Introduction
La lactate déshydrogénase (LDH) est une enzyme cruciale présente dans de nombreux organismes vivants. Elle joue un rôle essentiel dans le métabolisme énergétique en catalysant la conversion du lactate en pyruvate et vice versa, une réaction clé dans la glycolyse et la fermentation. Cette enzyme existe sous différentes formes, appelées isoenzymes, qui présentent des propriétés chimiques et physiques légèrement différentes. Cet article explore en détail le point isoélectrique de la tétramère de lactate déshydrogénase, sa structure, ses fonctions et les isoenzymes qui la composent.
Structure de la Lactate Déshydrogénase
La LDH est une enzyme tétramérique, ce qui signifie qu'elle est composée de quatre sous-unités polypeptidiques. Ces sous-unités peuvent être de deux types différents, appelés M et H, codés par des gènes distincts. La combinaison de ces sous-unités donne naissance à cinq isoenzymes distinctes : LDH1 (H4), LDH2 (H3M), LDH3 (H2M2), LDH4 (HM3) et LDH5 (M4).
Point Isoélectrique (pI)
Le point isoélectrique (pI) est le pH auquel une molécule, telle qu'une protéine, ne porte aucune charge électrique nette. Au-dessus du pI, la protéine aura une charge nette négative, tandis qu'en dessous du pI, elle aura une charge nette positive. Le pI d'une protéine est déterminé par la composition en acides aminés de sa séquence et par les modifications post-traductionnelles qu'elle peut subir.
Le GAPDH dans le noyau cellulaire a un point isoélectrique (pi) élevé à pH 8,3 à 8,7.
Isoenzymes de la Lactate Déshydrogénase
Les cinq isoenzymes de la LDH présentent des pI légèrement différents en raison des variations dans leur composition en sous-unités M et H. Ces différences de pI permettent de séparer les isoenzymes par des techniques telles que l'électrophorèse. La distribution des isoenzymes de la LDH varie selon les tissus, ce qui en fait des marqueurs utiles pour diagnostiquer certaines maladies.
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Fonctions de la Lactate Déshydrogénase
La LDH catalyse la réaction réversible entre le pyruvate et le lactate, en utilisant le NADH comme cofacteur. Cette réaction est essentielle pour la production d'énergie dans les cellules, en particulier dans des conditions anaérobies où l'oxygène est limité.
Rôle dans la Glycolyse
La glycolyse est une voie métabolique qui dégrade le glucose pour produire de l'énergie sous forme d'ATP et de NADH. La LDH intervient à la fin de la glycolyse en convertissant le pyruvate, le produit final de la glycolyse, en lactate. Cette conversion permet de régénérer le NAD+, qui est nécessaire pour que la glycolyse puisse se poursuivre en conditions anaérobies.
Rôle dans la Fermentation
La fermentation est un processus métabolique qui permet aux cellules de produire de l'énergie en l'absence d'oxygène. La LDH joue un rôle clé dans la fermentation lactique, où le pyruvate est converti en lactate. Ce processus est utilisé par les muscles lors d'un exercice intense, lorsque l'apport d'oxygène est insuffisant.
Applications Cliniques des Isoenzymes de la LDH
La mesure des niveaux d'isoenzymes de la LDH dans le sang peut fournir des informations précieuses pour le diagnostic de diverses maladies. Par exemple, une augmentation des niveaux de LDH1 et LDH2 peut indiquer une lésion cardiaque, tandis qu'une augmentation des niveaux de LDH5 peut suggérer une atteinte hépatique ou musculaire.
Par exemple, suite à une crise cardiaque, la valeur de l'enzyme lactate déshydrogénase (LDH) augmente significativement dans le sang; la quantité d'isoenzyme LDH1, également appelée H4, 24 heures après la crise cardiaque tend à dépasser la concentration de l'isoenzyme LDH2 ou MH3. La variation du rapport [LDH1] / [LDH2] avec l'augmentation de la concentration sanguine d'une autre enzyme cardiaque, la créatine kinase (CK), est un signe clair d'un infarctus du myocarde récent.
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Diagnostic des Maladies Cardiaques
Comme mentionné précédemment, une augmentation des niveaux de LDH1 et LDH2 dans le sang peut indiquer une lésion cardiaque, telle qu'un infarctus du myocarde. Dans ce cas, la LDH1, qui est prédominante dans le muscle cardiaque, est libérée dans le sang en raison de la mort des cellules cardiaques.
Diagnostic des Maladies Hépatiques
Une augmentation des niveaux de LDH5, qui est prédominante dans le foie et les muscles squelettiques, peut suggérer une atteinte hépatique, telle qu'une hépatite ou une cirrhose. Dans ce cas, la LDH5 est libérée dans le sang en raison de la lésion des cellules hépatiques.
Diagnostic des Maladies Musculaires
Une augmentation des niveaux de LDH5 peut également indiquer une atteinte musculaire, telle qu'une dystrophie musculaire ou une rhabdomyolyse. Dans ce cas, la LDH5 est libérée dans le sang en raison de la destruction des cellules musculaires.
Glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (GAPDH)
La glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (GAPDH) (EC 1.2.1.12) est une enzyme catalysant une étape de la glycolyse (ou cycle de Krebs) et aboutissant à la synthèse d'une molécule de NADH (nicotinamide-adénine-dinucléotide sous sa forme réduite). Elle est indispensable pour tous les êtres vivants.
Structure et Fonction de la GAPDH
Dans des conditions cellulaires normales, la GAPDH cytoplasmique existe principalement sous forme de tétramère. Cette forme se compose de quatre sous-unités identiques de 37 kDa, contenant chacune un seul groupe thiol catalytique, qui sont cruciales pour la fonction catalytique de l'enzyme.
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La glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase est une enzyme impliquée dans l'une des réactions les plus importantes de la glycolyse Embden-Meyerhof, puisqu'elle catalyse une étape dans laquelle est généré le premier intermédiaire haute énergie, et génère également une paire d'équivalents de réduction (sous la forme de NADH). Dans la réaction de catalyse et conversion du glycéraldéhyde-3-phosphate en 1,3-bisphosphoglycérate, une liaison phosphate riche en énergie est établie, qui est ensuite transférée à l'ADP dans l'étape suivante de la glycolyse, qui produit de l'ATP.
Chimiquement, la réaction implique l'oxydation du carbonyle de glycéraldéhyde-3-phosphate en un carboxyle, qui est exergonique dans des conditions standard; dans la réaction in vivo, dans laquelle cette énergie est utilisée pour générer un composé de haute énergie, d'autre part, la réaction est légèrement endergonique, car une partie de cette énergie est stockée dans un groupe acyle-phosphate, ou anhydride d'acide carboxylique- phosphorique, qui a une énergie d'hydrolyse libre standard de ΔG0 = -49,4 kJ/mol. De plus, l'enzyme nécessite la coenzyme NAD+ afin de sauver les électrons de l'oxydation.du substrat.
GAPDH et Apoptose
La glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (GAPDH) est une enzyme omniprésente impliquée dans la glycolyse et montrée, en particulier dans les cellules animales, pour jouer des rôles supplémentaires dans plusieurs processus non métaboliques indépendants tels que le contrôle de l'expression des gènes et l'apoptose. Cette polyvalence fonctionnelle est régulée, en partie au moins, par des modifications post-traductionnelles redox qui altèrent l'activité catalytique de la GAPDH et influencent la localisation subcellulaire de l'enzyme.
Le résidu de cystéine Cys152 dans le centre actif de l'enzyme est requis pour l'induction de l'apoptose par le stress oxydatif. En particulier, les modifications post-traductionnelles de la GAPDH cytoplasmique contribuent à ses fonctions en dehors de la glycolyse.
GAPDH dans les Plantes
Malgré les propriétés bien établies d'éclairage au noir (multifonctionnel) de la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase animale, on sait peu de choses sur les rôles non métaboliques de la GAPDH dans les plantes. Les cellules végétales contiennent plusieurs isoformes de GAPDH aux propriétés catalytiques et régulatrices différentes, localisées à la fois dans le cytoplasme et dans les plastes, et participant à la glycolyse et au cycle de Calvin-Benson. Une caractéristique générale de toutes les protéines GAPDH est la présence d'une cystéine catalytique acide dans le site actif qui est trop sensible aux modifications oxydatives, y compris la glutathionylation et la S-nitrosylation.
Chez Arabidopsis, la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénasecytoplasmique modifiée par oxydation a été utilisée avec succès comme outil pour étudier le rôle du glutathion réduit, des thiorédoxines et des glutarédoxines dans le contrôle de différents types de modifications post-traductionnelles redox. Les modifications oxydatives inhibent l'activité de la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase, mais pourraient permettre des fonctions supplémentaires dans les cellules végétales. De plus en plus de preuves soutiennent le concept selon lequel la GAPDH cytoplasmique végétale peut remplir des fonctions alternatives non métaboliques qui sont déclenchées par des modifications post-traductionnelles redox de la protéine dans des conditions de stress.
Isoenzymes
Une isoenzyme (ou isozyme, allozyme) est chacune des formes d'une enzyme, différant par leur charge électrique et leur structure quaternaire, et séparables par électrophorèse. Les isoenzymes sont des enzymes qui catalysent la même réaction, mais ont une structure chimique différente et des propriétés chimiques et physiques différentes, telles que le pH, le point isoélectrique, la conductivité électrique et la mobilité électrophorétique.
Elles peuvent être présentes dans la même espèce animale ou végétale, dans différents individus, ou même dans le même organisme au niveau de différents districts cellulaires.
Les isoenzymes peuvent dériver soit de gènes différents, soit de différentes modifications post-traductionnelles, soit de l'assemblage alternatif des différentes sous-unités. Par exemple cinq isoenzymes différentes caractérisent la lactate déshydrogénase (LDH), toutes tétramères puis quatre chaînes polypeptidiques mais deux types différents, M et H.
À partir des différentes combinaisons des deux chaînes, cela propose cinq isoenzymes : M4, M3H, M2H2, MH3, H4. Les isoenzymes étant réparties différemment dans les différents organes, l'analyse quantitative de celles-ci permet de remonter à l'organe cible de la pathologie. Les niveaux ainsi altérés sont des indices spécifiques de certaines maladies telles que le coeur, les muscles, les os, etc. pour cela, ils sont des diagnostics très utiles.
De plus, en particulier dans le règne végétal, ils sont utilisés depuis longtemps (aujourd'hui en partie abandonnés à cause de l'avènement des marqueurs d'ADN) comme marqueurs moléculaires, dans le but de caractériser les individus appartenant à un groupe taxonomique (par ex. cultivars de la même espèce ou entre individus d'une population).
Exemples d'Isoenzymes
Des exemples importants d'isoenzymes humaines sont :
- du cytochrome P450, tous d'origine hépatique;
- des isoenzymes de la créatine kinase (également connue sous le nom de créatine phosphokinase) (CK ou CPK) CK-MB, CK-MM, CK-BB. La créatine kinase est une protéine dimérique caractérisée par la présence de deux chaînes polypeptidiques : M et B. leur recombinaison génère les trois isozymes : CK-MM, CK-MB et CK-BB. Les isoenzymes de la créatine kinase (CK), enzymes situées principalement dans le tissu musculaire, présentent une topographie différente qui permet de diagnostiquer quel tissu de l'organisme a été touché par une pathologie spécifique. La première isoenzyme MM est particulièrement fréquente au niveau du muscle squelettique; la deuxième isoenzyme MB est très fréquente dans le muscle cardiaque, ce n'est pas un hasard si une augmentation de cette enzyme diagnostique peut être observée chez un individu atteint d'un infarctus du myocarde. Enfin l'isoenzyme BB est principalement concentrée au niveau du cerveau;
- de la phosphatase alcaline (ALP) ALP1, ALP2, ALP3, ALP4;
- de l'amylase pancréatique et salivaire;
- de la lactate déshydrogénase (LDH) LDH1, LDH2, LDH3, LDH4, LDH5. L'enzyme lactate déshydrogénase est une protéine tétramère qui possède quatre chaînes polypetides dont les différentes combinaisons permettent de rapporter cinq isoenzymes.
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