A. ASSIMILATION DE L'AZOTE ATMOSPHÉRIQUE

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• Publié par: Shuim
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Cours Cycle azote metabolisme acides amines uree urea Enseignement et re... http://ead.univ-angers.fr/~jaspard/Page2/COURS/2N2NH3aaetUree/1N2N... Assimilation de l'azote en ammoniac - Principales voies de la synthèse des acides aminés Catabolisme de la partie azotée des acides aminés : le cycle impression PDF de l'urée A. ASSIMILATION DE L'AZOTE ATMOSPHÉRIQUE 1. Introduction 2. Nitrogénase ; Nitrate et nitrite réductases ; Ferrédoxine B. PRINCIPALES VOIES DE LA SYNTHÈSE DES ACIDES AMINÉS 1. Introduction 2. 1ère incorporation d'ammoniac : formation du glutamate par la glutamate déshydrogénase (EC 1.4.1.4) 3. Le glutamate joue un rôle prépondérant dans les réactions de transamination 4. 2ème d'ammoniac : formation de la glutamine à partir du glutamate par la glutamine synthétase 5. La proline est synthétisée à partir du glutamate 6. Le glutathion : cofacteur issu du glutamate 7. Synthèse de la glycine à partir de la sérine : rôle du tétrahydrofolate 8. de la cystéine à de la ou à partir de la méthionine : rôle de la S-adénosylméthionine 9. Aperçu de la synthèse des acides aminés aromatiques C. CATABOLISME DE LA PARTIE AZOTÉE DES ACIDES AMINÉS : LE CYCLE DE L'URÉE 1. Aperçu du devenir de la chaîne carbonée 2. Formes d'excrétion des déchets azotés 3. Présentation générale de l'ammoniogénèse et du transport de l'ammoniac 3a. La désamination directe 3b. La désamidation 4. Le cycle de l'urée 5. Bilan de la synthèse de l'urée et conclusion A. ASSIMILATION DE L'AZOTE ATMOSPHÉRIQUE 1. Introduction - (schéma général) a. Les acides aminés sont tous constitués : d'une chaîne carbonée : le squelette carboné des acides aminés est fourni par des intermédiaires des grandes voies métaboliques (glycolyse, voie des pentoses phosphate et cycle de Krebs) ; d'un groupement α-aminé et, en fonction de la chaîne latérale, de 1 ou 2 groupement(s) aminé(s) supplémentaire(s). Ces groupements aminés trouve leur origine dans l'ammoniac : NH . L'ammoniac résulte elle-même de la fixation de l'azote de l'atmosphère (et de3 dérivés oxydés de l'azote) par des micro-organismes en symbiose ou non avec certaines plantes. b. Les protéines sont continuellement synthétisées et dégradées à une très grande vitesse. Cette dégradation aboutit aux acides aminés, mais ces acides aminés ne sont pas ré-utilisés pour synthétiser de nouvelles protéines. c. Le produit de dégradation des groupements aminés des protéines est une molécule capitale 1 of 12 10/05/04 18:12Cours Cycle azote metabolisme acides amines uree urea Enseignement et re... http://ead.univ-angers.fr/~jaspard/Page2/COURS/2N2NH3aaetUree/1N2N... dans l'élimination de l'ammoniac, initialement introduit dans les acides aminés : il s'agit de l'urée, fabriquée au cours d'un cycle qui porte son nom. d. Enfin, les excréments de toutes sortes et les cadavres animaux et végétaux sont décomposés par des bactéries dites dénitrifiantes, qui vont reformer de l'azote gazeux que l'on retrouve dans l'atmosphère. La boucle est ainsi bouclée. 2. Nitrogénase ; Nitrate et nitrite réductases ; Ferrédoxine. Nous allons commencer par l'étude de la réduction de l'azote gazeux en ammoniac, ce que l'on appelle la fixation de l'azote. L'azote N représente 80% des gaz de l'atmosphère. C'est un gaz extrémement stable dont2 -1l'énergie libre de la triple liaison entre les atomes d'azote est de 225 kcal.mol , ce qui explique le coût élevé de la fabrication d'engrais chimique du fait que le procédé utilisé qui est la réduction directe de N par H , nécessite beaucoup d'énergie : 2 2 La réaction est : -1N + 3 H <===> 2 NH ΔG' = + 147 kcal.mol2 2 3 Avec les conditions : température = 500°C / pression = 300 atm / fer = catalyseur Comment l'azote atmosphérique est-il assimilé par les organismes ? 2a. Le système nitrogénase : Certaines plantes (notamment les légumineuses) vivent en symbiose avec des micro-organismes procaryotes, qui sont seuls capables de fixer l'azote atmosphérique. Ces micro-organismes, par exemple les bactéries Rhizobium, possèdent un ensemble de gènes qui codent pour un système que l'on appelle le système nitrogénase. Le système nitrogénase est un assemblage de 3 protéines : 1. la nitrogénase proprement dite qui est un tétramère de 220 kDa (2 x 51 kDa et 2 x 59 kDa) (scrs : Nitrogénase / Image.jpg) : chaque monomère contient un centre [4 Fe - 4 S] ; ce tétramère est associé à un cofacteur protéïque qui contient 8 Fe et 2 atomes de molybdène (Mo) ; en conséquence, la nitrogénase fonctionnelles contient: 5 sous-unités ; 24 Fe ; 32 S et 2 Mo. 2. une réductase qui est un dimère de 60 kDa (2 x 30 kDa), le dimère contenant un centre [4 Fe - 4 S]. 3. la ferrédoxine chez les bactéries symbiotiques ou une flavodoxine à FAD chez les bactéries libres. C'est la protéine transporteuse des électrons du fer vers le molybdène. Le mécanisme supposé de la réduction de l'azote en ammoniac par le système nitrogénase est le suivant : Le mécanisme de transfert des électrons entre les protéines du système nitrogénase met en jeu des états réduits et oxydés de ces protéines. La réaction globale , irréversible, catalysée par le système nitrogénase, est la suivante : 2 of 12 10/05/04 18:12Cours Cycle azote metabolisme acides amines uree urea Enseignement et re... http://ead.univ-angers.fr/~jaspard/Page2/COURS/2N2NH3aaetUree/1N2N... + - + -N + (6 H + 6 e ) + 6 ferrédoxine réduite + (2 H + 2 e ) + 2 ferrédoxine réduite + 122 ATP + 12 H2O --------> 2 NH + H + 8 ferrédoxine oxydée + 12 ADP + 12 P3 2 i On constate que cette réaction est extrêmement coûteuse en énergie puisque 12 molécules d'ATP sont consommées par molécule d'azote réduit. Le rôle de l'ATP est le suivant : l'association de la réductase avec la nitrogénase ne peut se faire que si la réductase subit un changement de conformation quand elle est dans l'état réduit ; ce changement de conformation, induit par la fixation de l'ATP à la réductase, entraîne une diminution du potentiel rédox dans les conditions standard (cf. cours "Réactions d'oxydo-réduction - Potentiel de réduction") de la réductase : E ' passe de - 0,29 V à - 0,40 0 V ; cette augmentation du pouvoir réducteur permet à la réductase de transférer les électrons à la nitrogénase. 2b. La nitrate et la nitrite réductases : L'autre mode d'assimilation de l'azote est indirect puisque en premier lieu, les décharges à haut potentiel électrique de la foudre catalysent l'oxydation de N par l'oxygène atmosphérique et l'on2 - -aboutit à la formation d'oxyde d'azote: les ions nitrate NO ou nitrite NO . Ces ions sont ensuite 3 2 ramenés au sol par les pluies. Puis deux enzymes interviennent : une nitrate réductase qui catalyse la réaction suivante : une nitrite réductase qui catalyse la réduction du nitrite en ammoniac selon le mécanisme supposé suivant: 2c. La ferrédoxine (scrs : Ferrédoxine / Image.jpg) intervient dans les deux cas comme donneur - accepteur d'électrons (structure cristallographique / fichiers MMDB et PDB / banque de données) : elle les échange avec le NAD ou NADP (selon le micro-organisme) dans le cas de la nitrate réductase ; elle a l'un des potentiels rédox dans les conditions standard le plus faible : E ' = - 0,43 V0 (rappel : E ' = - 0,41 V !) ;0 (2H+ / H2) elle est composée de 97 acides aminés, de masse molaire 10,7 kDa ; elle est aussi impliquée dans les transferts d'électrons qui ont lieu lors de la photosynthèse. Comment l'ammoniac est-il relargué des organismes ? Si l'on revient au schéma général, le relarguage d'azote gazeux est effectué par des bactéries qui transforment l'ammoniac (issus des produits d'excrétion et des cadavres) en nitrite puis celui-ci en nitrate ; c'est ce que l'on appelle la nitrification. Enfin, d'autres bactéries réduisent le nitrate en azote gazeux, c'est la dénitrification et le cycle de l'azote est fini. La conclusion de ce chapitre sur l'origine de l'azote dans les biomolécules est que la plupart des plantes dépendent de l'azote qui a déjà été fixé : 3 of 12 10/05/04 18:12Cours Cycle azote metabolisme acides amines uree urea Enseignement et re... http://ead.univ-angers.fr/~jaspard/Page2/COURS/2N2NH3aaetUree/1N2N... a. Les plantes prélèvent donc l'azote dans leur environnement soit : à partir de micro organismes avec lesquels elles vivent en symbiose ; à de tissus animaux ou végétaux en décomposition ; à partir d'engrais. b. Pour leur part, les animaux trouvent exclusivement l'azote dont ils ont besoin par leur alimentation en ingérant des tissus animaux ou végétaux. Cet aspect souligne la dépendance des animaux, et en particulier de l'homme, à leur environnement. B. PRINCIPALES VOIES DE LA SYNTHÈSE DES ACIDES AMINÉS 1. Introduction. Les acides aminés sont au nombre de 20 et l'on pourrait s'attendre à un nombre extrèmement grand de voies de biosynthèse de ces composés : en fait, la cellule a adopté une stratégie qui repose sur des mécanismes communs à plusieurs acides aminés : ainsi, l'on a des branchements à partir d'un intermédiaire commun ; par ailleurs, les acides aminés ont pour précurseurs des métabolites issus des grandes voies métaboliques comme la glycolyse, le cycle des acides tricarboxyliques, ou la voie des pentoses phosphates ; enfin, une autre caractéristique de la synthèse des acides aminés est la rétroinhibition par les produits finaux des enzymes intermédiaires et le plus souvent de l'enzyme qui catalyse la première étape commune à un groupe d'acides aminés. La plupart des chimiotrophes, et les mammifères en particulier, ne peuvent synthétiser que 10 des 20 acides aminés : ces acides aminés sont dits non-essentiels (ne). Pour les 10 autres acides aminés, soit ils ne possèdent pas les enzymes qui les catalysent, soit ceux-ci sont synthétisés en quantité trop minime pour le bon fonctionnement de l'organisme. Ces 10 acides aminés sont dits essentiels (e) et doivent être apportés par l'alimentation. A l'inverse, les plantes et un b