METABOLISME DE L’AZOTE ET DE L’AMMONIAC

1 1 COURS DE METABOLISME Chapitre 14 Pr C. ZINSOU METABOLISME DE L azote ET DE L AMMONIAC 1 - ORIGINE ET ASSIMILATION DE L' azote - Fixation biologique de l azote Fixation non biologique de l azote 2 - ASSIMILATION DE L'AMMONIAC Glutamate d shydrog nase Glutamine synth tase Glutamate synthase 3 Transamination 4 - ORIGINE ET TRANSPORT DE L AMMONIAC Source de l ammoniac Transport de l ammoniac 5 CYCLE DE L UREE UREOGENESE A - PHASE MITOCHONDRIALE Synth se du carbamoylphosphate Synth se de la citrulline B- PHASE CYTOSOLIQUE Transfert du carbamoyle sur la citrulline. Clivage de l argininosuccinate Hydrolyse de l arginine et formation de l uree C - BILAN DU CYCLE 6 HYPERAMMONIEMIE D ficiences acquises D ficiences h rit es Toxicit de l ammoniac _____ 2 1 - ORIGINE ET ASSIMILATION DE L' azote L azote repr sente 78 % de l air et constitue la principale source de cet l ment.

2 On le trouve sous forme gazeuse ou min rale. Pour son incorporation dans les mol cules biologiques nous distinguerons deux processus : la fixation biologique, apanage uniquement des microorganismes fixateurs, et la fixation non biologique portant sur l azote min ral. Quelle que soit sa forme initiale, l azote est converti en ammoniac ou en ion ammoniac qui est transform en fonction amine ou amide. - FIXATION BIOLOGIQUE DE L azote La fixation biologique de l' azote est le processus biochimique le plus important apr s l assimilation du CO2. Elle assure la transformation de l' azote gazeux atmosph rique en ammoniac. Seuls quelques microorganismes diazotrophes sont capables d assurer ce processus, parmi lesquels on distingue - les bact ries libres vivant dans le sol (Klebsiella et Azotobacter), les cyanobact ries (algues bleu-vert) - les rhizobact ries, bact ries symbiotiques vivant en association avec les l gumineuses dans des structures racinaires ou caulinaires organis es appel es nodosit s.

3 Ces bact ries et certaines levures sont capables de r duire l' azote suivant la r action globale : N2 + 3 H2 2 NH3 G '= - 33,5 kJ/mol La fixation biologique de l' azote se d roule 25 C et est catalys e par un complexe enzymatique : la Nitrog nase/Hydrog nase. La r action, r alis e par les fixateurs biologiques, exige - 8 lectrons et 8 protons pour la r duction, - et 16 ATP pour la fourniture de l' nergie d'activation. La r action globale devient : N2 + 8 e + 8 H+ 16 ATP 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi La formation de l ammoniac s'accompagne toujours de celle d'hydrog ne. Les lectrons proviennent : - de NADH,H+ou/et FADH2 fournis par les processus cataboliques (cycle de Krebs, -oxydation des acides gras, etc.)

4 - de la ferr doxine ou/et de NADPH,H+ form au cours de la photophosphorylation acyclique. Le complexe enzymatique de Nitrog nase/Hydrog nase est constitu de 2 prot ines. - La premi re est une r ductase (encore appel e nitrog nase 1) et renferme 2 sous-unit s identiques. Elle contient du fer et se comporte comme une r ductase (64 kDa). Pour chaque lectron r cup r du donneur et c d la nitrog nase il y a consommation de 2 liaisons phosphates riches en nergie (2 ATP). 3 - La seconde est la nitrog nase (nitrog nase 2), organis e en 2 sous-unit s identiques et en 2 sous-unit s identiques. Sous forme t tram rique 2 2, elle re oit les lectrons de la r ductase pour r duire l azote atmosph rique.

5 Figure 1 : Fixation biologique de l azote par le complexe Nitrog nase/Hydrog nase. Pour chaque lectron fourni par l interm diaire de la r ductase la nitrog nase pour la r duction de l azote il y a consommation de 2 liaisons phosphates riches en nergie (2 ATP). Une mol cule de H2 est form e en m me temps que celle de l ammoniac. Dans le cas de la symbiose Rhizobium-l gumineuse, l activit symbiotique - met en place des structures racinaires ou caulinaires organis es appel es nodosit s (de pr f rence nodules), o sont h berg es les bact ries fixatrices. - assure, dans les nodosit s, la formation d une prot ine sp cifique appel e legh moglobine.

6 Dans cette mol cule la partie globine est synth tis e par la plante et la partie h me par le Rhizobium. La fonction de la legh moglobine est de maintenir la pression de l oxyg ne un niveau assez bas dans l environnement de l enzyme, compatible avec le fonctionnement de la fixation de l azote . Le complexe enzymatique Nitrog nase/Hydrog nase est tr s sensible l oxyg ne. En conclusion les organismes sup rieurs d pendent de l' azote fix par l'activit r ductrice des bact ries. FIXATION DE L azote MINERAL La majeure partie de l azot atmosph rique, retrouv e dans les organismes sup rieur, est due la fixation biologique bact rienne.

7 Elle repr sente environ 60 % de l azote total fix . Le rayonnement ultraviolet et la foudre contribuent pour 15 %. Le reste provient de l industrie des engrais. On retrouve dans le sol, apport s sous forme de fertilisants min raux, ou r sultant de la min ralisation des diff rents compos s organiques, de l azote sous trois formes : nitrate (NO3-), nitrite (NO2-) et ion ammonium (NH4+). La r duction des nitrates et des nitrites, assur e par les microorganismes et les plantes, conduira aussi la formation d ammoniac ou d ion ammonium qui sera assimil comme l ammoniac issu directement de la fixation biologique. Deux enzymes importantes interviennent : la nitrate r ductase et la nitrite r ductase.

8 Fe3+ R ductase Ferr doxine R d. (x8) Mo-Fe (r duit) Nitrog nase Ferr doxine Ox. (x8) Fe2+ Mo-Fe (Ox) N2+ 8H+ 2 NH3+ H2 2 ATP (x8) 8e 2 ADP+ 2 Pi (x8) 4 R duction des nitrates Bien que l ion ammonium soit directement utilisable par la plante, c est sous la forme nitrate que l azote est pr f rentiellement absorb . Il subit alors une s quence de r duction qui conduit le nitrate l ion ammonium. La premi re enzyme qui intervient est la nitrate r ductase. C est une flavo-m tallo-prot ine cytoplasmique, dont le potentiel de r duction standard est E = + 0,46 V. Dans la racine les lectrons n cessaires la r duction sont apport s par le NADPH,H+ ou le NADH,H+.

9 Cette r action est inhib e par le NH4+ et stimul e par le NO3-. L enzyme est sensible la lumi re et aux hormones (cytokinines). La r action catalys e est : NO3- + NAD(P)H,H+ NO2- + NAD(P)+ + H2O Le nitrate est r duit en nitrite. R duction des nitrites Le nitrite rentre dans une s quence de r action dont le produit final est l ion ammonium. L enzyme qui intervient est la nitrite r ductase qui est une m tallo-prot ine contenant du fer. Dans le stroma, le donneur des lectrons est la ferr doxine ou le NADPH,H+. La r action globale catalys e est : NO2- + 7/2 NADPH,H+ + H+ NH4+ + 7/2 NADP+ + 2 H2O Les plantes pr f rent absorber l ion NO3- et en assurer elles-m mes la r duction. 2 - ASSIMILATION DE L'AMMONIAC L ammoniac, qu il d rive de la fixation biologique de l azote atmosph rique, de la r duction des nitrates ou des nitrates ou de l absorption directe de l ion ammonium, est toxique pour l organisme.

10 Il sera transform en fonction amine ou amide non toxique. On parle alors de l assimilation de l ammoniac. Trois enzymes interviennent : la glutamate d shydrog nase, la glutamine synth tase et la glutamate synthase (GOGAT : glutamine 2-oxogjutarate aminotransf rase). GLUTAMATE DESHYDROGENASE L'assimilation de l'ammoniac est r alis e dans tous les organismes par une enzyme allost rique : la glutamate d shydrog nase. On la rencontre dans les mitochondries et dans les chloroplastes. Elle utilise aussi bien le NADPH,H+ que le NADH,H+. Elle catalyse : COO- COO- | | CH2 CH2 | | CH2 + NH4+ + NAD(P)H,H+ CH2 + NAD(P)+ + H2O | | C=O CHNH3+ | | COO- COO- 5 La r action est r versible.