène C4

leucotriène D4

1.1.2.2. Autres eicosanoïdes linéaires De très nombreuses molécules dérivées des acides eicosanoïques ont été isolées. Parmi elles, pour les dérivés de l’arachidonate : COO-

- les

HPETE

(hydroperoxyeicosatétraènoates),

notamment le 15-HPETE, précurseurs des lipoxines de OH

15-HPETE

série 4

leucotriène E4

LARESBA- Biochimie Métabolique

gGlu S Cys Gly HO

COO-

- les lipoxines et les hépoxilines, qui, comme les leucotriènes, sont aussi des dérivés du glutathion existant sous forme C, D et E

OH

LXC4

1.2. Principales propriétés physiques et chimiques • état naturel : ce sont des composés cristallisés • solubilité : les eicosanoïdes sont des molécules peu hydrosolubles; leur solubilité dépend des fonctions chimiques portées, par exemple, les prostaglandines F sont plus hydrosolubles que les prostaglandines A. • point de fusion : en général assez bas, et dépendant : - du degré d’insaturation : PGE1 : θf = 115°C; PGE2 : θf = 67°C). - des fonctions portées : pour PGF2α, le point de fusion est voisin de 30°C. • stabilité : la plupart des composés sont instables ou peu stables, en particulier à la lumière ou à la chaleur. Par exemple, PGF2α se décompose en une semaine à la lumière solaire et en 3 mois à 40°C.

2. Biochimie métabolique 2.1. Etat naturel et répartition En général, les eicosanoïdes ne sont produits qu’en réponse à une stimulation (lésion cellulaire, médiateur de l’inflammation, etc.) et leur dégradation est très rapide : il en résulte qu’ils ne sont présents qu’à des concentrations très faibles dans les organes ainsi que dans les fluides biologiques. Les concentrations des prostaglandines dans les fluides biologiques, notamment dans le sang, sont très difficiles à mesurer exactement car elles continuent à être produites in vitro par les cellules sanguines. Un meilleur reflet de la production des prostaglandines est fourni par l’excrétion urinaire de leurs catabolites. 2.2. Biosynthèse La synthèse des eicosanoïdes a lieu dans toutes les cellules mais les produits terminaux et les fonctions des molécules produites sont différents en fonction des types cellulaires (cf. § 2.3).

84

85

LARESBA- Biochimie Métabolique

2.2.1. Précurseurs Les précurseurs de la synthèse des eicosanoïdes sont des acides gras polyinsaturés en C20 : acides eicosa8,11,14 triènoïque, 5,8,11,14 tétraènoïque (arachidonique), 5,8,11,14,17 pentaènoïque, qui sont les précurseurs respectivement des prostanoïdes des série 1, 2 et 3 et des dérivés linéaires des séries 3, 4 et 5. Ces précurseurs dépendent de l’apport alimentaire des acides gras polyinsaturés puis des réactions ultérieures d’élongation-désaturation (cf. métabolisme des acides gras). Les acides arachidonique et linoléique étant plus abondants dans l’alimentation de l’homme et des animaux domestiques, ce sont surtout des dérivés de série 2 qui sont synthétisés. Prostanoïdes type 3

Alim. ω3

α-linolénate 18:3;9,12,15

octodécatétraènoate 18:4;6, 9,12,15

ω6

linoléate 18:2;9,12

γ -linolénate 18:3;6,9,12

Alim.

Alim.

eicosatétraènoate 20:4;8,11,14,17

eicosatriènoate 20:3;8,11,14

Prostanoïdes type 1

eicosapentaènoate 20:5;5,8,11,14,17

arachidonate 20:4;5,8,11,14

Prostanoïdes type 2

Les acides gras polyinsaturés sont en général « stockés » dans les membranes cellulaires dans des phospholipides (surtout les phosphatidylinositols) dont ils occupent préférentiellement la position sn-2 et dont ils sont libérés par l’action d’une phospholipase A2 agissant directement sur le phospholipide membranaire ou sur un phosphatidate. Ils peuvent également être libérés par action de la diacylglycérol lipase sur les diacylglycérols. PLA2 Glycéro phospholipide PLC Diacyl glycérol

C 20

DAG lipase

+

Lysoglycéro phospholipide Lyso phosphatidate

Monoacyl glycérol DAG kinase

PLA2 Phosphatidate

Alim.

86

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La concentration d’arachidonate18 libre dans la cellule est très faible. Par conséquent, la biosynthèse des eicosanoïdes dépend principalement de la disponibilité de l’arachidonate et donc très largement de l’activité de la phospholipase A2. Dès qu’il est libéré, prostaglandines cyclol’arachidonate est très thromboxanes oxygénase prostacyclines rapidement métabolisé dans les cellules pour donner : leucotriènes lipoxygénases arachidonate - des prostanoïdes par la HEPTE PGH-synthétase, EET - des thromboxanes par la 5époxygénase HETE lipoxygénase ou d’autres composés (hépoxilines, lipoxines) par les 12- et 15 lipoxygénases, - des époxy-acides et des hydroxyacides par l’époxygénase, une monooxygénase (cyt P450). Les phospholipases A2 Il existe de très nombreuses phospholipases A2 (PLA2) qui appartiennent à trois principales catégories : • sPLA2 ou PLA2 sécrétées, de faible PM (environ 15 kDa), présentes dans les venins de serpents, d’abeille, dans le fluide pancréatique, etc. Ces enzymes sont activées par des 2+

concentrations millimolaires de Ca . Certaines de ces enzymes sont libérées par les cellules inflammatoires dans les fluides biologiques, notamment dans les exsudats. • cPLA2 ou PLA2 cytoplasmiques, de PM élevé (environ 85 kDa), présentes dans la plupart des cellules de mammifères, particulièrement les macrophages. La phosphorylation des 2+

cPLA2 par des concentrations submicromolaires de Ca , via de multiples effecteurs (cytokines, lipopolysaccharide bactérien [LPS], …) permet leur fixation aux membranes (peut-être préférentiellement à la membrane nucléaire). Les cPLA2 présentent une spécificité forte pour les glycérophospholipides contenant de l’arachidonate qu’elle libèrent. • iPLA2 ou PLA2 indépendantes du calcium. Ce type de PLA2 intracellulaire PM intermédiaire (environ 30/40 kDa) est ubiquiste. Certaines de ces enzymes : i) sont localisées dans lysosomes; ii) hydrolysent spécifiquement le résidu acétyle en sn-2 du PAF (platelet activation factor); iii) sont des ectoenzymes (par exemple, de la bordure en brosse des cellules intestinales) et ont une spécificité très large. Glucocorticoïdes et phospholipases A2 Dans les cellules où l’activité des PLA2 s’exprime après stimulation, par exemple, par des cytokines lors de la réaction inflammatoire, l’augmentation d’activité des PLA2 est inhibée par les glucocorticoïdes. Cet effet est lié à : i) l’induction de la synthèse de lipocortines par les glucocorticoïdes dans les cellules-cibles. 2+

Ces protéines ne sont pas des inhibiteurs de la LPA2, mais, en présence de Ca , elles se fixent sur les phospholipides empêchant ainsi leur hydrolyse par la LPA2 et donc la libération d’arachidonate et la formation des eicosanoïdes (ayant une activité inflammatoire) qui en résulte. ii) une inhibition de l’expression de COX-2 (cf. § 2.2.2.1), donc de la synthèse des prostanoïdes impliqués dans la réaction inflammatoire.

18

toutes les voies métaboliques sont données pour les dérivés du série 2, dérivés de l’arachidonate, mais les voies sont identiques pour les autres eicosanoïdes. Les concentrations des acides tri- et pentaènoïques sont nettement plus faibles.

87

LARESBA- Biochimie Métabolique

CH2OH O C H3C

HO H3C

OH CH3

Ces effets anti-inflammatoires de glucocorticoïdes naturels ou de synthèse, notamment de la dexaméthasone, sont utilisés en thérapeutique humaine et vétérinaire depuis très longtemps.

F O

dexaméthasone

2.2.2. Biosynthèse des prostanoïdes : voie de la cyclo-oxygénase ou « voie cyclique » 2.2.2.1. Etape commune : synthèse de PGH2 La synthèse de tous les prostanoïdes a lieu dans le réticulum et débute par une réaction commune d’oxydation et de cyclisation de l’arachidonate pour former le peroxyde cyclique PGG2, rapidement réduit en PGH2 par une activité peroxydase utilisant le glutathion comme donneur d’hydrogène. Cette réaction est également l’étape limitate de la synthèse de tous les prostanoïdes. L’activité enzymatique responsable est la PGH-synthétase ou cyclo-oxygénase (COX). Cette enzyme existe sous deux formes : - COX-1, constitutive, présente dans toutes les cellules, qui participe à la régulation « normale » des cellules (« house-keeping »), tout particulièrement dans les plaquettes sanguines, les cellules endothéliales, le tractus gastro-intestinal et les cellules rénales. Sa concentration est relativement stable mais est légèrement augmentée par des stimulation hormonales ou par des facteurs de croissance (x 2 à 4) - COX-2, inductible, absente ou présente seulement à l’état de traces dans la plupart des tissus. Son activié augmente tout particulièrement dans les macrophages, les cellules endothéliales, les cellules musculaires lisses et les cellules impliquées dans la réaction inflammatoire lors de stimulation des cellules : l’activité de la COX-2 est alors très fortement augmentée (x 10 à 100). Les cyclo-oxygénases sont des enzymes homodimériques de structure voisine, intégrées dans la membrane réticulaire (également nucléaire et membranaire dans certaines cellules) et possédant deux sites actifs correspondant à deux activités enzymatiques : - cyclo-oxygénase ; - peroxydase. Alors que la COX-1 est relativement spécifique de l’arachidonate, COX-2 est moins spécifique et peut agir sur des acides polyinsaturés en C18 ou C20.

+

H2O 2 GSH GSSG COO-

2 O2

COO-

O

O

O

OH

OOH

arachidonate

COO-

O

2 PGG

2 PGH

88

LARESBA- Biochimie Métabolique

2.2.2.2. Etapes spécifiques : formation des différents prostanoïdes Les différents prostanoïdes sont ensuite obtenus en fonction de l’équipement enzymatique particulier de chaque tissu. Par exemple, les plaquettes synthétisent des thromboxanes et les cellules endothéliales des prostacyclines. neutrophile synthèse constitutive

LTB4

synthèse trans LTA4 cellulaire plaquette LTC4 synthèse constitutive

Cependant les eicosanoïdes ont également un métabolisme transcellulaire, c’est-à-dire que certaines molécules peuvent être libérées dans le milieu, captées par d’autres cellules qui les transforment en un eicosanoïde qu’elles seraient incapables de synthétiser.

TXA2

• Les prostaglandines sont synthétisées de manière séquentielle : - d’abord les PGD, PGE et PGF par l’action de la PGH-PGD isomérase, de la PGH-PGE isomérase et de la PGH-PGF2α réductase, -

ensuite des réactions de réduction, qui peuvent être considérées comme des réactions de catabolisme, conduisent aux prostaglandines A, B et C.

• Les prostacyclines résultent de l’action de la prostacycline synthétase sur les PGH. L’enzyme présente principalement dans le réticulum des cellules endothéliales est une monooxygénase ayant un centre actif hème-thiolatecytochrome P450. • Le thromboxane A2 instable produit par la thromboxane synthétase donne rapidement le thromboxane B2. La réaction catalysée par cette enzyme principalement plaquettaire, dont les caractéristiques sont semblables à celles de la prostacycline synthétase, fournit également du dialdéhyde malonique et de l’acide hydroxyheptadécatriènoïque pour 50 à 70 % de son activité. COO-

O O OH

O

O

TXA2

COO-

OH

PGH2

COO-

CHO H2C

CHO OH

dialdéhyde malonique

acide hydroxyheptadécatriènoïque

89

LARESBA- Biochimie Métabolique

En résumé, les étapes principales de la synthèse des prostanoïdes sont les suivantes : COX-1 COX-2

PLA 2 Phospholipides membranaires

Arachidonate

PGE2

PGG 2

PGH 2

PGF 2

Rein

Ovaire

PGD2

TXA2

Plaquettes

PGI 2

Endothéliums

2.2.3. Biosynthèse des leucotriènes, voie de la lipoxygénase, « voie linéaire » Différentes lipoxygénases (des dioxygénases) peuvent oxyder l’arachidonate. La principale étant la 5-lipoxygénase qui transforme l’arachidonate en 5HPETE (hydroxyperoxyeicosatétraènoate) et en leucotriène A4 (LTA4) instable. La 5-lipoxygénase est une enzyme activée par une augmentation de la concentration intracellulaire en Ca2+. Deux voies différentes sont alors possibles : - hydrolyse de l’endoperoxyde par la LTA4 hydrolase et formation du LTB4 - formation de dérivés du glutathion par la LTC4 synthétase qui fixe une molécule de glutathion par son atome de soufre sur le carbone 6; ultérieurement, le catabolisme du glutathion par la γ-glutamyltransférase et la dipeptidase conduit aux LTD4 et LTE4 par le transfert du glutamate puis l’hydrolyse du glycocolle. 5-HETE

➐ arachidonate

➊

5-HEPTE

❷

LTA4

❹ LTE4

❻

LTD4 ❺

❸ LTC4

LTB4

1 : 5-lipoxygénase; 2 : LTA4 synthétase; 3 : LTA4 hydrolase; 4 : LTC4 synthétase; 5 : γ -glutamyltransférase; 6 : dipeptidase; 7 : peroxydase

Il existe trois autres lipoxygénases (LOX) : 8 LOX, 12 LOX et 15 LOX qui présentent de nombreuses isoenzymes en fonction des tissus où on les rencontre. elles ont des affinités variables pour les acides gras polyinsaturés en C20 et C18 et produisent une grande variété d’HPETE dont les rôles ne sont pas élucidés.

90

LARESBA- Biochimie Métabolique

2.3. Rôles 2.3.1. Prostaglandines Les prostaglandines A, B et C sont souvent considérées comme inactives19. Les rôles des autres prostaglandines sont multiples et dépendent des cellulescibles. De manière très schématique, les PG produites par l’activité de COX-1 servent aux régulations « de base » de l’organisme (régulation rénale, protection de la muqueuse digestive), celles résultant de l’activité de COX-2 permettent de faire face à des situations plus exceptionnelles (réaction inflammatoire, par exemple). Les effets les plus importants sont : 2.3.1.1. médiateurs de la réaction inflammatoire COX-2 est induite par les médiateurs de la réaction inflammatoire essentiellement dans les macrophages et les monocytes, ainsi que dans les cellules musculaires lisses (peau, poumons, vaisseaux). Dans ce domaines, les PG de la série 2 sont plus actives que celles de la série 3. C’est la PGE2 qui serait la principale responsable de la vasodilatation qui provoque l’érythème (rougeur) et l’œdème ; PGE2 et PGI2 seraient les agents responsables de la douleur. PGE2, en association avec d’autres médiateurs, participerait aussi à la fièvre lors d’affections bactériennes ou virales. Les anti-inflammatoires non stéroïdiens (AINS) sont des inhibiteurs des cyclooxygénases Toutes les molécules qui, comme l’aspirine, sont des inhibiteurs de la cyclo-oxygénase diminuent la production de prostaglandines et ont ainsi des effets analgésiques, fébrifuges et anti-inflammatoires utilisés en thérapeutique humaine et animale, mais tous leurs effets ne résultent pas de l’inhibition de la synthèse des prostaglandines. COOH OH

COOH O Glucose

acide salicine salicylique produits naturels : saule, spirée

19

COOH

O

O C CH3

acide acétylsalicylique produit de synthèse

Cependant, on a décrit un rôle d’activateur de la synthèse de différentes protéines par les prostaglandines à noyau cyclopenténone, particulièrement pour PGA2 et PGJ2 (et son dérivé ∆12)

LARESBA- Biochimie Métabolique

Dans ce domaine, les effets des composés salicylés (extraits des feuilles, écorce et bourgeons de saule) sont connus depuis l’antiquité et ont connu un développement extraordinaire à partir de la fin du XIX° siècle av ec

COOH H3C O

la préparation d’un dérivé de synthèse stable : CH3 N

O HN C CH3

O

l’aspirine ou acide acétylsalicylique. L’aspirine est un inhibiteur irréversible de la cyclo-oxygénase (cf. § 2.3.2 ) alors que la plupart des autres AINS sont

Cl

indométhacine

des inhibiteurs par compétition qui présentent une OH

acétaminophène

très forte affinité pour l’enzyme. Des inhibiteurs spécifiques de COX 2

On considère souvent de façon excessive que l’inhibition de COX-2 est responsable des effets anti-inflammatoires alors que celle de COX-1 rendrait compte des effets secondaires, notamment des lésions gastroduodénales résultant de la diminution de production de PGE2 par la muqueuse gastrique. Ces effets indésirables des AINS sont graves, responsables de milliers de morts chaque année. Bien que les deux COX soient voisines au plan structural, il existe des inhibiteurs préférentiels de COX-2 qui n’ont que très peu d’effets sur COX-1. Ils ne semblent cependant pas totalement dénués d’effets secondaires, entraînant des troubles de la reproduction dans des modèles animaux. Par exemple, la concentration d’aspirine provoquant une inhibition de 50% (IC50) de COX-2 est environ 150 fois supérieure à celle ayant le même effet sur COX-1, mais l’IC50 du salicylate n’est que 3 fois plus forte et celle du carprofène est similaire sur les deux isoenzymes.

2.3.1.2. PGF2α une hormone sexuelle chez la femelle La PGF2α intervient dans la lutéolyse (régression du corps jaune) et les contractions utérines. i) en fin de gestation, la PGF2α est sécrétée en grande quantité de manière continue par les enveloppes fœtales et déclenche des contractions utérines. Ses effets sont inégaux selon les espèces : ils est important chez la femme, moins chez la brebis ou la vache. ii) lors du cycle sexuel, la PGF2α entraîne la régression du corps jaune à la fin du diestrus. La reprise de la sécrétion d’œstrogènes est responsable d’une augmentation de synthèse de PGF2α par le muscle utérin (myomètre) en l’absence de gestation : la PGF2α diffuse dans la veine utéro-ovarienne et par l’une de ses branches, elle passe à l’artère ovarienne qui lui est étroitement liée par transport à contre-courant. La PGF2α atteint ainsi l’ovaire où elle provoque la régression du corps jaune, donc la possibilité de débuter un nouveau cycle sexuel. Chez la brebis, cette sécrétion est entretenue par un rétro-contrôle positif de l’ocytocine qui stimule la production de PGF2α par l’utérus à la fin du cycle ovarien.

91

utérus LARESBA - B i o c h i m i e M é t a b ocorps lique jaune

PGF2α

ovaire

La concentration de la PGF2α chez la brebis passe ainsi d’environ 1 µg/l pendant les jours 0 à 12 du cycle à plus de 10 µg/l pendant les jours 13 à 15, juste avant le déclenchement de la lutéolyse. Cet accroissement résulte d’une augmentation de concentration veine utéro-ovarienne de PGH synthétase dans le tissu artère ovarienne caronculaire de l’utérus qui ne peut avoir lieu qu’après exposition du myomètre à la progestérone. L’effet de PGF2α sur le corps jaune est un effet direct diminuant la production d’AMPc due à la LH, et ainsi la sécrétion de progestérone par le corps jaune.

Cet effet est impossible en début de phase lutéale (4 à 5 jours sur les 21 jours du cycle de la vache), probablement en raison de la trop forte concentration de LH. Ce rôle de PGF2α dans la lutéolyse est surtout important chez les femelles ruminants, la jument et la truie mais semble être plus limité chez la chienne ou la chatte. La PGF2α intervient également à la fin de la gestation pour contribuer au déclenchement des contractions utérines. Utilisation des prostaglandines en élevage et médecine vétérinaires Parmi les nombreuses applications de PGF2α et de ses dérivés en médecine vétérinaire, les principales sont : - la synchronisation des chaleurs chez la vache qui permet, par exemple, de rationaliser la production de lait. L’administration de prostaglandines à toutes les femelles d’un groupe permet de déclencher une lutéolyse simultanée 2 à 3 jours après l’administration et par conséquent de synchroniser l’apparition des chaleurs chez les femelles traitées, permettant leur insémination simultanée. - la synchronisation des mises bas, en déclenchant artificiellement la mise bas, surtout chez le porc. Il s’agit également d’une rationalisation de l’élevage. - les avortements provoqués, par exemple pour mésalliance, notamment chez la chienne, mais également la vache ou la jument. - le traitement des affections utérines (pyomètres, métrites); l’action utéromotrice de cette hormone contribue à l’évacuation du contenu de l’utérus.

2.3.1.3. Protection de la muqueuse gastrique et intestinale La muqueuse gastrique et intestinale de l’homme et des animaux sécrète des prostaglandines qui protègent cette muqueuse contre les agressions, et en particulier qui évitent la formation d’inflammations et d’ulcères gastriques et duodénaux. En effet, les prostaglandines maintiennent l’intégrité des

92

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capillaires, augmentent la production de mucus, diminuent la sécrétion d’HCL et régulent la division cellulaire. L’utilisation des anti-inflammatoires non stéroïdiens entraîne l’apparition d’ulcères gastroduodénaux De très nombreux AINS sont utilisés par voie orale ou générale pour traiter la fièvre ou différentes réactions inflammatoires. L’inhibition de la sécrétion de prostaglandines, en O

O

particulier de prostacycline, qui en résulte est responsable

C O CH3

de douleurs et de lésions digestives pouvant aller jusqu’à l’ulcère. Ces effets peuvent être palliés/prévenus par

HO

HO

CH3

misoprostol

l’administration orale de dérivés de prostaglandines qui viennent compenser le déficit local dans le tube digestif.

2.3.1.4. Régulation de la fonction rénale Les prostaglandines : - maintiennent le débit sanguin rénal : PGE2 et PGI2 sont de puissants vasodilatateurs rénaux. Leur synthèse est stimulée par l’angiotensine II et les catécholamines qui stimulent la phospholipase A2. - participent à l’excrétion sodée. - s’opposent aux effets de l’ADH qui stimule la synthèse rénale de PG. L’utilisation des anti-inflammatoires non stéroïdiens peut entraîner l’apparition d’insuffisance rénale aiguë Particulièrement chez les sujets âgés ou déshydratés, l’inhibition de la production de prostaglandines, par inhibition de la COX-1 par les AINS, entraîne une diminution du flux sanguin rénal qui peut devenir grave.

2.3.2. Thromboxanes/ Prostacyclines Les thromboxanes et prostacyclines ont des effets antagonistes sur la coagulation sanguine : - les thromboxanes, principalement produits par les plaquettes sanguines, favorisent l’agrégation plaquettaire, en même temps que la vasoconstriction. Pour cette activité, le TXA2 a une forte activité sur l’agrégation plaquettaire alors que l’activité du TXA3 est beaucoup plus faible. L’activité de PGH2 est pratiquement identique à celle de TXA2 ; - les prostacyclines des cellules de l’endothélium vasculaire sont des inhibiteurs de l’agrégation plaquettaire et des vasodilatateurs. Aspirine - un inhibiteur de la cyclo-oxygénase utilisé dans la prévention de la thrombose chez l’homme

93

94

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L’aspirine (acide acétyl salicylique) est un inhibiteur de la cyclo-oxygénase qu’il acétyle de COOH O

manière irréversible sur un résidu de sérine indépendant du site actif; c’est C

CH3

O

Aspirine

le seul AINS [anti-inflammatoire non stéroïdien] qui donne une liaison covalente avec l’enzyme. L’aspirine acétyle également d’autres molécules à des concentrations de l’ordre de la mmol/l alors qu’elle acétyle irréversiblement

la

cyclo-oxygénase

en

quelques

minutes

à

des

concentrations de l’ordre de la µmol/l. Il en résulte une diminution modérée de l’activité de l’enzyme qui n’explique pas ses propriétés anti-inflammatoires mais qui rend compte de son effet anticoagulant. En effet, l’aspirine, à faible dose une fois par jour, inhibe progressivement de manière irréversible la COX-1 constitutive des plaquettes, qui étant anucléées ne peuvent resynthétiser l’enzyme, ce qui bloque la production de TXA2; la restauration des capacités coagulantes du sang résulte de la production de nouvelles plaquettes (en quelques jours). En revanche, ces doses faibles, n’ont que peu d’effets sur la synthèse des PGI2 par l’endothélium, qui étant nucléé, peut resynthétiser l’enzyme si les doses administrées restent modérées.

2.3.3. Leucotriènes Les cystéinyl-leucotriènes (C, D et E) sont les médiateurs de la réaction anaphylactique; ce sont de très puissants agents bronchoconstricteurs et ils sont également vasoconstricteurs. Comme le LTB4, ils augmentent la mobilité des leucocytes et jouent le rôle de chimioattracteurs. 2.3.4. Mécanisme d’action des eicosanoïdes Dans leurs cellules-cibles20, les prostaglandines agissent via des récepteurs membranaires spécifiques dont des sous-types ont été isolés dans des cellules différentes rendant compte des effets variés de ces molécules en fonction des cellules ci-cibles; par exemple, 4 sous-types de récepteurs sont connus pour PGE2. Tous les récepteurs actuellement connus sont du type à sept domaines transmembranaires et les prostanoïdes agissent comme des hormones polaires déclenchant/inhibant la production de seconds messagers intracellulaires, inositols phosphates, AMPc, Ca2+, etc., différents selon les cellules cibles. En résumé, les principales actions des prostanoïdes sont indiquées dans le schéma suivant :

20

Les prostaglandines à noyau cyclopentènone réagissent avec un thiol de protéines nucléaires et modifient l’expression de gènes spécifiques

95

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AINS

phospholipides membranaires

COX-1 constitutive

PLA2

estomac/intestin rein endothéliums

protection de la muqueuse maintien du débit sanguin effet anticoagulant

arachidonate COX-2 inductible

macrophages, … corps jaune glucocorticoïdes

réaction inflammatoire lutéolyse

AINS

Les principales implications des prostanoïdes dans la réaction inflammatoire sont indiquées dans le tableau ci-dessous (d’après Heller A et coll (1998) Drugs 55: 487-496) Mastocytes

A R A C H I D O N A T E

PGD2

• Vasoconstriction • Activation des polynucléaires

LTC4/D4

• Vasoconstriction • Bronchoconstriction • Augmentation de perméabilité • Chimiotactisme • Bronchoconstriction • Formation d’œdème • Activation des polynucléaires • Agrégation plaquettaire • Vasoconstriction • Bronchoconstriction • Augmentation de perméabilité • Vasoconstriction • Bronchoconstriction • Activation des polynucléaires • Activation des plaquettes • Vasodilatation • Bronchorelaxation • Activation des polynucléaires • Vasoconstriction • Bronchoconstriction • Activation des polynucléaires • Agrégation plaquettaire • Vasodilatation

Neutrophiles

LTB4

Eosinophiles

LTC4/D4

Macrophages

TXA2

PGE2

Plaquettes

TXA2

Endothélium

PGI2

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PGE2

• Bronchorelaxation • Activation des polynucléaires • Vasodilatation • Bronchorelaxation • Activation des polynucléaires

Modulation de la réaction inflammatoire par le régime alimentaire Les prostanoïdes de la série 2 (dérivés d’acides gras de la série ω6) sont des médiateurs en général plus puissants que ceux de la série 3 (dérivés de la série ω 3), c’est tout particulièrement le cas de TXA2 par rapport à TXA3, alors que PGI2 et PGI3 ont approximativement la même activité. Par conséquent, une modification des habitudes alimentaires en privilégiant les acides gras de la série ω 3 limiterait les effets « néfastes » de certains prostanoïdes. Cet effet est observé notammment chez les Inuits du Groenland et chez les Japonais des villages de pêcheurs qui ingèrent de fortes quantités de lipides et devraient donc présenter une incidence forte de lésions athéromateuses. Mais leur régime leur apporte une forte quantité d’acide eicosapentaènoïque (ω 3) qui favorise la formation de TXA3 aux dépens de TXA2 en rentrant en compétition avec l’arachidonate. En diminuant la capcité des plaquettes à former des thrombus, ce type d’alimentation contribuerait à limiter les risques d’accidents cardiovasculaires.

2.4. Catabolisme et élimination Le catabolisme des eicosanoïdes est très rapide; la demi-vie des différents constituants n’excède pas quelques minutes et est souvent encore plus brève, ce qui limite leur action au site de leur synthèse ou au proche voisinage. Par exemple, la demi-vie de PGF2α dans le plasma est voisine de 20 s. Les voies du catabolisme ne sont pas toutes élucidées. Ce catabolisme a lieu au site de production ou dans la circulation sanguine. Par exemple, 90 % de PGF2α sont dégradés en un seul passage dans la circulation pulmonaire. Pour les prostanoïdes, l’oxydation des dérivés hydroxyclopentane en dérivés cyclopenténone est considérée comme une réaction d’inactivation, aucun rôle n’ayant été clairement identifié pour les PGA, PGB et PGC. En outre, l’action d’une 15 α-hydroxyprostaglandine déshydrogénase et d’une 13-14 réductase conduit à des 15-céto-13,14-dihydroprostaglandines, qui subissent une β−oxydation, conduisant à des dérivés dinor- ou tétranor- (c’està-dire ayant perdu 2 ou 4 atomes de carbone). Pour les thromboxanes, des produits de β−⊇et ω−oxydation ont été identifiés dans les urines. Des analogues structuraux de durée de vie supérieure Le métabolisme des prostaglandines est si rapide que l’administration des composés naturels a des effets limités. Par conséquent, on a cherché à : i) allonger la durée de vie des prostaglandines et ainsi leur effet lutéolytique et,

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ii) à diminuer leur effets sur les muscles lisses pour limiter les effets secondaires indésirés (par exemple, coliques chez la jument). Plusieurs composés sont ainsi commercialisés, par exemple le

HO COOO HO

OH

cloprosténol qui est un analogue de PGF2α dont la chaîne Cl

latérale est raccourcie à 16 carbones et présente un volumineux substituant aromatique.

97

98

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Lipoprotéines plasmatiques •6• Définitions Les lipoprotéines plasmatiques sont les complexes de lipides neutres, lipides polaires et protéines spécifiques qui assurent le transfert des lipides, essentiellement des triglycérides, du cholestérol et des vitamines liposolubles, dans le sang entre les organes. Rq : les acides gras ne représentent qu’une très faible partie des lipides plasmatiques et circulent transportés par l’albumine (cf. acides gras § 2.1)

Plan _________________________________________________________________________________________________________________

1. Biochimie structurale

2. Biochimie métabolique

1.1. Structure

2.1. Chylomicrons

1.1.1. Structure générale

2.2. VLDL

1.1.2. Classification des

2.3. LDL

lipoprotéines

2.4. HDL

1.1.3. Les apolipoprotéines _________________________________________________________________________________________________________________

Objectifs minimum Comprendre • l’architecture

Savoir générale

des

lipoprotéines

et

la

répartition des constituants dans cette structure. • les

grandes

classes

de

lipoprotéines

• que

les

lipides

ne

circulent

pas

libres

dans

l’organisme mais sous forme de lipoprotéines. et

les

• les échanges de lipides entre lipoprotéines et entre

caractéristiques essentielles de leur composition.

lipoprotéines et cellules sont indispensables à la

• le mécanisme d’internalisation du cholestérol via le

distribution et au métabolisme du cholestérol et des

récepteur des LDL.

triglycérides. • expliquer comment les lipoprotéines assurent le transfert des triglycérides et du cholestérol.

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Importance Le premier point qui a attiré l’intérêt des médecins est l’implication des anomalies du métabolisme des lipoprotéines dans l’athérosclérose qui constitue un affection grave en médecine humaine où elle est responsable d’infarctus myocardiques et cérébraux. L’athérosclérose frappe l’homme, le singe, le lapin, le porc mais n’est pas observé chez les carnivores domestiques ou le cheval; elle semble n’avoir aucune importance pratique en médecine vétérinaire. Autres lipoprotéines Les lipoprotéines sont la principale forme de transport des lipides dans le sang, mais il existe aussi de nombreuses lipoprotéines dans les structures tissulaires ainsi que d’autres transporteurs de lipides dans d’autres fluides biologiques. Par exemple : - dans les fluides biologiques, la famille des lipocalines compote plus de 40 protéines différentes présentes dans le sang, le lait, le sperme, les larmes, les séxrétions nasales, etc. ainsi que dans quelques cellules (neutrophiles notamment). Des protéines participent à la fixation et au transport de très nombreuses petites molécules lipophiles (par exemple, vitamine A et RBP = Retinol Binding Protein) et sont impliquées dans l’olfaction, la synthèse des prostaglandines, le transport des phéromones, etc. - dans les tissus, les complexes lipoprotéiques sont nombreux dans les membranes, par exemple dans la myéline avec les lipophilines ou protéolipide apolipoprotéines qui sont des protéines hydrophobes associées aux phospholipides membranaires et à des lipides neutres. On rencontre également des lipophilines dans les larmes.

1. Biochimie structurale 1.1. Structure 1.1.1. Structure générale des lipoprotéines La structure générale des lipoprotéines est constituée par de très gros agrégats moléculaires, sphériques pour la plupart, qui associent : - au centre de la particule, des lipides neutres : triglycérides, esters de cholestérol, - à la périphérie de la particule, des lipides polaires : phospholipides essentiellement et une ou plusieurs molécules de protéines.

99

100

LARESBA- Biochimie Métabolique

structure générale d’une lipoprotéine apolipoprotéine lipides polaires : - phospholipides - cholestérol libre lipides apolaires : - triglycérides - cholestérol esters

1.1.2. Classifications des lipoprotéines Les classifications des lipoprotéines reposent sur des critères analytiques qui se superposent largement à des différences structurales et fonctionnelles. La principale distinction entre les lipoprotéines résulte de leurs caractéristiques en ultracentrifugation de flottation21 qui reflète avant tout les proportions relatives de lipides et de protéines : la densité des molécules de lipoprotéines est inversement proportionnelle à la concentrtaion en lipides, principalement en triglycérides, les lipoprotéines les plus légères, les chylomicrons comprenant près de 98 % de lipides. On distigue ainsi 4 grands types de lipoprotéines de densité croissante : les chylomicrons, les VLDL (very low density lipoproteins), les LDL (low density lipoproteins) et les HDL (high density lipoproteins). Ces lipoprotéines ont des compositions lipidiques et protidiques différentes, résumées dans le tableau ci-dessous pour les principales lipoprotéines de l’homme:

densité diamètre (nm) PM (kDa) % protéines types d’apolipoprotéines % lipides

chylomicrons

VLDL

LDL

HDL

< 0,95

0,96-1,006

1,006-1,063

> 1,063

100-1000

30-90

20-25

7-20

6

10 -10

7

3

10 -10

4

2.10

6

200-400

1-2

7-10

20

30-50

A, B48, C, E

B100, C, E

B100, E

A, C, D, E

98-99

90-93

80

50-70

triglycérides (% lipides)

88

56

13

16

phospholipides (% lipides)

8

20

28

43

cholestérol esters (% lip.)

3

15

48

31

cholestérol libre (% lip.)

1

8

10

10

acides gras libres (% lip.)

0

1

1

0

d’après Mayes PA (1995) in Précis de biochimie de Harper (Murray RK et coll Edrs), De Boeck, Paris, 285-303.

Chez l’homme, on a également décrit des sous-classes de lipoprotéines, par exemple IDL : lipoprotéines de densité intermédiaire, HDL2 et 3, etc. 21

les lipoprotéines, riches en lipides ont une densité inférieure à la densité du plasma et flottent donc pour la plupart à la surface lors d’une ultracentrifugation.

101

LARESBA- Biochimie Métabolique

Chez les animaux domestiques, les lipoprotéines ont les mêmes caractéristiques générales mais les densités ne sont pas exactement superposables et les compositions lipidiques et protidiques non plus; par exemple, chez le chien, les densités des lipoprotéines sont les suivantes: VLDL AGL tissu adipeux

° insuline l

foie

AGL/Alb

Triglycérides AGL AcCoA

glycémie l

Corps cétoniques

Corps cétoniques

VLDL

glucose

mamelle lactose

AGL

synthèse mammaire

triglycérides

2.5.4. Cétose de gestation de la brebis L’affection est voisine de celle de la vache, mais le besoin obligatoire de glucose est représenté par le fœtus en croissance donc la consommation de glucose devient très forte en fin de gestation, surtout lors de gestation gemellaire. Là encore, la glunéogenèse ne réussit pas à compenser l’exportation massive de glucose et la lipomobilisation qui en résulte débouche sur une production excessive de corps cétoniques.

VLDL