Sérine et glycine
La sérine est un précurseur de la cystéine, de la sélénocystéine, du tryptophane, de la glycine et des phospholipides. La glycine est un précurseur des composés contenant des purines, du pyridoxal et de l’hème. La synthèse et le clivage de la glycine génèrent des unités C1, nécessaires à la synthèse des purines, de la thymine, de la méthionine et du pantothénate, et à la formylation de l’initiateur tRNAMet. On estime que la voie sérine-glycine représente environ 15% du carbone assimilé par les cellules cultivées en glucose. La sérine et la glycine inhibent la glutamine synthétase. La justification d’une telle réglementation implique probablement la synthèse des purines. La synthèse des purines nécessite de la sérine, de la glycine, des unités C1 et de la glutamine. Des taux élevés de sérine et de glycine peuvent indiquer une suffisance en purine et un besoin diminué de glutamine pour la synthèse des purines. Près de la moitié de la glutamine synthétisée est utilisée pour la synthèse des purines, si la glutamine n’est pas utilisée pour la synthèse du glutamate. La sérine inhibe également l’homosérine déshydrogénase I et la thréonine désaminase, nécessaires à la synthèse de l’isoleucine, et la troisième enzyme de la synthèse de la méthionine.
L’oxydation dépendante du NAD du 3-phosphoglycérate intermédiaire glycolytique initie la voie principale de la synthèse de la sérine (figure 7). L’azote est ajouté au produit résultant, le 3-phosphohydroxypyruvate, par transamination glutamate-dépendante, formant ainsi la 3-phosphosérine. La déphosphorylation de la 3-phosphosérine produit alors de la sérine. La sérine hydroxy méthyltransférase (SHMT) catalyse la conversion réversible de la sérine en glycine et la formation du transporteur en C1 N5, N10-méthylène tétrahydrofolate à partir du tétrahydrofolate. Le clivage oxydatif de la glycine par le système enzymatique de clivage de la glycine (GCV) produit une deuxième molécule de N5, N10-méthylène tétrahydrofolate, ainsi que de l’ammoniac et du CO2. Cette enzyme peut sembler inutile, mais les mutants déficients en GCV excrètent de la glycine, ce qui implique qu’elle est active. GCV est un complexe de quatre polypeptides différents.
Figure 7. Synthèse de la sérine, de la glycine et de la cystéine et assimilation du sulfate. Les effecteurs de l’activité enzymatique et les besoins en cofacteurs sont sous les voies. Les composés inhibiteurs sont entre parenthèses. Les effecteurs du contrôle transcriptionnel sont au-dessus des voies. Les répresseurs sont entre parenthèses, tandis que les activateurs ne le sont pas. Lrp/(leu) indique que Lrp est un activateur de transcription, et leu empêche cette activation. & lt; & gt; indique les composés nécessaires à la stabilité. C1-THF, N5, N10-méthylène-tétrahydrofolate; GLT, glutamate; aKG, α-cétoglutarate; NAS, N-acétylsérine; PPi, pyrophosphate inorganique; PxP, phosphate de pyridoxal; THF, tétrahydrofolate.
Les mutants déficients en SHMT ont besoin de glycine, ce qui implique que le 3-phosphoglycérate est la principale source de glycine. La voie de la déshydrogénase de la dégradation de la thréonine génère également de la sérine et de la glycine. La thréonine est dégradée en deux étapes en acétyl-CoA et en glycine (Figure 7, deuxième ligne). La sérine est générée à partir des actions combinées de GCV, qui produit une unité C1, et d’une inversion de la réaction SHMT, qui consomme l’unité C1 (Figure 7, ligne du haut). Cette voie n’est active que pendant la croissance limitée en carbone en présence des trois acides aminés à chaîne ramifiée et de l’arginine. Le premier augmente probablement la thréonine intracellulaire, alors que la fonction de l’arginine n’est pas apparente.
La sérine inhibe les activités de plusieurs enzymes, ce qui suggère que la concentration intracellulaire de sérine est étroitement régulée. La sérine inhibe allostériquement la 3-phosphoglycérate déshydrogénase, la première enzyme de la voie principale de la sérine. La sérine, la glycine ou les produits du métabolisme en C1 n’affectent l’activité d’aucune autre enzyme de cette voie. En revanche, la régulation transcriptionnelle est complexe et n’est que partiellement comprise. La suffisance en C1 est détectée par un équilibre entre l’homocystéine et la S-adénosylméthionine. Ces capteurs contrôlent la synthèse du SHMT grâce au MetR, un activateur qui lie l’homocystéine (un capteur de déficit en C1), et au MetJ, un répresseur qui lie la S-adénosylméthionine (un capteur d’excès en C1) et contrôle la synthèse du MetR. D’autres produits qui nécessitent des unités C1 répriment également les enzymes de cette voie. Les purines hypoxanthine et guanine lient le ronronnement, qui réprime ensuite le SHMT et le GCV. Un complexe de GcvA-GcvR réprime la synthèse du GCV. La glycine provoque la dissociation de la GcvR et un complexe GcvA-glycine active la transcription. Le camp CRP peut également inverser la répression par la GcvA-GcvR. En plus de ces régulateurs, la protéine sensible à la leucine, Lrp, contrôle également ces gènes. La Lrp en l’absence de leucine tend à favoriser la voie primaire de synthèse de la sérine et de la glycine. La Lrp avec la leucine diminue la voie primaire, augmente la voie de synthèse de la sérine secondaire, c’est-à-dire la voie de la thréonine déshydrogénase du catabolisme de la thréonine et augmente le catabolisme de la sérine. Enfin, les régulateurs de limitation de l’azote et de réponse au Ntr répriment la 3-phosphoglycérate déshydrogénase, ce qui réduit vraisemblablement la concentration en sérine et empêche l’inhibition de la glutamine synthétase par la sérine lorsque sa fonction principale est l’assimilation de l’ammoniac.
En raison de la toxicité de la sérine, des enzymes de dégradation pourraient contribuer au maintien de la concentration intracellulaire de sérine. Les principales enzymes du catabolisme de la sérine sont les sérines désaminases / déshydratases. E. coli contient trois sérines désaminases distinctes, et trois autres enzymes ont une activité sérine désaminase comme réaction secondaire. La régulation de ces enzymes est étonnamment complexe. Sans entrer dans le détail, on note que la sérine peut être dégradée comme seule source de carbone, mais uniquement en présence de leucine ou de glycine, nécessaire à l’induction d’enzymes cataboliques. La glycine peut être utilisée comme seule source d’azote. La voie implique le VCC, la formation de sérine par SHMT et le catabolisme ultérieur de la sérine.