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Coenzymes de transfert
TPP (thiamine pyrophosphate)

Structure du TPP

1. La TPP (thiamine-pyrophosphate) ou pyrophosphate de thiamine, dérivée de la thiamine (vitamine b₁), est constituée par :

• un cycle aminopyrimidine,
• un cycle thiazole
• deux groupes diphosphate.

Remarque : la synthèse du TPP est décrite dans larticle de Wikipédia.

2. Le thiazole, hétérocycle contenant à la fois un atome d'azote et un atome de soufre, est la partie de la molécule la plus impliquée dans les réactions biochimiques.

Enzymes et liaisons

1. La TPP, considérée comme une coenzyme, se lie aux différentes enzymes par des interactions non covalentes, mais très fortes, souvent par :

• son groupe pyrophosphate avec un ion Mg⁺⁺ présent dans le site actif et avec des résidus chargés positivement comme la lysine ou l'arginine qui stabilisent électrostatiquement le pyrophosphate,
• son cycle pyrimidine avec des liaisons hydrogène et des forces de Van der Waals avec des résidus d’acides aminés de l'enzyme,
• le cycle thiazole par C2, le centre catalytique, avec le substrat.

2. En particulier, Mg⁺⁺, comme avec les NTP (nucléosides triphosphates), i.e. ATP, GTP…, se coordonne aux oxygènes du pyrophosphate, neutralise les charges négatives et stabilise l’ancrage de k-la TPP dans le site actif de l’enzyme et permet le bon positionnement du carbone C2 du cycle thiazole.

Rôle du TPP

1. La TPP intervient le plus souvent dans les enzymes E1, i.e. décarboxylases ou C-C lyases, des complexes multienzymatiques déjà cités pour le lipoamide ( tableau ci-dessous).

Complexe	Nom complet d’E1	Substrat	Produit après E1
Complese pyruvate déshydrogénase (PDC)	Pyruvate déshydrogénase	Pyruvate	Hydroxyéthyl-TPP
Complexe oxoglutarate déshydrogénase (OGDC)	α-cétoglutarate déshydrogénase (OGDH ou KGDH)	α-cétoglutarate	Succinyl-TPP
Complexe branched-chain α-cétoacide déshy- drogénase (BCKDC)	α-cétoacide déshydrogénase (BCKDHA, BCKDHB)	α-cétoisocaproate (leucine) α-céto-β-méthyl valérate (isoleucine) α-céto isovalérate (valine)	Acyl-TPP
Complexe 2-oxoadipate déshydrogénase (OADHC)	2-oxoadipate déshydrogénase (DHTKD1)	2-oxoadipate	Hydroxyacyl- TPP
Complexe de clivage de la glycine (GDC)	Protéine P	Glycine	CO2 + méthylène

4. La TPP intervient aussi comme transcétolase dans la voie des pentoses phosphates, où elle transfère des groupes glycolaldéhyde " activé " ($\ce{-HC(=O)-CH2-O}$), entre sucres phosphorylés avec formation d'un cétose à 6 ou 7 atomes de carbone.

$\ce{Xylulose-5-P + Ribose-5-P}$ $\longrightarrow$ $\ce{Glycéraldéhyde-3-P + Sedoheptulose-7-P}$

Mécanisme d'action de la TPP

Les grandes étapes de l'activité catalytique de la TPP, principalement due au groupe thiazole qui contient un proton acide en C2, sont les suivantes.

1. Le TPP est activé, pour former un ylide ou ylure en français, i.e. composé avec des charges positives et négatives sur les atomes adjacents, par l'arrachage facile du proton de C2 par :

• le plus souvent, un acide aminé basique comme une histidine ou une lysine du site actif de l’enzyme,
• parfois, un groupe hydroxyle activé comme un sérine-OH déprotonée ou une molécule d'eau activée.

a. L'atome de carbone C2 de ce cycle est donc capable d'agir comme un acide en cédant un proton pour former un carbanion.

• 

  Un carbanion est un anion avec un doublet non liant (lone pair en anglais) attaché à un atome de carbone trivalent, i.e. donne à l’atome de carbone une charge négative.
• Les carbanions sont des intermédiaires de réaction.

Remarque : les réactions qui donnent des carbanions sont généralement très défavorables d'un point de vue thermodynamique.

b. Cependant, le carbanion formé est stabilisé par résonance dans le cycle thiazole.

• La charge électrique positive de l'atome d'azote tétravalent adjacent au carbanion a pour effet de stabiliser la charge électrique négative de ce dernier (The Structural and Biochemical Foundations of Thiamin Biosynthesis 2018).
• La structure plane et aromatique du cycle thiazole facilite la délocalisation électronique.
• L’environnement enzymatique abaisse le pKa du proton, ce qui facilite son arrachage.

2. Ce carbanion, par une attaque nucléophile, attaque le carbone carbonyle d’un acide α-cétonique comme le pyruvate.

3. La liaison ciblée sur le substrat est rompue et ses électrons sont attirés vers le TPP.

Cela crée une double liaison entre le carbone du substrat et le carbone TPP et pousse les électrons de la double liaison N-C du TPP entièrement sur l’atome d’azote, le réduisant d’une forme positive à une forme neutre.

4. Un intermédiaire covalent est formé entre la TPP et le substrat, ce qui permet, par la stabilisation du TPP, :

• la décarboxylation, i.e. perte facile d'un groupe carboxyle ($\ce{-C(=O)OH}$), dans le cas des acides α-cétoniques comme le pyruvate,
• le transfert de groupes à 2 carbones, i.e. comme dans les transcétolases.

5. Les électrons sont repoussés dans la direction opposée en formant une nouvelle liaison entre le carbone du substrat et un autre atome.

• Dans le cas des décarboxylases, cela crée une nouvelle liaison carbone-hydrogène.
• Dans le cas des transcétolases, on assiste à une attaque d'une nouvelle molécule de substrat pour former une nouvelle liaison carbone-carbone.

6. La liaison TPP-substrat est rompue, reformant l’ylide TPP et le substrat carbonyle.

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