8.5 : Catabolisme des lipides et des protéines

Objectifs d'apprentissage

• Décrire comment les lipides sont catabolisés
• Décrire comment le catabolisme lipidique peut être utilisé pour identifier les microbes
• Décrire comment les protéines sont catabolisées
• Décrire comment le catabolisme des protéines peut être utilisé pour identifier les bactéries

Les sections précédentes ont abordé le catabolisme du glucose, qui fournit de l'énergie aux cellules vivantes, ainsi que la façon dont les polysaccharides tels que le glycogène, l'amidon et la cellulose sont dégradés en monomères de glucose. Mais les microbes consomment plus que des glucides pour se nourrir. En fait, le monde microbien est connu pour sa capacité à dégrader un large éventail de molécules, qu'elles soient naturelles ou produites par des processus humains, pour les utiliser comme sources de carbone. Dans cette section, nous verrons que les voies du catabolisme des lipides et des protéines sont liées à celles utilisées pour le catabolisme des glucides, menant finalement à la glycolyse, à la réaction de transition et aux voies du cycle de Krebs. Les voies métaboliques doivent être considérées comme poreuses, c'est-à-dire que les substances entrent par d'autres voies et que les intermédiaires partent par d'autres voies. Ces voies ne sont pas des systèmes fermés. De nombreux substrats, intermédiaires et produits d'une voie donnée sont des réactifs empruntant d'autres voies.

Catabolisme lipidique

Les triglycérides sont une forme de stockage d'énergie à long terme chez les animaux. Ils sont composés de glycérol et de trois acides gras (voir Figure 7.3.1). Les phospholipides constituent les membranes des cellules et des organites de tous les organismes, à l'exception des archées. La structure des phospholipides est similaire à celle des triglycérides, sauf que l'un des acides gras est remplacé par un groupe de tête phosphorylé (voir Figure 7.3.2). Les triglycérides et les phospholipides sont d'abord décomposés en libérant des chaînes d'acides gras (et/ou le groupe de tête phosphorylé, dans le cas des phospholipides) à partir du squelette à trois carbones du glycérol. Les réactions de dégradation des triglycérides sont catalysées par des lipases et celles impliquant des phospholipides sont catalysées par des phospholipases. Ces enzymes contribuent à la virulence de certains microbes, tels que la bactérie Staphylococcus aureus et le champignon Cryptococcus neoformans. Ces microbes utilisent les phospholipases pour détruire les lipides et les phospholipides des cellules hôtes, puis utilisent les produits cataboliques pour produire de l'énergie (voir Facteurs de virulence des agents pathogènes bactériens et viraux).

Les produits du catabolisme lipidique, du glycérol et des acides gras qui en résultent peuvent être davantage dégradés. Le glycérol peut être phosphorylé en glycérol-3-phosphate et facilement converti en glycéraldéhyde 3-phosphate, qui se poursuit par glycolyse. Les acides gras libérés sont catabolisés selon un processus appelé β-oxydation, qui élimine séquentiellement les groupes acétyle à deux carbones des extrémités des chaînes d'acides gras, réduisant ainsi le ^NAD+ et le FAD pour produire respectivement du NADH et du FADH ₂, dont les électrons peuvent être utilisés pour fabriquer de l'ATP par oxydation phosphorylation. Les groupes acétyle produits lors de la β-oxydation sont transportés par la coenzyme A vers le cycle de Krebs, et leur mouvement au cours de ce cycle entraîne leur dégradation en CO ₂, produisant de l'ATP par phosphorylation au niveau du substrat et des molécules supplémentaires de NADH et de FADH ₂ (voir l'annexe C). pour une illustration détaillée de la β-oxydation).

D'autres types de lipides peuvent également être dégradés par certains microbes. Par exemple, la capacité de certains agents pathogènes, comme Mycobacterium tuberculosis, à dégrader le cholestérol contribue à leur virulence. Les chaînes latérales du cholestérol peuvent être facilement éliminées par voie enzymatique, mais la dégradation des anneaux fusionnés restants est plus problématique. Les quatre cycles fusionnés sont séparés de manière séquentielle dans le cadre d'un processus en plusieurs étapes facilité par des enzymes spécifiques, et les produits qui en résultent, y compris le pyruvate, peuvent être catabolisés davantage dans le cycle de Krebs.

Exercice\(\PageIndex{1}\)

Comment les lipases et les phospholipases peuvent-elles contribuer à la virulence des microbes ?

Catabolisme des protéines

Les protéines sont dégradées par l'action concertée de diverses protéases microbiennes. Les protéases extracellulaires coupent les protéines à l'intérieur selon des séquences d'acides aminés spécifiques, les décomposant en peptides plus petits qui peuvent ensuite être absorbés par les cellules. Certains agents pathogènes importants sur le plan clinique peuvent être identifiés par leur capacité à produire un type spécifique de protéase extracellulaire. Par exemple, la production de gélatinase de protéase extracellulaire par des membres des genres Proteus et Serratia peut être utilisée pour les distinguer des autres bactéries entériques gram-négatives. Après inoculation et croissance de microbes dans le bouillon de gélatine, la dégradation de la protéine de gélatine due à la production de gélatinase empêche la solidification de la gélatine lorsqu'elle est réfrigérée. D'autres agents pathogènes peuvent être distingués par leur capacité à dégrader la caséine, la principale protéine présente dans le lait. Lorsqu'elle est cultivée sur de la gélose au lait écrémé, la production de caséinase extracellulaire provoque la dégradation de la caséine, qui apparaît comme une zone de dégagement autour de la croissance microbienne. La production de caséinase par le pathogène opportuniste Pseudomonas aeruginosa peut être utilisée pour la distinguer d'autres bactéries gram-négatives apparentées.

Après dégradation de la protéase extracellulaire et absorption des peptides dans la cellule, les peptides peuvent ensuite être décomposés en acides aminés individuels par des protéases intracellulaires supplémentaires, et chaque acide aminé peut être désaminé par voie enzymatique pour éliminer le groupe amino. Les molécules restantes peuvent ensuite entrer dans la réaction de transition ou dans le cycle de Krebs.

Exercice\(\PageIndex{2}\)

Comment le catabolisme des protéines peut-il aider à identifier les microbes ?

Orientation clinique : 3e partie

La méningite bactérienne progressant si rapidement, les médecins de Hannah avaient décidé de la traiter agressivement avec des antibiotiques, sur la base de l'observation empirique de ses symptômes. Cependant, les tests de laboratoire visant à confirmer la cause de la méningite d'Hannah étaient toujours importants pour plusieurs raisons. N. meningitidis est un agent pathogène infectieux qui peut se transmettre d'une personne à l'autre par contact étroit ; par conséquent, si des tests confirment que N. meningitidis est à l'origine des symptômes de Hannah, les parents de Hannah et les autres personnes qui ont été en contact étroit avec elle devront peut-être être vaccinés ou reçoivent des antibiotiques prophylactiques afin de réduire leur risque de contracter la maladie. Par contre, s'il s'avère que N. meningitidis n'en est pas la cause, les médecins de Hannah devront peut-être modifier son traitement.

Le laboratoire clinique a effectué une coloration de Gram sur les échantillons de sang et de LCR d'Hannah. La coloration de Gram a révélé la présence d'un diplocoque à Gram négatif en forme de haricot. Le technicien du laboratoire de l'hôpital a cultivé l'échantillon de sang d'Hannah sur de la gélose au sang et de la gélose au chocolat, et la bactérie qui s'est développée sur les deux milieux a formé des colonies grises non hémolytiques. Ensuite, il a effectué un test d'oxydase sur cette bactérie et a déterminé qu'elle était positive à l'oxydase. Enfin, il a examiné le répertoire des sucres que la bactérie pouvait utiliser comme source de carbone et a découvert que la bactérie était positive pour le glucose et le maltose, mais négative pour l'utilisation du lactose et du saccharose. Tous ces résultats d'analyse concordent avec les caractéristiques de N. meningitidis.

Exercice\(\PageIndex{3}\)

1. Que nous apprennent les résultats de ces tests sur les voies métaboliques de N. meningitidis ?
2. Pourquoi pensez-vous que l'hôpital a utilisé ces tests biochimiques pour l'identification au lieu de l'analyse moléculaire par des tests ADN ?

Concepts clés et résumé

• Collectivement, les microbes ont la capacité de dégrader une grande variété de sources de carbone en plus des glucides, y compris les lipides et les protéines. Les voies cataboliques de toutes ces molécules finissent par se connecter à la glycolyse et au cycle de Krebs.
• Plusieurs types de lipides peuvent être dégradés par des microbes. Les triglycérides sont dégradés par les lipases extracellulaires, libérant des acides gras du squelette du glycérol. Les phospholipides sont dégradés par les phospholipases, libérant des acides gras et le groupe de tête phosphorylé à partir du squelette du glycérol. Les lipases et les phospholipases agissent comme des facteurs de virulence pour certains microbes pathogènes.
• Les acides gras peuvent être dégradés davantage à l'intérieur de la cellule par la β-oxydation, qui élimine séquentiellement les groupes acétyles à deux carbones aux extrémités des chaînes d'acides gras.
• La dégradation des protéines implique des protéases extracellulaires qui dégradent les grosses protéines en peptides plus petits. La détection des protéases extracellulaires (gélatinase et caséinase) peut être utilisée pour différencier les bactéries cliniquement pertinentes.