L’acide lipoïque

3.1.1 Structure et fonctions

L’acide lipoïque (LA) ou acide 6,8-thioctique est présent chez les procaryotes et les eucaryotes. L’acide lipoïque possède deux résidus thiols (Figure 21). De par les propriétés oxydo-réductrices des atomes de soufre, l’acide lipoïque peut être oxydé ou réduit (acide dihydrolipoïque, DHLA), le conduisant à participer au recyclage d’autres antioxydants tels que les vitamines C et E, le GSH et le CoQ (Yi & Maeda 2005). La fonction acide de l’acide lipoïque forme une liaison amide avec le groupement ε-NH2 d’une lysine spécifique d’une sous-unité des complexes enzymatiques dont il est un cofacteur.

Acides aminés ramifiés (Isoleucine, Leucine, Valine)

Céto-acides à chaine ramifiée

Acyl-CoA à chaine ramifiée

Acétyl-CoA Succinyl-CoA Méthyl-malonyl-CoA Pyruvate Glucose Acétyl-CoA Cycle de Krebs Succinyl-CoA Alpha-cétoglutarate BCKDHc PDHc Alpha-KGDHc Céto-adipate Glutaryl-CoA OADHc Lysine Tryptophane

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Figure 21 : Structure de l’acide lipoïque sous sa forme oxydée (LA) et réduite (DHLA).

L’acide lipoïque est essentiel à la survie chez les mammifères, et ce, dès le stade embryonnaire chez la souris (Yi & Maeda 2005). Il est l’un des plus puissants antioxydants naturels et un déficit total de synthèse induit un stress oxydatif majeur entrainant une augmentation des marqueurs de la peroxydation lipidique et une diminution de la concentration de GSH dans les globules rouges des embryons de souris dont le gène Lias, codant la lipoic acid synthase, a été inactivé. Ce stress oxydatif diminue après supplémentation exogène en acide lipoïque (Yi & Maeda 2005). En tant que cofacteur des céto-acide déshydrogénases mitochondriales, il est essentiel à l’oxydation de leur substrat, à la stabilisation et à la régulation rédox de ces enzymes (Solmonson & DeBerardinis 2018).

3.1.2 Synthèse de l’acide lipoïque

La synthèse d’acide lipoïque a été étudiée initialement chez E. coli (Cronan et al. 2005). Chez les procaryotes, l’acide lipoïque est synthétisé de novo ou bien recyclé par une voie enzymatique qui utilise le lipoyl-AMP comme substrat (Figure 22).

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Figure 22 : Synthèse et recyclage de l’acide lipoïque chez les procaryotes

La biosynthèse du LA à partir de l’octanoyl-ACP requiert les deux enzymes LipB et LipA (fond gris). La voie de recyclage nécessite la LplA (fond turquoise). Les protéines NfuA et Iscu (fond orange) de la voie de biogenèse des centres Fe-S peuvent régénérer l’enzyme LipA en lui apportant un nouveau centre [4Fe-4S]AUX, dégradé lors de la catalyse. Adapté d’après (Green et al. 1995; Christensen & Cronan 2010; Cronan 2014; McCarthy & Booker

2017).

L’acide octanoïque, synthétisé sur l’ACP (octanoyl-ACP), est le substrat de la biosynthèse de l’acide lipoïque. Il est un intermédiaire de la voie de synthèse des acides gras. Dans une première étape, il est transféré sur un résidu lysine de l’apo-protéine cible grâce à une transférase lipoyl(octanoyl)-ACP:protein transferase (LipB) (Christensen & Cronan 2010). Ensuite, la lipoyl synthase (LipA) catalyse l’insertion de deux atomes de soufre sur le groupement octanoyl. LipA appartient à la famille des enzymes à radical SAM. Elle contient deux centres [4Fe-4S], l’un participant à la catalyse avec un radical SAM ([4Fe-4S]SAM) tandis que l’autre est un centre dit « auxiliaire » ([4Fe-4S]AUX). Le centre [4Fe-4S]AUX sert de donneur de soufre pour l’insertion des deux groupements thiols (-SH) sur les atomes de carbone C6 et C8 du résidu octanoyl, catalysée par LipA. Le centre [4Fe-4S]AUX est donc dégradé lors de la catalyse (Cronan 2014). Récemment, une étude a proposé que les protéines NfuA (homologue bactérien de NFU1) et Iscu (homologue bactérien de ISCU) seraient impliquées dans la régénération du centre [4Fe-4S] AUX (McCarthy & Booker 2017).

Synthèse des acides gras

Octanoyl-ACP LipB Apoprotéine Octanoyl-apoprotéine ACP LipA 2 SAM + 2 e- ^{2 méthionine} + 2 5’-désoxyadénosine + Fe(II) Lipoyl-protéine Acide lipoïque ATP ^PP Lipoyl-AMP LplA Apoprotéine AMP LplA Voie de recyclage NfuA ^Iscu LipA

51 Une voie de recyclage du LA en deux étapes a été démontrée chez la bactérie conduisant à lipoyler une apo-protéine cible (Green et al. 1995). La lipoate ligase (LplA) fixe une molécule d’AMP sur une molécule d’acide lipoïque, formant le lipoyl-AMP. Ensuite, la LplA catalyse l’insertion du résidu lipoyl depuis le lipoyl-AMP sur une apo-protéine.

3.1.2.2 Chez les eucaryotes

3.1.2.2.1 Synthèse de l’acide lipoïque chez la levure S. cerevisiae

Des protéines homologues des protéines bactériennes impliquées dans la synthèse de l’acide lipoïque ont été identifiées chez les eucaryotes. Chez S.

cerevisiae, la voie de synthèse mitochondriale des acides gras de type II synthétise

le résidu octanoyl lié à l’ACP, l’octanoyl-ACP, qui est le substrat pour la synthèse de

novo du LA (Brody et al. 1997; Schonauer et al. 2008). Trois enzymes sont

essentielles. Il s’agit de Lip2 (homologue de LipB), Lip5 (homologue de LipA) et Lip3 (homologue de LplA) (Tableau 2). La lipoylation des apo-protéines requiert une étape supplémentaire chez S. cerevisiae par rapport à E. coli, i) Lip2 et Lip5 ne sont pas suffisantes pour la synthèse de l’acide lipoïque ; ii) Lip3 ne permet pas à elle seule la lipoylation de protéines ; iii) la présence d’une protéine du système de clivage de la glycine est nécessaire à la synthèse d’acide lipoïque sur une apo-protéine (Schonauer et al. 2009). De plus, la voie de recyclage de l’acide lipoïque n’a pas été mise en évidence chez la levure (Solmonson & DeBerardinis 2018).

3.1.2.2.2 Synthèse du LA chez l’Homme

Chez l’Homme, la voie de synthèse de l’acide lipoïque est moins bien connue mais les protéines homologues de celles des bactéries et de la levure ont été identifiées (Tableau 2).

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Synthèse de novo Voie de

recyclage Octanoyltransférase Lipoate

synthase

Lipoyltransférase Lipoate ligase

E. coli LipB LipA LplA

S. cerevisiae Lip2 Lip5 Lip3

Homme LIPT2 LIAS LIPT1

Tableau 2 : Enzymes impliquées dans la synthèse de l’acide lipoïque selon les espèces.

D’après (Solmonson & DeBerardinis 2018)

Ainsi, le modèle de la voie de synthèse de l’acide lipoïque chez l’Homme a été proposé d’après celle identifiée chez la levure. Une étude chez le bœuf a confirmé que l’acide octanoïque provenait également de la synthèse mitochondriale de novo des acides gras (Witkowski et al. 2007). Récemment, des patients présentant une encéphalopathie sévère causée par des mutations dans les gènes codant les protéines LIPT1, LIAS et LIPT2 ont été décrits (Soreze et al. 2013; Tort et al. 2014; Baker et al. 2014; Habarou et al. 2017). L’étude biochimique dans les fibroblastes de ces patients montraient des défauts de lipoylation de protéines. Ces résultats ont permis de conforter le rôle de ces protéines dans la synthèse de l’acide lipoïque chez l’Homme. Cette voie de synthèse nécessite donc trois étapes enzymatiques (Figure 23) :

1) L’acide octanoïque issu de la synthèse mitochondriale des acides gras est lié à l’ACP (octanoyl-ACP) puis transféré sur la sous-unité H du système de clivage de la glycine (octanoyl-H) par la lipoyltransférase 2, LIPT2.

2) L’octanoyl-H va ensuite recevoir deux groupements thiols sur les carbones C6 et C8 du résidu octanoyl par LIAS. C’est une enzyme à radical SAM portant deux centres [4Fe-4S], essentiels à sa fonctionnalité, comme son homologue bactérienne. Le centre [4Fe-4S]AUX , détruit lors de la catalyse, pourrait être régénéré au sein de LIAS par l’action de NFU1 et/ou ISCU, par analogie avec le modèle bactérien (McCarthy & Booker 2017). Après lipoylation, la sous-unité H du système de clivage de la glycine est alors fonctionnelle.

3) La dernière étape est nécessaire pour la lipoylation d’autres apo-protéines à partir de lipoyl-H. La lipoyltransférase 1, LIPT1, catalyse le transfert du

53 groupement lipoyl depuis lipoyl-H vers les apo-protéines cibles, c’est-à-dire la sous-unité E2 des céto-acide déshydrogénases.

Figure 23 : Synthèse de l’acide lipoïque chez l’Homme.

La synthèse de l’acide octanoïque est représentée sur fond vert. La voie de synthèse de l’acide lipoïque sur la sous-unité H du système de clivage de la glycine (H et GCS-H) et de transfert sur les sous-unités E2 des céto-acide déshydrogénases (E2) est représentée sur fond gris. La voie possible de réparation du centre [4Fe-4S] de LIAS par ISCU et NFU1 est figurée sur fond orange. Les cercles jaunes représentent les groupements thiols de

l’acide lipoïque. Adapté d’après (Soreze et al. 2013; Tort et al. 2014; McCarthy & Booker 2017).

3.2 Les céto-acide déshydrogénases et le système de clivage de la