Fonctions des protéines. Croissance Maintenance : Les protéines font partie
intégrante de la plupart des structures (peau, tendons, membranes, muscles, ...
Claire Gaudichon, UMR Physiologie de la Nutrition et du Comportement Alimentaire, INA-PG, Paris
Fonctions des protéines Croissance Maintenance : Les protéines font partie intégrante de la plupart des structures (peau, tendons, membranes, muscles, organes, os). Elles assurent la croissance et la réparation des tissus Enzymes : Les protéines facilitent les réactions chiniques Hormones : Les protéines régulent les processus métaboliques (la plupart des hormones sont des protéines) Anticorps : Les protéines inactivent les invasions étrangèrens, et protègent ainsi l’organisme des maladies Fluides et electrolytes : Les protéines aident à maintenit le volume et la composition des fluides corporels Equilibre acido-basique : Les protéines aident à maintenir la balance acidobasiques des fluides corporel en agissant comme des tampons. Transports : Les protéines transportent les substances telles que les lipides, vitamines, minéraux, l’oxygène. Substrat énergétique : Les protéines peuvent aussi servir de réserve énergétique pour les besoins de l’organisme
Structure des Acides Aminés Clycine H
Structure des Protéines • Primary structure-peptide linkages produce long chains that constitute primary structure. • Secondary structure-results from the springlike coiling of the peptide chain as a result of Hydrogen bonds. • Tertiary structure-secondary coils of peptide chains may fold back on themselves to form compact, globular structure. • Quaternary structure-globular proteins combine with others. • The shape of proteins enable them to perform different tasks.
Schéma global et simplifié du métabolisme protéique
Apports alimentaires 80g protéosynthèse
Turnover 250g
Acides aminés libres
Protéines corporelles 10 kg
protéolyse desamination transamination
Kéto-acides
NH2
80g oxydation
CO2
Glucose, corps cétoniques, lipides
SYNTHESE PROTEIQUE
- Phénomènes traductionnels et transcriptionnels - Les vitesses de synthèse sont variables entre les protéines
DEGRADATION PROTEIQUE
Elle fournit 75% des acides aminés de l'organisme. Système lysosomal cathepsines (milieu acide) protéines intracellulaires à 1/2 vie longue membranes cellulaires protéines extracellulaires
Enzymes protéolytiques Système calpaïne-calpastatine 2 calpaïnes cytosoliques protéines du cytosquelette Protéasome complexe enzymatique protéines préalablement ubiquitinées myofibrilles musculaires
Urée produit principal du catabolisme protéique Nitrogen is waste product of AA metabolism 10-15 g of nitrogen excreted/d - healthy urine Mostly urea, ammonia, free AA & creatinine Nitrogen in Urine Urea
g/nitrogen/24 hr 12.9
Ammonia AA Creatinine Uric Acid Hippuric acid
0.7 0.7 0.65 0.3 0.05
Total
15.30
1 N from NH4
Urée
1 N from aspartate C from CO2
NH2-------C-------NH2 O Soluble Peu toxique
Cost: 4 ATP/cycle
Cycle de l’Urée
Catabolisme des acides aminés Perte irréversible du squelette carboné
COOH R1 CH
SCoA
CO2
NH2
R1 CH
NH2 COOH R1 CH O
O Transamination COOH
OU R2 CH
NH2 COOH
COOH R2 CH
R1 CH NH2
O
FOIE glucose
NH4
glucose
pyruvate
alanine UREE
MUSCLE
pyruvate
alanine BCAA
NH4 glutamine
céto-acide
aa
céto-acide α-cétoglutarate
glutamate
glutamine
Protéines alimentaires
valine isoleucine leucine
80-100g
NH2
acides aminés
aa
aa
alanine glutamine
Veine porte
aa aa
aa
urée
glutamine
300g
urée aa
protéines
urée Pertes fécales 8-10g
Pertes urinaires 80-100 g
Les principaux systèmes biochimiques et physiologiques qui participent au maintien de l'homéostasie des protéines corporelles et des acides aminés sont : - La synthèse protéique
Protéines
- Le catabolisme protéique Catabolisme - Le catabolisme oxydatif des acides aminés - La synthèse des acides aminés non essentiels
Synthèse
Acides aminés Ingestion
Oxydation
synthèse de novo
NH3
- L'ingestion d'acides aminés exogènes
Urée et CO2
Squelette Carboné
Principes d ’études du métabolisme protéique
traceur
Protéines alimentaires protéolyse
intestin foie
traceur
Protéines corporelles
AA sanguins
Mesure du métabolisme des protéines alimentaires
muscle
peau rein
protéosynthèse
Pertes protéiques
Mesure du métabolisme des protéines totales
TRACEURS Marqueurs Chimiques
Isotopes radioactifs
Isotopes stables
Radiations
Pas de Radiations
Innocuité
Souvent trop longue 14C ou trop courte 13N
Adéquate en métabolisme
Demi-vie
Coûteux
Très Coûteux
Coût Produit
Moyennement Coûteux
Très Coûteux
Coût Appareillage
Emploi Aisé
Emploi Délicat
Emploi
+ coût élimination
Traceurs utilisés pour les acides aminés
R
15N
2H
13C
Flux des acides aminés dans l ’organisme
F Ra *
*
* * * ** * ** * * * * * * Ep * * **
Apports Alimentaires
Rd *
80g
Acides aminés sanguins 100g
Ra: vitesse d ’apparition du tracé dans le pool = production endogène (P) + apport exogène (I)
Ep
Synthèse 250g Dégradation
Protéines Corporelles 10 kg
80g
Rd: vitesse de disparition du tracé du pool A l ’équilibre, Ra=Rd F: vitesse d ’infusion du traceur dans le pool Ra=F/Ep Ep: enrichissement du tracé en traceur à l ’équilibre
Procédures d'utilisation des traceurs * Par voie orale (souvent 15N ou 13C) - dose de traceur pur - traceur incorporé intrinsèquement dans l'aliment - délivré par sonde gastrique ou intestinale •Par voie intraveineuse (souvent 13C ou 2H) * Administration continue mesure des concentrations du traceur dans le pool * Administration en bolus mesure de la vitesse de disparition du traceur dans le pool
INTERPRETATION DES CINETIQUES D ’ENRICHISSEMENT DANS UN POOL UNIQUE
Cas d’une infusion continue du traceur dans le pool La cinétique d ’enrichissement est du type Et=b(1-e-kt)
ENRICHISSEMENT
Eb: enrichissement au plateau isotopique =F/VC.k k: constante d ’élimination On peut en déduire
Eb
Ra=F/Eb Taille du pool=VC=F/Eb.k Renouvellement du pool=1/k TEMPS
Mesurer les taux des synthèse protéique Apports Alimentaires
Traceur * Synthèse Acides aminés sanguins
Flooding dose
250g Dégradation
Perfusion continue
*
organe
h* h h * h h *h
FSR (% jour)= (Eprotéine/Epool précurseur)x24x60/temps d’incorporation (min) (Taux fractionnaire de renouvellement protéique en % du pool)
Nécessite d’avoir accès à l’organe ou de travailler indistinctement sur l’ensemble des protéines corporelles
*
*
*
Concentration
Concentration en Leucine marquée
Vitesse de renouvellement des protéines
Temps Début de perfusion du traceur
Exemple de calcul pratique
Prélèvements à l ’état stationnaire
Soit débit du traceur de 0.05 micromole/minute et un rapport leucine*/leucine de 0.04 (4%) Production de leucine = 0.05 / 0.04 = 1.25 micromole / minute (F / Eb) Pour extrapoler au renouvellement protéique du corps entier Soit leucine = poids moléculaire 131g, 8% des acides aminés, poids corporel = 70 kg Renouvellement protéique = 1.25 * 131 * (1/0.08) * 70 * 60 * 24 * 1 000 000 = 200g
Taux de synthèse fractionnaire des protéines tissulaires chez des rats soumis à un régime normoprotéique ou hyperprotéique
Foie
Muq. intestinale 250
180
Effet régime
150
200
120
150
%/j
%/j
Effet régime
100
90 60
50
30
0
0
NP
HP
NP
Rein 120
Muscle
Effet régime
25
100
20 %/j
%/j
80 60
15 10
40
5
20 0 Bos et al, 2004
HP
0
NP
HP
NP
HP
À jeun À l’état nourri
Mesurer les taux de dégradation protéique Apports Alimentaires
Perfusion continue à l’état stationnaire
Traceur 13C *
* * Acides aminés *
sanguins
Q= Ra =Rd Soit Q = apport + dégradation = synthèse + oxydation
Nécessite de travailler à l’état stationnaire
Synthèse 250g Dégradation
* Protéines corporelles
h* h h * h h *h
*
Oxydation (13CO2)
*
Effet de régimes à base de protéines végétales ou animales sur les flux de synthèse et de dégradation chez des femmes âgées
Synthèse et dégradation protéique
% of du flux total
80 Régime animal Régime végétal
60
40
* 20
0
Synthèse
dégradation from Pannemans et al 1998
Autres méthodes de mesure de la dégradation protéique: Incubation ex vivo d’un organe Traceur dans le milieu d’incubation
* * * *
*
*
* * *
Mesure de la 3 - méthylhistidine
Mesure de la dilution du traceur
MUSCLE Actine-myosine CH3-HIS
3-MeHis
Balenine
Acides Aminés
Acides Aminés
3 MetHist
INTESTIN
KIDNEY Urée LIVER 3 MetHist
PEAU
La 3 Méthylhistidinurie L ’excrétion de 3MH est proportionnelle à la masse myofrillaire musculaire. La 3MH permet l ’expression du catabolisme myofibrillaire et non de la masse musculaire Pour normaliser les mesures on doit rapporter les mesures de 3MH à la créatinurie L ’alimentation carnée apportant de la 3MH exogène, il faut supprimer ce type d ’alimentation 3 jours avant les mesures Il faut tenir compte d’autres sources endogènes de 3MH que celle des muscles striés.
Gradient Artério-Veineux La variation des concentrations en acides aminés au cours du passage à travers un organe peut fournir une estimation du gain ou de la perte protéique à travers ce tissu. Ainsi dans la cas du muscle, pour des acides aminés tels que la phénylalanine, tyronise, lysine (pas leucine) le gradient artério-veineux reflète la synthèse et la dégradation des protéines dans leur ensemble. - Dosage doit être couple à la mesure du débit sanguins - limites de précision liée a la faiblesse du gradient A/V - Bilan limité à l’organe étudié - Problème pratique en clinique : catéthérisation de l’artère pénétrant dans l’organe ou le tissu.
Principe de la mesure du gradient ARTERIO-VEINEUX VEINE
ARTERE FLUX SANGUIN
13C aa
ACIDE AMINE-2
13C PROTEINES
ACIDE AMINE-1
13C
Méthodes moléculaires pour étudier la régulation des voies de synthèse et de dégradation AA indispensables (en particulier Leu)
Insuline/autres facteurs de croissance
(êê AA)
GCN2
eIF2
PKB/Akt P
eIF2B Inhibition de la protéosynthèse
mTOR P p70S6Kinase
S6
P
eIF4F
4EBP1
Activation de la protéosynthèse
P
Synthèse protéique (L6 myoblastes)
Inhibition de la synthèse (% du contrôle
% inhibition de la synthèse /milieu complet -25%
-43%
-53%
-
+
0
Protéolyse
(C2C12 myotubes) % augmentation de la protéolyse /milieu complet +14% +11%
+26%
20 40 60 80
Leu
RAP
+
+
(d’après Kimball et al 1999)
Effets partiellement additifs
+
+
(d’après Mordier et al. 2000)
Effets totalement additifs
Méthodes d’évaluation de l’apport alimentaire * Besoins en protéines et acides aminés * Qualité de l’apport protéique
Définition du besoin protéique: C ’est la prise protéique habituelle permettant de maintenir un équilibre azoté chez une personne en bonne santé et de composition corporelle normale, en bilan énergétique normal et en activité physique modérée.
Bilan nul
La méthode du bilan SORTIES
ENTREES Ingéré
bilan N (mg)
10
Urines Fécès Peau Autres Besoin adulte Besoin enfant
5 0 -5 -10
protéines ingérées (g/kg/j)
Détermination des besoins en acides aminés 13CO 2
entrées
AA 13C
Pertes
urines, fécès
Méthode du traceur lysine
Méthode du bilan
13C
5 0 -5
0
5
10
15
20
25
-10
lysine ingérée (mg/kg/j)
30
35
oxydation de
bilan N (mg)
10
40 30 20 10 0 100 58
35
30
20
12
6
lysine ingérée (mg/kg/j)
2
Mesure du métabolisme de l’azote alimentaire Application à l’étude de la qualité de l’apport Protéine 15N
S I
protéosynthèse
Acides aminés sanguins 15N
Protéines corporelles
protéolyse Urée corporelle 15N
NH3 15N
urine
D Marquage intrinsèque de la protéine avec un isotope de l ’azote ou du carbone: * protéines laitières uniformément enrichies en ou en un acide aminé 13C * protéines végétales (pois, soja, blé, algues) uniformément enrichies en 15N ou en 13C
15N
Exploration métabolique chez l’homme repas
Estomac
Protéines Protéinesplasmacorporelles corporellestiques
prot. plasmatiques RET
Intestin grêle
AA AA libres libresplasmatiques
urée
Côlon
NH4+
AA plasmatiques urée corporelle DEA
Azote urinaire
urée urinaire
(urée, NH4+…)
NH4+
urinaire
Transfert de l’azote alimentaire dans l’urée corporelle et les protéines plasmatiques après ingestion de lait ou de soja Urée corporelle
20
N exogène (% de l'ingéré
15 10 5
lait soja
0 0
10
1
2
3
4
5
6
7
8
6
7
8
Protéines plasmatiques
8 6 4 2 0 0
1
2
3
4
5
Temps (h)
Modélisation compratimentale: prédiction du transfert dynamique de l’azote alimentaire dans les compartiments azotés Protéines de lait Protéines de soja
50
* : effet du type de protéine
% de l’azote ingéré 8 h après le repas
40
*
30 20 10 0
Pertes digestives (1) et métaboliques (2)
-10
(2)
-20
(1)
-30
(2) (1)
*
Rétention splanchnique
Rétention périphérique
Conclusions Plusieurs voies d’approches du métabolisme protéique Utilisation des traceurs stables prépondérante * soit en marquant les acides aminés et les protéines corporels * soit en marquant les protéines et acides aminés alimentaires Applications nombreuses: * mesurer le turnover protéique * mesurer les flux de synthèse et de dégradation protéique * mesurer les flux d’oxydation des acides aminés * évaluer les besoins en acides aminés * suivre le devenir des acides aminés alimentaires après ingestion En fonction de: * l’état physiologique (jeune, sportif, personne âgée, enfant,sportif, …) * ou l’état pathologique (état catabolique, dénutrition, ….) * habitudes alimentaires, apports alimentaires, statut nutritionnel, ….
