24.4 Métabolisme des protéines

Une grande partie du corps est constituée de protéines, et celles-ci prennent une myriade de formes. Elles représentent des récepteurs de signalisation cellulaire, des molécules de signalisation, des éléments structurels, des enzymes, des composants de trafic intracellulaire, des échafaudages de la matrice extracellulaire, des pompes ioniques, des canaux ioniques, des transporteurs d'oxygène et de CO₂ (hémoglobine). Et ce n'est même pas la liste complète ! Il y a des protéines dans les os (collagène), les muscles et les tendons ; l'hémoglobine qui transporte l'oxygène ; et des enzymes qui catalysent toutes les réactions biochimiques. Les protéines sont également utilisées pour la croissance et la réparation. Au milieu de toutes ces fonctions nécessaires, les protéines ont aussi le potentiel de servir de source de carburant métabolique. Les protéines ne sont pas stockées pour une utilisation ultérieure, de sorte que les protéines en excès doivent être converties en glucose ou en triglycérides, et utilisées pour fournir de l'énergie ou constituer des réserves énergétiques. Bien que le corps puisse synthétiser des protéines à partir d'acides aminés, la nourriture est une source importante de ces acides aminés, d'autant plus que les humains ne peuvent pas synthétiser les 20 acides aminés utilisés pour construire les protéines.

La digestion des protéines commence dans l'estomac. Lorsque des aliments riches en protéines pénètrent dans l'estomac, ils sont accueillis par un mélange de l'enzyme pepsine et d'acide chlorhydrique (HCl ; 0,5 %). Ce dernier produit un pH environnemental de 1,5 à 3,5 qui dénature les protéines contenues dans les aliments. La pepsine coupe les protéines en polypeptides plus petits et en leurs acides aminés constitutifs. Lorsque le mélange aliments-suc gastrique pénètre dans l'intestin grêle, le pancréas libère du bicarbonate de sodium pour neutraliser le HCl. Cela aide à protéger la muqueuse de l'intestin. L'intestin grêle libère également des hormones digestives, notamment la sécrétine et la CCK, qui stimulent les processus digestifs pour décomposer davantage les protéines. La sécrétine stimule également le pancréas à libérer du bicarbonate de sodium. Le pancréas libère la plupart des enzymes digestives, y compris les protéases trypsine, chymotrypsine et élastase, qui facilitent la digestion des protéines. Ensemble, toutes ces enzymes décomposent les protéines complexes en acides aminés individuels plus petits (Figure 24.17), qui sont ensuite transportés à travers la muqueuse intestinale pour être utilisés pour créer de nouvelles protéines, ou pour être convertis en graisses ou en acétyl-CoA et utilisés dans le cycle de Krebs.

Figure 24.17 Enzymes et hormones digestives Les enzymes de l'estomac et de l'intestin grêle décomposent les protéines en acides aminés. Le HCl dans l'estomac aide à la protéolyse, et les hormones sécrétées par les cellules intestinales dirigent les processus digestifs.

Afin d'éviter de décomposer les protéines qui constituent le pancréas et l'intestin grêle, les enzymes pancréatiques sont libérées sous forme de proenzymes inactives qui ne sont activées que dans l'intestin grêle. Dans le pancréas, les vésicules stockent la trypsine et la chymotrypsine sous forme de trypsinogène et de chymotrypsinogène. Une fois libérée dans l'intestin grêle, une enzyme présente dans la paroi de l'intestin grêle, appelée entérokinase, se lie au trypsinogène et le convertit en sa forme active, la trypsine. La trypsine se lie ensuite au chymotrypsinogène pour le convertir en chymotrypsine active. La trypsine et la chymotrypsine décomposent les grandes protéines en peptides plus petits, un processus appelé protéolyse. Ces peptides plus petits sont catabolisés en leurs acides aminés constitutifs, qui sont transportés à travers la surface apicale de la muqueuse intestinale par un processus médiatisé par des transporteurs sodium-acides aminés. Ces transporteurs se lient au sodium et ensuite à l'acide aminé pour le transporter à travers la membrane. À la surface basale des cellules muqueuses, le sodium et l'acide aminé sont libérés. Le sodium peut être réutilisé dans le transporteur, tandis que les acides aminés sont transférés dans la circulation sanguine pour être transportés vers le foie et les cellules de tout le corps pour la synthèse des protéines.

Les acides aminés disponibles sont utilisés pour créer des protéines. Si les acides aminés sont en excès, le corps n'a aucune capacité ni mécanisme pour les stocker ; ainsi, ils sont convertis en glucose ou en corps cétoniques, ou ils sont décomposés. La décomposition des acides aminés produit des hydrocarbures et des déchets azotés. Cependant, des concentrations élevées de sous-produits azotés sont toxiques. Le cycle de l'urée traite l'azote et facilite son excrétion par le corps.

Cycle de l'urée

Le cycle de l'urée est un ensemble de réactions biochimiques qui produit de l'urée à partir d'ions ammonium afin de prévenir un niveau toxique d'ammonium dans le corps. Il se produit principalement dans le foie et, dans une moindre mesure, dans le rein. Avant le cycle de l'urée, les ions ammonium sont produits à partir de la dégradation des acides aminés. Dans ces réactions, un groupe amine, ou ion ammonium, de l'acide aminé est échangé avec un groupe céto sur une autre molécule. Cet événement de transamination crée une molécule nécessaire au cycle de Krebs et un ion ammonium qui entre dans le cycle de l'urée pour être éliminé.

Dans le cycle de l'urée, l'ammonium est combiné avec le CO₂, ce qui donne de l'urée et de l'eau. L'urée est éliminée par les reins dans l'urine (Figure 24.18).

Figure 24.18 Cycle de l'urée L'azote est transaminé, créant de l'ammoniac et des intermédiaires du cycle de Krebs. L'ammoniac est traité dans le cycle de l'urée pour produire de l'urée qui est éliminée par les reins.

Les acides aminés peuvent également être utilisés comme source d'énergie, en particulier en période de famine. Étant donné que le traitement des acides aminés entraîne la création d'intermédiaires métaboliques, notamment le pyruvate, l'acétyl-CoA, l'acétoacétyl-CoA, l'oxaloacétate et l'α-cétoglutarate, les acides aminés peuvent servir de source de production d'énergie via le cycle de Krebs (Figure 24.19). La Figure 24.20 résume les voies du catabolisme et de l'anabolisme des glucides, des lipides et des protéines.

Figure 24.19 Énergie provenant des acides aminés Les acides aminés peuvent être décomposés en précurseurs pour la glycolyse ou le cycle de Krebs. Les acides aminés peuvent entrer dans le cycle par plus d'une voie.

Figure 24.20 Voies cataboliques et anaboliques Les nutriments suivent une voie complexe, de l'ingestion à la production d'énergie, en passant par l'anabolisme et le catabolisme.

Troubles de...

Métabolisme : Déficience du complexe pyruvate déshydrogénase et Phénylcétonurie

La déficience du complexe pyruvate déshydrogénase et la phénylcétonurie sont des troubles génétiques. La pyruvate déshydrogénase est l'enzyme qui convertit le pyruvate en acétyl-CoA, la molécule nécessaire pour démarrer le cycle de Krebs et produire de l'ATP. Avec de faibles niveaux du complexe pyruvate déshydrogénase, le taux de cyclage à travers le cycle de Krebs est considérablement réduit. Cela entraîne une diminution de la quantité totale d'énergie produite par les cellules du corps. La déficience en PDC entraîne une maladie neurodégénérative dont la gravité varie en fonction des niveaux de l'enzyme PDC. Elle peut provoquer des anomalies du développement, des spasmes musculaires et la mort. Les traitements peuvent inclure la modification du régime alimentaire, la supplémentation en vitamines et la thérapie génique ; cependant, les dommages au système nerveux central ne peuvent généralement pas être inversés.

La PKU touche environ 1 naissance sur 15 000 aux États-Unis. Les personnes atteintes de PKU manquent d'une activité suffisante de l'enzyme phénylalanine hydroxylase et sont donc incapables de décomposer adéquatement la phénylalanine en tyrosine. De ce fait, les niveaux de phénylalanine augmentent jusqu'à des niveaux toxiques dans le corps, ce qui entraîne des dommages au système nerveux central et au cerveau. Les symptômes comprennent un retard de développement neurologique, une hyperactivité, une déficience intellectuelle, des crises d'épilepsie, des éruptions cutanées, des tremblements et des mouvements incontrôlés des bras et des jambes. Les personnes enceintes atteintes de PKU courent un risque élevé d'exposer le fœtus à trop de phénylalanine, qui peut traverser le placenta et affecter le développement fœtal. Les bébés exposés à un excès de phénylalanine in utero peuvent présenter des malformations cardiaques, une déficience physique et/ou intellectuelle, et une microcéphalie. Chaque nourrisson aux États-Unis et au Canada est testé à la naissance pour déterminer si la PKU est présente. Plus un régime alimentaire modifié est commencé tôt, moins les symptômes seront graves. La personne doit suivre de près un régime strict pauvre en phénylalanine pour éviter les symptômes et les dommages. La phénylalanine se trouve en fortes concentrations dans les édulcorants artificiels, y compris l'aspartame. Par conséquent, ces édulcorants doivent être évités. Certains produits animaux et certaines féculents sont également riches en phénylalanine, et l'apport de ces aliments doit être soigneusement surveillé.