Catabolite

Définition

Un catabolite est une molécule, un déchet, une substance produite au cours des réactions du catabolisme, généralement après un processus de dégradation. La substance résulte de processus cataboliques dans les organismes vivants. Les petites molécules cataboliques sont les monosaccharides, les acides gras, les nucléotides et les acides aminés.

La répression catabolique du carbone (CCR) :

Composants moléculaires de la répression des catabolites de carbone (CCR). (a) Principaux composants moléculaires de la répression classique des catabolites de carbone (cCCR) chez Escherichia coli à Gram négatif. (b) Principaux composants moléculaires de cCCR chez Bacillus subtilis à Gram positif. (c) Principaux composants moléculaires de la répression inverse des catabolites du carbone (rCCR) trouvés chez les Pseudomonades.

Explications

La répression des catabolites décrit collectivement le processus réversible par lequel, lors du catabolisme rapide d'une source de carbone, l'absorption et le catabolisme de substrats plus pauvres sont empêchés.

Par exemple pour les catabolites urinaires, le dosage de catécholamine urinaire (noradrénaline, adrénaline, dopamine) et de leurs catabolites, les métanéphrines (normétanéphrine, métanéphrine, 3-méthoxytyramine), et les acides vanylmandélique et homovanillique, est actuellement réalisé par chromatographie liquide haute performance, avec des urines excrétées sur 24 heures. Ces dosages sont essentiels pour le diagnostic et le suivi de certaines tumeurs neuro-endocrines : le phéochromocytome (tumeur bénigne de l'adulte, voir un phéochromocyte) et le neuroblastome (tumeur maligne de l'enfant).

Voir une réaction de dégradation et le métabolisme des glucides (métabolisme de glucides).

Les réactions cataboliques sont principalement provoquées par les hormones et les molécules impliquées dans le processus. Depuis le début du 20^ème siècle, en particulier le cortisol, le glucagon, l'adrénaline et quelques autres catécholamines sont connus comme des hormones qui déclenchent un processus catabolique. Récemment, de plus en plus d'hormones ont été découvertes qui ont au moins dans une certaine mesure le même effet, telles que la cytokine, l'orexine, l'hypocrétine et la mélatonine.

Des exemples de processus cataboliques sont la glycolyse, le cycle de l'acide citrique, la dégradation des protéines musculaires pour former des acides aminés (qui à leur tour servent de substrat à la gluconéogenèse ou à la dégradation ultérieure des graisses en acides gras).

La plupart des bactéries peuvent utiliser sélectivement des substrats provenant d'un mélange de différentes sources de carbone. La présence de sources carbonées privilégiées empêche l'expression, et souvent aussi l'activité, de systèmes cataboliques permettant l'utilisation de substrats secondaires.

Cette régulation, appelée répression des catabolites du carbone (CCR), peut être obtenue par différents mécanismes de régulation, notamment l'activation et la répression de la transcription et le contrôle de la traduction par une protéine de liaison à l'ARN, chez différentes bactéries.

De plus, la CCR régule l'expression des facteurs de virulence chez de nombreuses bactéries pathogènes. Différents mécanismes ont évolué pour permettre aux bactéries d'utiliser les sources de carbone de manière hiérarchique.

Protéines activatrices de catabolites (CAP)

La protéine activatrice de catabolite (CAP) a été nommée pour son implication dans la répression des catabolites de carbone (CCR). La répression catabolique du carbone est définie comme l'inhibition de l'induction enzymatique par le glucose ou des substances apparentées. L'un des premiers signalements de ce phénomène chez les bactéries et les levures, initialement appelé "effet glucose", remonte au début du 20^ème siècle.

Plus tard, Jacques Monod a décrit un phénomène qu'il a appelé "diauxie", en raison de la croissance biphasique observée lorsque Baccillus subtilis est fourni avec une bonne source de carbone C comme le saccharose ou le glucose et un second glucide moins préféré, comme le maltose, l'inositol ou le sorbitol. La bonne source de carbone est utilisée en premier et, avant que la bactérie puisse commencer à transporter et à utiliser la source de carbone moins favorable, elle arrête de croître pendant une certaine période (phase de latence).

En fait, l'utilisation des sources de carbone, dans les micro-organismes, est prioritaire : lorsque le glucose ou d'autres sucres préférés comme le fructose ou le saccharose sont présents en quantité suffisante, ils répriment la synthèse des enzymes nécessaires pour transporter et métaboliser les sources de carbone moins favorables. La phase de latence correspond au temps nécessaire à l'organisme pour synthétiser ces enzymes une fois la source de carbone privilégiée épuisée.

Parmi les nombreuses cibles de la répression catabolique du carbone, l'opéron lactose, codant pour une β-galactosidase, une perméase et une transacétylase responsable de l'utilisation du lactose, a été le plus étudié.

Protéines activatrices des catabolites :

(A) Les éléments régulateurs importants sont présentés en relation avec les gènes structuraux de l'opéron lac (lactose). (B) Seul le premier des quatre scénarios induit l'expression de l'opéron lac. Dans le scénario (i), le glucose est absent, donc la CRP (plus l'AMP cyclique) se lie, ET le lactose est présent, donc le répresseur LacI est éliminé de l'ADN en se liant à l'inducteur. Dans (ii), le glucose est présent, donc la CRP est absente et le lactose est également absent, donc LacI est toujours lié. Dans (iii), le glucose et le lactose sont absents et ainsi, bien que la CRP soit présente, le répresseur LacI bloque toujours la transcription. Dans (iv) le lactose est présent, donc le répresseur Lacl est retiré de l'ADN. Cependant, le glucose est présent, donc la CRP est absente et l'ARN polymérase ne peut toujours pas transcrire les gènes. En bas, les unités Crp individuelles se lient à l'AMP cyclique pour former un dimère qui a la capacité de se lier à l'ADN.

Ce système de régulation paradigmatique repose à la fois sur des mécanismes de répression (régulation transcriptionnelle négative par le produit du gène lacI en l'absence de lactose) et d'activation (régulation transcriptionnelle positive par le CAP en cas d'absence de glucose).

Les facteurs régissant la régulation de la production de β-galactosidase par le glucose ont été largement étudiés, y compris une démonstration que ce processus intervient au niveau de la transcription, mais la percée la plus significative a été fournie lorsque les niveaux intracellulaires d'adénosine monophosphate cyclique (AMPc) ont diminué rapidement après ajout de glucose.

Plus tard, l'ajout d'AMPc s'est avéré inverser l'effet répressif du glucose sur la synthèse des enzymes répressibles. La purification de la protéine a eu lieu 2 ans plus tard grâce à l'isolement de mutants avec un phénotype réprimé par catabolite non régulé. Ces mutants se répartissent en deux catégories : ceux qui ont été corrigés par l'ajout d'AMPc (défectueux pour la synthèse d'AMPc) et ceux qui n'ont pas été corrigés par l'AMPc (défectueux pour la protéine réceptrice d'AMPc).

Des essais de synthèse de β-galactosidase acellulaire ont été effectués avec des mutants du second type utilisés en conjonction avec des extraits partiellement purifiés d'une souche normale, conduisant finalement à l'isolement d'une seule protéine, baptisée CAP pour protéine activatrice de catabolites (catabolite gene-activator protein en anglais).

Dix ans plus tard, la structure tridimensionnelle (3D) de CAP a été résolue et la séquence nucléotidique du gène crp d'E. coli a été déterminée. Il est à noter que CAP a été le premier activateur de transcription à avoir été purifié et à voir sa structure 3D déterminée.

Répression catabolique

La répression catabolique est le contrôle exercé par les métabolites sur la vitesse de synthèse de certaines enzymes. La répression catabolique décrit collectivement le processus réversible par lequel, lors du catabolisme rapide d'une source de carbone, l'absorption et le catabolisme de substrats plus pauvres sont empêchés.

La logique commune des mécanismes sensoriels et régulateurs globaux impliqués, avec un rôle central pour les protéines kinases/phosphatases, ciblant les sous-unités et les régulateurs géniques globaux, est illustrée à l'aide de deux exemples d'eubactéries et d'un de la levure eucaryote.

Au début de la répression catabolique, l'absorption et le catabolisme des substrats les plus pauvres sont inhibés collectivement dans une réponse immédiate (exclusion de l'inducteur).

Ceci est suivi d'une réponse retardée via des régulateurs de gènes globaux qui contrôlent directement la transcription des gènes impliqués dans le catabolisme du carbone et la production d'énergie (répression du catabolite du carbone), et indirectement la motilité cellulaire, le stockage du carbone, les modifications de la surface cellulaire, la virulence et la division cellulaire.

Répression des catabolites du carbone (CCR)

La répression des catabolites du carbone (CCR) est cruciale pour l'expression des gènes de virulence et pour la pathogénicité de nombreuses bactéries pathogènes. Notez que le but premier des bactéries pathogènes est d'accéder aux nutriments plutôt que de causer des dommages à l'hôte, et que l'expression de gènes virulents est liée à l'apport de nutriments des bactéries.

La répression des catabolites carbonés chez Saccharomyces cerevisiae, bien que plus complexe en raison de la multitude de régulateurs et de leurs protéines auxiliaires, suit fondamentalement la même stratégie que chez les bactéries, en particulier lorsque le glucose est impliqué. Le glucose dans le milieu est détecté par des protéines liées à la membrane qui ont soit une activité de détection et de transport (Hxt), soit ont perdu l'activité de transport (par exemple, Rgt2/Snf3).

Il existe des transporteurs de haute affinité (Hxt1–4) et de faible affinité (Hxt1) dont la synthèse est contrôlée par la concentration en glucose dans le milieu. Comme dans les bactéries, c'est la vitesse à laquelle le glucose entre dans le métabolisme qui définit le niveau de répression des catabolites.

Au moins deux voies différentes de détection du glucose et de transduction du signal sont impliquées : l'une pour l'induction de gènes impliqués dans le transport du glucose et la glycolyse, l'autre pour la répression des gènes sous contrôle de la répression des catabolites, par exemple ceux des protéines dans les voies respiratoires et pour l'utilisation de moindres sources de carbone.

Les deux voies impliquent une multitude de capteurs (par exemple, Hxt1–4; Rgt2; Snf3; Gpr1, Gpa2), de protéines kinases/phosphatases et de transmetteurs (par exemple, les kinases Snf1 à Snf4; les kinases PKA dépendantes de l'AMPc; Glc7; Grr1; Reg1), l'adénylate cyclase (Cyr1) et le deuxième messager cAMP, et plusieurs régulateurs de gènes généraux et spécifiques (par exemple, Rgt1; SCFGrr1; Mig1).

En rapport avec "catabolite"

• catabolisme

  

  Le catabolisme est l'ensemble des réactions biochimiques aboutissant à la transformation de la matière vivante en déchets en produisant de l'énergie (ATP).

• catabolisme des glucides

  

  Le catabolisme des glucides est une série de réactions chimiques (oxydoréductions) qui conduisent à la dégradation de molécules (catabolisme) de glucides...

• catabolisme des lipides

  

  Le catabolisme des lipides est un processus de dégradation dans le métabolisme des lipides qui comprend deux étapes majeures spatialement et temporairement...

• catabolisme des protéines

  

  Le catabolisme des protéines est la décomposition des protéines en monomères absorbables pour une dégradation ou un réassemblage ultérieur.