Sources d'ammoniac et voies de détoxification
L'azote pénètre dans l'organisme principalement sous forme de d'acides aminés, d'amines biogènes et de nucléotides. Leur catabolisme génère de l'ammoniac (NH₃), un composé azoté clé qui doit obligatoirement être détoxifié en raison de sa forte neurotoxicité.
Principales voies d'excrétion de l'azote de l'organisme :
- la synthèse d'urée dans le foie (cycle de l'ornithine) — la voie principale ;
- la synthèse de glutamine dans les muscles, le cerveau et d'autres tissus — la voie de détoxification temporaire universelle ;
- l'excrétion de sels d'ammonium par les reins (via la désamination de la glutamine) ;
- la formation de glutamate dans le cerveau et d'alanine (dans les muscles et l'intestin) — formes de transport de l'azote.
La synthèse de la glutamine comme voie universelle de détoxification de l'ammoniac
La réaction se déroule dans presque tous les tissus. L'enzyme glutamine synthétase catalyse l'addition d'une molécule de NH₃ au groupe γ-carboxyle du glutamate pour former un groupe amide :
Glutamate + NH₃ + ATP → Glutamine + ADP + Pi
La consommation d'une liaison riche en énergie (ATP) garantit l'irréversibilité thermodynamique de la réaction. La glutamine ainsi formée sert de forme de transport non toxique de l'ammoniac : elle est transportée par le sang vers le foie (pour la synthèse de l'urée) et vers les reins (pour la formation de sels d'ammonium).
Transport de l'azote vers le foie
Depuis les muscles et l'intestin, l'azote est transporté principalement sous forme d'alanine. Dans les tissus, par des réactions de transamination, le groupe aminé est transféré au pyruvate, et l'alanine formée passe dans le sang puis vers le foie.
Dans les hépatocytes, l'alanine participe à une transamination avec l'α-cétoglutarate (enzyme ALAT), ce qui produit du glutamate. Le glutamate subit une désamination oxydative par l'enzyme glutamate déshydrogénase, formant de l'α-cétoglutarate et du NH₃ libre, qui entre alors dans le cycle de l'ornithine.
Le cycle de l'ornithine (cycle de l'urée de Krebs-Henseleit)
L'ensemble complet des enzymes est localisé uniquement dans le foie. Les deux premières réactions se déroulent dans la matrice mitochondriale, et les suivantes dans le cytosol.
- Synthèse du carbamoyl-phosphate. L'enzyme carbamoyl-phosphate synthétase I (mitochondriale) catalyse : NH₃ + CO₂ + 2 ATP → carbamoyl-phosphate + 2 ADP + Pi. Il s'agit de la première réaction régulatrice et de la plus énergivore.
- Formation de la citrulline. L'ornithine transcarbamylase transfère le résidu carbamoyle sur l'ornithine ; le phosphate inorganique est libéré, formant la citrulline, qui sort dans le cytosol.
- Synthèse de l'argininosuccinate. Dans le cytosol, l'argininosuccinate synthétase ajoute un deuxième atome d'azote provenant de l'aspartate à la citrulline ; de l'ATP est consommé avec formation d'AMP et de pyrophosphate.
- Clivage de l'argininosuccinate. L'argininosuccinate lyase clive le fumarate, formant l'arginine.
- Hydrolyse de l'arginine. L'enzyme arginase, en présence de H₂O, clive l'arginine en urée et en ornithine. L'ornithine retourne dans la mitochondrie et le cycle se ferme.
Ainsi, une molécule d'urée intègre deux atomes d'azote : le premier provenant de l'ammoniac libre (via le carbamoyl-phosphate) et le second de l'aspartate.
Lien entre le cycle de l'ornithine et le cycle de Krebs, et régénération de l'aspartate
Le fumarate formé entre dans le cycle des acides tricarboxyliques, où il est converti en malate sous l'action de la fumarase, puis en oxaloacétate par la malate déshydrogénase. Grâce à une transamination (ASAT), un groupe aminé provenant du glutamate est transféré sur l'oxaloacétate, régénérant l'aspartate, qui peut ainsi réentrer dans le cycle de l'ornithine.
La signification biologique du cycle ne se résume donc pas seulement à la synthèse de l'urée : il assure également la recirculation de l'aspartate et le couplage avec le cycle de Krebs.
Régulation de la synthèse de l'urée
Trois enzymes ont un rôle régulateur :
- la carbamoyl-phosphate synthétase I ;
- l'ornithine transcarbamylase ;
- l'arginase.
Activation allostérique. La carbamoyl-phosphate synthétase I est activée par le N-acétylglutamate, qui est synthétisé par la N-acétylglutamate synthase lorsque la concentration en arginine augmente, témoignant d'une activité intense du cycle.
Induction enzymatique. En cas d'effort physique prolongé, de jeûne, de régime hyperprotéique et de catabolisme protéique accru, les enzymes du cycle de l'ornithine (carbamoyl-phosphate synthétase I, ornithine transcarbamylase, arginase) sont induites par le cortisol. Parallèlement, les enzymes de la néoglucogenèse (la phosphoénolpyruvate carboxykinase), ainsi que l'ALAT et la glutamate déshydrogénase, sont induites pour assurer l'apport en ammoniac et en squelettes carbonés.
Sels d'ammonium et rôle de la glutamine dans les reins
La glutamine qui atteint les reins est désaminée par la glutaminase, libérant du NH₃ qui se lie aux protons pour former l'ion NH₄⁺. Les sels d'ammonium sont excrétés dans l'urine, ce qui permet à la fois d'éliminer l'azote et de maintenir l'équilibre acido-basique.
Hyperammoniémie
Le dysfonctionnement de l'une des enzymes du cycle de l'ornithine entraîne une accumulation d'ammoniac dans le sang : l'hyperammoniémie. L'ammoniac est particulièrement toxique pour le SNC : il se lie à l'α-cétoglutarate pour former du glutamate (puis de la glutamine), épuisant ainsi le cycle de Krebs dans les neurones et altérant l'approvisionnement énergétique du cerveau. Sur le plan clinique, l'hyperammoniémie se manifeste par des vomissements, des convulsions et des altérations de la conscience pouvant aller jusqu'au coma.
Points clés
- Le NH₃ est un produit toxique du catabolisme des acides aminés ; ses principales voies de détoxification sont la synthèse de l'urée, de la glutamine et des sels d'ammonium.
- La glutamine synthétase fixe le NH₃ sur le glutamate aux dépens d'une molécule d'ATP, une réaction universelle à tous les tissus.
- Le cycle complet de l'ornithine est localisé exclusivement dans le foie ; les deux premières réactions se déroulent dans les mitochondries et les suivantes dans le cytosol.
- Les deux atomes d'azote de l'urée proviennent du NH₃ libre et de l'aspartate ; le cycle consomme 4 liaisons riches en énergie.
- Enzymes clés : carbamoyl-phosphate synthétase I, ornithine transcarbamylase, argininosuccinate synthétase, argininosuccinate lyase, arginase.
- Le cycle est couplé au cycle de Krebs par l'intermédiaire du fumarate et assure la régénération de l'aspartate.
- Le principal activateur allostérique est le N-acétylglutamate ; les inducteurs enzymatiques sont le cortisol, un régime hyperprotéique et le jeûne.
- Un déficit en enzymes du cycle provoque une hyperammoniémie s'accompagnant d'atteintes graves du SNC.