Cours 9 Flashcards
Comment pouvons-nous assimiler l’azote?
L’azote fait partie de plusieurs composés d’importance biologique comme les acides aminés, les nucléotides et les vitamines. 70% de l’air que nous respirons c’est de l’azote. Par contre, nous ne pouvons pas l’utiliser tel quel, car la molécule d’azote est très stable a cause d’une triple liaison entre les 2 atomes.
Pour assimiler l’azote il faut le convertir en ammoniac. À noter que la réaction de réduction de l’azote est favorable du point de vue thermodynamique.
Par contre, l’énergie d’activation est tellement élevée que la réaction ne peut pas procéder en conditions physiologiques. Il faut un catalyseur spécial, présent seulement dans quelques espèces de bactéries.
Il faut le convertir en ammoniac
N2 + 3H2 = 2NH3 DG = -33 kJ/mole
Réaction favorable
Comment l’azote est-il fixé anaérobiquement?
N2 + 8H+ + 8e- +16ATP –> 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi
- 90% de l’azote fixé
- Remarque : processus très énergivore (>16 ATP !)
- Nécessite un agent réducteur fort: ferredoxine ou flavodoxine
- requiert des conditions anaérobiques strictes
L’hydrolyse d’ATP n’est pas requise pour favoriser la réaction de réduction de l’azote du point de vue thermodynamique. L’énergie est utilisée pour acheminer les électrons de la partie réductase à la partie dinitrogénase
L’azote utilisé par les cellules vivantes vient alors de la conversion de N2 en NH3, un processus connu comme fixation de l’azote. 90% de NH3 fixé viens de bactéries qui possèdent l’enzyme nitrogénase. Cette enzyme utilise un système de transport des e- pour réduire l’azote. L’enzyme a besoin d’énergie malgré le DeltaG négatif de la réaction. L’énergie est requise pour le processus de transport des électrons vers l’azote entre les 2 sous-unités de l’enzyme. La source des électrons est la ferrédoxine (voir photosynthèse). La nitrogénase utilise des centres Fe-S (Fer-Soufre) et Fe-Mo (Fer-Molybdène) comme transporteur des électrons. L’enzyme a besoin des conditions anaérobiques strictes. Si la nitrogénase fixe 90% de l’azote, d’où vient le reste? La foudre peut aussi catalyser la conversion de N2 en NH3.
Quelles sorte de bactéries fixent l’azote?
a) Bactéries anaérobiques du sol (Klebsiella, Azobacter)
b) Bactéries aérobiques (Rhizobium) en symbiose avec des racines de légumineuses (leghémoglobine
pour conditions anaérobiques)
c) Produisent plus de NH3 que la plante en a besoin (enrichit le sol)
Il y a deux sortes de bactéries qui fixent l’azote : les bactéries anaérobiques du sol et les bactéries en symbiose avec les plantes comme le rhizobium. Les bactéries en symbiose prennent des sucres des plantes et leurs redonnent l’azote. La plante protège aussi les bactéries de l’oxygène à travers la leghémoglobine, une protéine qui contient le groupe hème comme la Hb. À noter que les bactéries en symbiose donnent aussi du NH3 au sol. Les bactéries qui fixent l’azote dans les nodules de racines de petits pois par exemple consomment près de 20 % de l’ATP produite par la plante (bcp)
Quelle est l’utilisation industrielle de la fixation d’azote?
La fixation industrielle d’azote permet aujourd’hui d’augmenter les rendements de l’agriculture. Le processus consomme 2% de l’énergie produite par l’homme et utilise des températures de 300°C à 500°C et des pressions de plus de 300 atm afin de casser la triple liaison entre les deux atomes d’azote. 100 millions de tonnes/année du NH3 sont produits par ce processus découvert par Fritz Haber. Pour de nombreux spécialistes, le processus de Haber a permis de nourrir la population de la planète, passée au XXe siècle d’un milliard et demi à plus de six milliards d’habitants. Avant, l’humanité utilisait des engrais organiques comme le guano, le salpêtre (nitrate de potassium), salpêtre du Chili (nitrate de sodium), et le fumier.
Quelles sont les conséquences pour l’environnement de l’utilisation de la fixation d’azote industriellement?
Avez-vous entendu parler des zones mortes? Dans les estuaires des fleuves en Amérique du nord, Europe et Asie, l’excès d’engrais fait pousser des algues qui consomment l’oxygène et ne laissent pas d’autres organismes survivre. Plusieurs pensent à un retour à l’agriculture ancienne. D’autres, à une nouvelle révolution agricole : si l’on peut conquérir les secrets de la nitrogénase…
Eutrophiation des eaux
Quel est le cycle de l’azote?
La fixation de l’azote faite par des bactéries, la foudre ou le processus de Haber est juste la première étape d’un cycle qui contrôle le destin de l’azote dans notre planète: le cycle de l’azote.
Le cycle de l’azote décrit la succession des modifications subies par l’azote neutre de l’air en formes réactives et vice versa.
1) La fixation de l’azote en ammoniac rend l’azote disponible pour les êtres vivants (1).
2) La nitrification, une réaction d’oxydation faite par les bactéries, convertit l’ammoniac en nitrites (NO2) et nitrates (NO3) (Nitrosomonas et Nitrosococcus pour les nitrites et Nitrosobacter pour le nitrate).
3) La Dénitrification est le processus inverse, où les nitrates et nitrites sont réduits en azote. La dénitrification est importante dans les usines de dépollution des eaux usées.
4) L’assimilation est le processus utilisé par la plupart des plantes et autres microorganismes pour obtenir l’azote. Ils vont réduire les nitrates du sol en nitrites (nitrate réductase) puis les nitrites en ammoniac (nitrite réductase). L’incorporation de l’ammoniac aux molécules organiques implique l’attachement de l’azote à un atome de carbone. Ce processus est connu comme organification. On distingue l’azote inorganique de l’azote organique. À noter qu’il y a 2 sortes de plantes, 1) en symbiose qui utilisent l’ammonium des bactéries et 2) pas en symbiose qui assimilent les nitrites et nitrates du sol.
5) Finalement, l’ammonification (5) c’est la production d’ammonium à partir de matière organique en décomposition faite par les bactéries et les champignons.
Expliquez l’assimilation lors réduction des nitrates et des nitrites
Assimilation :
1- Conversion des nitrates et nitrites en NH3
2- Organification : conversion de l’azote inorganique (NH3) en composé de carbone
NO3– +NADPH, NADH
(nitrate réductase) –>
NO2 + NADPH, NADH (nitrite réductase) –> NH3 + H2O
Le nitrate est la source la plus importante d’azote pour les plantes
L’enzyme nitrate réductase catalyse le transfert des électrons entre le NAD(P)H et le nitrate.
L’enzyme nitrite réductase catalyse le transfert des électrons entre le NAD(P)H et le nitrite.
Elle est présente chez les bactéries et les plantes. Le molybdène est un cofacteur essentiel.
Le processus d’assimilation implique la réduction des nitrates et nitrites. L’enzyme nitrate réductase converti le nitrate en nitrite et la nitrite réductase converti les nitrite en NH3. Ces enzymes utilisent le NADPH come agent réducteur et le moyibdènum comme cofacteur.
Placez les processus suivants dans le bon ordre.
a) Fixation, dénitrification, nitrification.
b) Fixation, nitrification dénitrification,
c) Dénitrification, fixation, nitrification
b) Fixation, nitrification dénitrification
Lequel de ces éléments n’est pas impliqué dans la fixation de l’azote par la nitrogénase?
a) Le molybdène
b) La production d’ammoniac
c) Les conditions anaérobiques
d) La production d’énergie
d) La production d’énergie
Le processus requiert plutôt de l’énergie!
En quoi se convertit d’abord l’ammoniac du sol?
a) Nitrite
b) Urée
c) Nitrate
a) Nitrite
C’est d’ailleurs pourquoi l’étape se nomme nitrification.
Comment nomme-t-on la conversion de nitrates en azote?
a) Assimilation
b) Dénitrification
c) Excrétion
d) Ammonification
b) Dénitrification
Qu’est-ce que l’organification de l’azote?
- L’ammoniac peut être organifié (i.e. introduit au niveau des composés organiques)
via la formation de glutamate et glutamine - Rôle mineur pour l’asparagine et le carbamoyl-phosphate
- Les composés primaires azotés participent ensuite à la synthèse de nombreux autres composés organiques dont les autres acides aminés (via les aminotransférases) et les produits dérivés (neurotransmetteurs, mélanine, etc.), les purines, les pyrimidines, les sucres, les lipides aminés, les porphyrines, le groupement hème, les vitamines, les alcaloïdes, etc.
L’ammoniac est la source directe pour les composés azotés. Les réactions qui couplent l’ammoniac aux composés organiques, c’est-à-dire qui attachent l’azote aux atomes des carbones, sont décrites comme organification de l’azote. À noter que l’assimilation de l’azote inorganique en forme d’ammoniac se passe plutôt chez les plantes et les organismes unicellulaires. Les deux réactions les plus importantes pour l’organification de l’ammoniac sont la formation de glutamate et la formation de glutamine.
La formation d’asparagine et carbamoyl phosphate peuvent aussi contribuer au pool d’azote organique. Cette azote organifié sera la source pour synthétiser tous les autres produits azotés donc les acides aminés, les bases azotés, les vitamines, les neurotransmetteurs, les alcaloïdes et d’autres composés importants.
Quelles sont les 5 réactions permettant d’organifier l’ammoniac?
- Glutamine synthétase (tous les organismes)
- Glutamate synthase (chez les procaryotes et les plantes) 3. Glutamate déshydrogénase (tous les organismes)
- Asparagine synthétase (voie secondaire)
- Carbamoyl-phosphate synthétase (tous les organismes)
Il y a 5 réactions pour organifier l’ammoniac. Nous allons étudier les trois premières qui sont les plus importantes parce qu’elles produisent le glutamate et la glutamine qui sont les donneurs d’azote principaux pour la biosynthèse de composés azotés.
À noter que les herbivores obtiennent l’azote déjà organifié par les plantes ainsi que les carnivores indirectement.
Expliquez la réaction glutamine synthétase (GS)
Glutamate + NH3 –> glutamine grâce à ATP et glutamine synthétase
La réaction de la glutamine synthétase est la plus importante pour l’assimilation de l’azote chez les plantes et les microorganismes. L’enzyme utilise l’ATP pour former la glutamine à partir du glutamate et de l’ammoniac. Le glufosinate, un métabolite bactérien utilisé comme herbicide inhibe la GS. Chez les mammifères, l’enzyme est plutôt utilisée pour neutraliser ou éliminer l’azote.
* Glufosinate: inhibiteur de la GS
* Chez les mammifères sert à la neutralisation des ions NH3
toxiques
* Transport de l’ammoniac vers le foie et les reins
Réaction irréversible, consomme de l’ATP
Expliquez la réaction de glutamate synthase ou GOGAT
Glutamine + alpha-cétoglutarate + NADPH + H+ –>2 glutamates + NADP-
(Glutamine oxoglutarate aminotransferase)
Synthétase= utilise ATP, synthase n’utilise pas ATP
La glutamine synthétase ne peut pas travailler toute seule pour assimiler l’ammoniac parce que la réaction a besoin d’une mole de glutamate pour chaque mole d’ammoniac assimilée. L’enzyme Glutamate Synthase produit 2 molécules de glutamate (1 et 2) à partir de la glutamine. Une molécule regénère le glutamate pour la réaction de la GS, l’autre est utilisée comme source d’azote pour former d’autres molécules azotées. La Glutamate Synthase assure la disponibilité de glutamate pour la réaction de la GS.
Comment l’activité de la glutamine synthétase est contrôlée chez les bactéries?
3 mécanismes:
1- Rétro-inhibition par les produits de fin de réactions (9 différents)
2- Modification covalente par adénylation (addition d’AMP)
3- Contrôle génétique de l’expression de l’enzyme
Chez les bactéries, la GS est régulée pour assurer l’organification de l’azote selon les besoins pour la croissance bactérienne. La GS est régulée par 3 mécanismes : 1) inhibition par feed-back, 2) modification covalente et 3) génétique. L’enzyme bactérienne a 12 sous-unités, chacune avec un centre actif et des sites de liaison pour les régulateurs feedback.
Expliquez la rétro-inhibition du contrôle de la glutamine synthétase
L’inhibition par feedback se fait par plusieurs composés azotés, ce qui indique à l’enzyme si les besoins d’azote ont été comblés. Les inhibiteurs sont des dérivés de la glutamine ou du glutamate. Si l’enzyme est modifiée par adénylation (rappelons-nous que le site d’adénylation est dans le site actif) elle est encore plus sensible aux inhibiteurs allostériques. L’inhibition est cumulative selon le nombre d’inhibiteurs, mais la présence des neuf régulateurs allostériques est requise pour une inhibition complète. Ces phénomènes sont extrêmement rapides (environ 1 milliseconde).
Intéressant: La structure en oligomère complexe permet à l’enzyme d’agir comme un ordinateur moléculaire capable d’intégrer plusieurs signaux.
Inhibiteurs directs de la GS : Tryptophan, Histidine, Glucosamine 6-phosphate, Carbamoyl phosphate, CTP, AMP, Alanine, Glycine, Serine
Qu’est-ce que la modification covalence du contrôle de la glutamine synthétase ?
La modification covalente lie l’activité de la GS aux niveaux de Gln, et donc à la disponibilité d’azote. Une enzyme, l’adénylyl transférase catalyse l’adénylation (inactivation) et déadénylation (activation). Quand les niveaux de Gln sont élevés, elle travaille dans la direction de l’adénylation et vice-versa.
* L’adénylation est sensible aux niveaux de glutamine
* Adénylyl transférase catalyse les réactions d’adénylation et déadénylation
Expliquez la réaction du glutamate déshydrogénase (GLUD)
Alpha-cétoglutarate + NH3 –> Glutamate par glutamate déshydrogénase, NADPH et 2H+
* Réaction réversible :
* Plantes/bactéries → vers la droite (synthèse);
*Animaux→vers la gauche (formation d’ammoniac pour l’élimination et la récupération de l’énergie contenue dans la chaîne carbonée).
* NAD/NADP ou les deux selon les tissus/organismes
* Chez certains organismes, 2 enzymes distinctes (GLUD1 et GLUD2)
* Contrôle de l’activité surtout par concentration des réactifs
La 3e réaction importante pour l’assimilation de l’azote est catalysée par la GDH. L’enzyme catalyse une réaction REDOX où l’alpha-cétoglutarate est aminé par l’ammoniac. Dans cette réaction le NADH ou NADPH agit comment agent réducteur. La réaction est réversible alors le sens de la réaction est décidé par la concentration des réactifs et produits. Chez les plantes, elle sert à l’assimilation de l’ammoniac quand les concentrations de NH3 sont élevées. Chez les animaux cette enzyme est utilisée plutôt pour éliminer l’excès d’azote.
Est-ce que les réactions d’organification de l’azote se produisent en même temps?
Les réactions de la GLUD et GS-GOGAT ne fonctionnent pas simultanément. La Km pour l’ammoniac est beaucoup plus faible pour la GS alors c’est la voie préférée. La GLUD fonctionne seulement quand les concentrations d’ammoniac sont très élevées.
Laquelle de ces molécules est une source d’azote pour la synthèse de purines ?
a) Glucose
b) Glutamine
c) Ribose
b) Glutamine
Parmi ces éléments, indiquez celui qui ne décrit pas l’une des actions de la glutamate déshydrogénase.
a) Synthétiser le glutamate à partir d’alphacétoglutarate et NH3
b) Convertir le glutamate en alphacétoglutarate et NH3
c) Synthétiser la glutamine à partir d’alphacétoglutarate et NH3
c) Synthétiser la glutamine à partir d’alphacétoglutarate et NH3
L’alphacétoglutarate avec le NH3 ne forment pas de glutamine, mais bien du glutamate!
Les métabolites suivants contrôlent tous la glutamine synthétase, sauf un. Lequel ?
a) Glycine
b) Glucosamine 6-P
c) Alanine
d) Tryptophane
e) CTP
f) Glutamate
f) Glutamate
Le glutamate n’agit pas directement comme rétro-inhibiteur sur la glutamine synthétase.
Qu’est-ce que la balance azotée?
On définit la balance azotée comment la différence entre l’apport en produits azotés dans la diète (principalement les acides aminés et protéines) et les pertes (surtout rénales et fécales).
Balance azotée normale: apport = excrétion
Balance azotée positive: apport > excrétion
Exemple 1: croissance, grossesse, récupération post-jeûne
Balance azotée négative: excrétion > apport
Exemple 2: jeûne, vieillissement, maladies (eg.
cancer)
Les protéines de la diète sont la source d’azote la plus importante. En nutrition, on se demande combien de protéines devrons nous manger pour combler les besoins en azote et en acides aminés essentiels. La quantité de protéines qu’une personne devrait manger c’est la quantité qui permet de maintenir la balance entre l’azote ingéré et l’azote excrété.
L’azote ingéré, on peut le calculer à partir du contenu en protéines de la diète, qui est connu pour la plupart des aliments.
L’azote excrété peut être estimé à partir de la quantité d’urée présente dans l’urine.
Quelle est la source principales d’azote pour l’homme?
Les protéines
* Il n’y a pas de stockage des produits azotés (ce n’est pas le rôle des protéines). Il faudra donc un apport essentiel pour compenser les pertes.
* Chez les mammifères, tout manque d’apport se traduira en dégradation de protéines.
* Ex: tiers-monde: pénurie d’aliments riches en protéines + gaspillage de protéines musculaires pour subvenir aux besoins en acides aminés même si les besoins caloriques sont rencontrés.
* Le besoin de protéines pour un adulte est de
0.8g/kg
Qu’est-ce que la qualité de la diète en azote?
- Chez les animaux (mammifères), en plus des acides aminés essentiels, plusieurs autres
produits azotés devront provenir de la diète (vitamines, choline, carnitine, etc). - Qualité de la diète (BV ou ‘biological value’): viande > volaille > plantes)
Même si plusieurs aliments contiennent des protéines, leur qualité n’est pas la même. Les protéines de haute qualité contiennent tous les acides aminés essentiels (i.e. viande, volaille, soya, quinoa). La plupart des aliments à base de plantes manquent d’au moins un acide aminé essentiel (i.e. les graines, manque de lysine et les légumes manquent de tryptophane et de méthionine). Il faut les combiner pour combler les besoins en acides aminés. À noter que d’autres produits azotés comme les vitamines et la choline sont difficiles à obtenir avec des diètes basées sur les plantes.
Donnez un exemple de malnutrition
- En Europe du Sud, le maïs est, au 19e siècle, l’aliment principal des paysans et ouvriers agricoles dans certaines régions de France et d’Italie. Cette absence de diversification alimentaire provoque une maladie de peau qui entraîne des problèmes neurologiques et qui peut devenir mortelle : la pellagre
Un exemple de malnutrition due au manque de tryptophane et vitamine B3 (niacine) c’est la pellagre, une maladie caractérisée par la diarrhée, hyperpigmentation des zones découvertes et démence. Plusieurs cas ont été observés dans le sud des États- Unis et en Europe du Sud au 19e siècle chez les familles nourries à base de maïs. Au début, on croyait que la pellagre était une infection, mais un médecin américain a découvert que c’était en fait un problème nutritionnel dû au manque de la vitamine B3 aussi nommé niacine et au manque du tryptophane qui est un précurseur de la niacine. Les Amérindiens, dont la nourriture est basée sur le maïs, ne souffrent pas de pellagre. Traditionnellement, les peuples amérindiens faisaient tremper puis cuire le maïs dans une solution alcaline (mélange de cendres de bois et d’eau). Cela fragilisait le péricarpe (paroi extérieure du maïs) rendant assimilable la vitamine B3. Le mélange cendre et eau a ensuite été remplacé par de l’eau de chaux. On appelle ce processus la nixtamalisation.
Nommez les deux sortes de malnutrition protéino-énergétique (MPE)
Kwashiorkor: il s’agit surtout d’une carence protéique
Marasme: il s’agit d’une carence énergétique (calories)
Le plus grave problème nutritionnel auquel se heurtent l’Afrique et d’autres régions en développement
Des diètes pauvres en protéines causent le plus grave problème nutritionnel en Afrique et d’autres régions appauvries. Deux maladies sont fréquentes dans ces régions, le kwashiorkor et le marasme. Le kwashiorkor touche les enfants de deux ou trois ans, quelques mois après un sevrage brutal. Contrairement au lait maternel, riche en protéines, le régime adulte ne couvre plus les besoins en protéines de l’enfant. En revanche, le marasme est plutôt une carence de calories.
Une balance azotée négative correspond à:
a) anabolisme
b) Elle ne change rien.
c) catabolisme
c) catabolisme
Le corps dégrade plus de protéines et excrète plus d’azote qu’il n’en consomme.
On trouve l’azote principalement dans quelle sorte de nutriments:
a) Huiles
b) Protéines
c) Sucres
d) Lipides
b) Protéines
Les protéines qui sont constituées d’acides aminés (azote de l’amine), contiennent sont la principale source d’azote pour l’organisme.
Un sevrage prématuré et une diète pauvre en protéines est associé au:
a) Kwashiorkor
b) Marasme
a) Kwashiorkor
Le kwashiorkor résulte effectivement d’un manque sévère de protéines dans l’alimentation qui peut survenir lorsqu’un enfant passe du lait maternel à une diète adulte contenant peu de protéines.
Le marasme est une forme de malnutrition causée par
a) Un manque de plusieurs nutriments (protéines, carbohydrates, vitamines et minéraux)
b) Un manque de protéines
c) Un manque de vitamines
a) Un manque de plusieurs nutriments (protéines, carbohydrates, vitamines et minéraux)
Le marasme est associé à une carence en plusieurs nutriments, se traduisant par un déficit calorique important.
