Le Cu passe des nutriments ("Diet") à l’estomac ("Stomach") et à l’intestin, ("Intestine") où il passe dans le plasma ou dans les fèces. Il est stocké dans le foie ("Liver") et délivré par le sang aux différents tissus. Il est excrété via le pancréas ou via le rein ("Kidney") et l’urine (d’après Jaouen [2013]).
fert du sang vers l’urée dans le rein (Figure1.1). Le tableau1.3synthétise la concentration en Cu et les protéines associées au Cu dans les principaux tissus et organes humains.
Afin de comprendre le fonctionnement du cycle du Cu dans l’organisme, il convient de connaître le(s) temps de résidence dans ces différents réservoirs. Du Cu radioactif (64Cu) a ainsi été intégré au bol alimentaire. Il a alors été observé que la radioactivité disparaît du sérum en deux heures et se retrouve à 40% dans le foie. Donc le foie stocke directement 40% du Cu intégré par l’organisme. Il se retrouve dans les autres organes trois jours après l’ingestion. Outre le stockage du Cu, le foie est l’acteur central du contrôle des concentra-tions en Cu dans l’organisme [Weiss and Linder, 1985].
Le Cu est distribué aux organes par le sang. Il reste à comprendre comment l’entrée du Cu se fait du sérum aux cellules. Dans le sang, le Cu est principalement lié à la céru-loplasmine et à des métallothionéines. Son entrée dans la cellule se fait par les mêmes
Tableau 1.3 – Masses de cuivre et protéines associées aux principaux organes impliqués dans le
métabolisme du cuivre.
Dans ce tableau est reportée la masse moyenne de Cu contenue dans les principaux organes ou tissus. Dans chaque organe ou tissus le Cu est principalement associé à une ou plusieurs protéines (d’après Jaouen [2013]). Dans les différents organes le Cu est importé via hCtr1p, et exporté via hAtp7a ou hAtp7b : vers le milieu extracellulaire (MEC), vers le sang (Sg), vers la bile (B) ou vers le liquide céphalo-rachidien (LCR) (d’après Ohgami [2006]).
Organes ou tissus Masse de Cu (mg) Protéines associées Importateur(s) / Exporta-teur(s)
Plasma 5 céruloplasmine, albumine, transcupréine
Hématies 1 superoxyde dismutase hCtr1p/hAtp7a Muscles 26 cytochrome c oxydase,
super-oxyde dismutase
hCtr1p/hAtp7a (MEC)
Foie 10 métallothionéines,
super-oxyde dismutase
hCtr1p/hAtp7a et hAtp7b (B) Cerveau 7 cytochrome c oxydase,
super-oxyde dismutase
hCtr1p/hAtp7a (LCR), hAtp7b (Sg)
Rein 3.7 cytochrome c oxydase, super-oxyde dismutase
hCtr1p/hAtp7a (Sg) Cœur 1.6 cytochrome c oxydase,
super-oxyde dismutase
hCtr1p/hAtp7a (MEC) Cheveux 0.4 cytochrome c oxydase,
super-oxyde dismutase
hCtr1p/hAtp7a
voies d’entrée que le Cu provienne de la céruloplasmine ou des autres métallothionéines [Vulpe and Packman, 1995]. Dans les cellules, le Cu entre uniquement sous forme réduite. Or, il est transporté sous forme oxydé par la céruloplasmine. Il est ainsi réduit avant son entrée dans la cellule. Cette réduction se fait par des réductases de la famille des protéines STEAP ("Six-Transmembrane Epithelial Antigen of the Prostate"). Le Cu entre alors active-ment dans la cellule, via des importateurs à haute affinité de la famille des protéines Ctr ("Copper TRansporter"). Les métaux de transition sont toxiques pour les cellules lorsqu’ils sont sous forme libre. Ainsi dans les cellules, ils sont complexés à différentes protéines, dont SOD 1 ("SuperOxyde Dismutase 1). Lorsqu’il est en excès, le Cu est excrété par la cellule (1.4.2).
1.1.3.2 Structures et diversité des différentes protéines contenant du cuivre
Dans les conditions physiologiques, le Cu peut avoir deux états d’oxydation (+1 ou +2). Grâce à ses propriétés, le Cu a été sélectionné comme catalyseur de réactions
d’oxydo-réduction (oxydases), au sein de protéines permettant le transfert d’électrons comme dans la chaîne respiratoire [Nord, 1970] ou dans les protéines impliquées dans le transport du Cu (Tableau1.4). Dans ces protéines, le Cu change cycliquement d’état [Messerchmidt et al., 2004]. Comme le Cu est impliqué dans de nombreuses réactions d’oxydo-réduction, c’est un cofacteur essentiel au vivant [Karlin and Tyekelar, 1993]. Au sein des protéines on le retrouve lié de manière covalente aux acides-aminés au sein de centres Cu [Holm et al., 1996].
Tableau 1.4 – Différentes classes de protéines contenant du cuivre.
Liste de quelques classes de protéines et de leurs fonctions. Les cas de la cytochrome c oxydase et de la céruloplasmine seront discutés dans la partie1.1.3.3(adapté de [Nord, 1970]).
Protéines Fonction Exemples d’organismes
ex-primant cette protéine Hémocyanine Transporteur d’oxygène Crustacés, arachnides,
bi-valves, gastéropodes Erythrocupreine Stockage et transport du
cuivre
Mammifères
Azurine Transport d’électrons Eubactéries
Tyrosinase Plusieurs fonctions d’oxydase Métazoaires
Laccase Oxydase Plantes et champignons
Céruloplasmine Protéine de transport du cuivre dans le sérum
Mammifères Albumine Protéine de transport du Cu
dans le sérum
Mammifères
Monoamine oxydase Oxydase Eubactéries et mitochondries
Cytochrome c oxydase Oxydase terminale de la chaîne respiratoire
Eubactéries et mitochondries
Le Cu se lie facilement aux acides aminés et est essentiel aux réactions d’oxydo-réduction du vivant. Ainsi, les gènes codant pour les protéines contenant du Cu sont sou-mis à une forte pression de sélection naturelle. De ce fait, ces protéines sont très conser-vées entre les trois domaines du vivant [Andreini et al., 2004] : 71% des protéines conte-nant du Cu des eubactéries ont des homologues dans les trois domaines du vivant. Le rôle de ces protéines est à 41% de maintenir l’homéostasie en Cu et à 43% de participer aux réactions d’oxydo-réduction. Il est à noter que 57% des protéines eucaryotes contenant du Cu sont spécifiques de ce domaine du vivant. Ceci est notamment le cas des protéines importatrices de Cu (Ctr) [Andreini et al., 2008]. Enfin, il est à noter que bien que le Cu soit un oligo-élément (le Cu ingéré correspond à 1 millionième du bol alimentaire), la
propor-tion de gènes codant pour des protéines contenant du Cu de l’homme et de S. cerevisiae correspond à 0.5% du génome total [Andreini et al., 2008]. Le Cu est ainsi présent dans une grande quantité de protéines au regard de sa concentration dans les tissus.
1.1.3.3 Exemples de protéines contenant du cuivre, dont l’activité est indispensable à la cellule
Afin de mettre en exergue l’importance du Cu dans la catalyse enzymatique nous allons détailler le fonctionnement de trois protéines contenant du Cu dont l’activité est vitale chez les mammifères. L’un des buts de cette partie est de comprendre comment le Cu est transporté via la céruloplasmine. L’autre but de cette partie est de comprendre le fonc-tionnement de la catalyse enzymatique par le Cu par l’étude de deux protéines : la cyto-chrome c oxydase et la protéine hSod1p.
La céruloplasmine est la protéine responsable du transport du Cu dans le sérum (Fi-gure1.2). Elle possède sept sites de liaison au Cu. Trois atomes de Cu sont intégrés à un seul et même groupe (groupe tri nucléaire), qui peut lier une molécule d’eau. Les atomes de Cu y sont liés à des Met. Les quatre autres atomes de Cu sont présents dans des sites mononucléaires et sont liés à une Cys et deux His. Cette protéine sérique permet ainsi le transport de 7 atomes de Cu.
La cytochrome c oxydase est une des protéines entrant en jeu dans la chaîne respira-toire mitochondriale. Cette protéine transmembranaire contient deux centres Cu [Iwata et al., 1995]. Ces centres Cu se situent dans la partie membranaire de la protéine (IIa, Fi-gure1.3). Le centre CuAest responsable de la prise en charge d’électrons de la cytochrome c soluble (cytochrome c552). Il délivre ensuite ses électrons à l’hème aS3/CuB(Figure1.2et
1.3). Cet hème est alors responsable de la réduction du dioxygène moléculaire en eau (Fi-gure1.3, [Ostermeier and Michel, 1997]). Le Cu a donc un rôle majeur dans la respiration cellulaire.
La superoxyde dismutase 1 (Sod1p) est une protéine présente dans toutes les cellules eucaryotes hétérotrophes pour le carbone. La respiration cellulaire engendre des déchets hautement toxiques pour la cellule : les radicaux libres de l’oxygène. La protéine hSod1p catalyse la réaction de détoxification de ces radicaux libres de l’oxygène en transformant ceux-ci en dioxygène et en peroxyde d’hydrogène. Le site actif de chaque sous-unité de cette protéine présente un Cu lié à trois His (Figure1.2). Le Cu est donc nécessaire à l’ac-tivité de détoxification de la protéine Sod1p. Si cette protéine est non-fonctionnelle, ceci peut entraîner des maladies graves telles que le cancer ou la maladie d’Alzheimer.
Dans les trois protéines contenant du Cu étudiées ci-dessus, la quantité de Cu dans les protéines est minime : le Cu est un oligoélément à l’échelle moléculaire mais son im-plication dans la catalyse est majeur. Il est intéressant de remarquer que dans toutes ces protéines le Cu est lié à des acides aminés particuliers : la Met, la Cys et l’His.