Introduction
La lactate déshydrogénase (LDH) est une enzyme cruciale dans le métabolisme cellulaire, catalysant la conversion réversible du pyruvate en lactate, une réaction d'oxydoréduction où le pyruvate est réduit en lactate et le NADH est réoxydé en NAD+. Cette enzyme joue un rôle essentiel dans la fermentation lactique, un processus qui permet la production d'ATP en absence d'oxygène. Cet article explorera la structure, la fonction et les implications physiologiques de la LDH, en mettant l'accent sur son rôle dans les conditions d'hypoxie et son importance dans divers types cellulaires.
Structure et Poids Moléculaire de la LDH
La LDH est une enzyme tétramérique, composée de quatre sous-unités. Il existe plusieurs isoformes de la LDH, résultant de différentes combinaisons de deux types de sous-unités, souvent appelées M et H. Le poids moléculaire (PM) observé de la LDH est d'environ 36 kDa dans des conditions réductrices. Certaines sources indiquent également un poids moléculaire d'environ 43 kDa pour des complexes contenant du fer et du saccharose.
Fonction de la LDH
La LDH catalyse la réaction suivante :
Pyruvate + NADH + H+ ⇌ Lactate + NAD+
Cette réaction est particulièrement importante dans les conditions d'hypoxie, où la chaîne respiratoire mitochondriale ne peut pas fonctionner efficacement en raison du manque d'oxygène. Dans ces conditions, la LDH permet la régénération du NAD+, qui est essentiel pour la glycolyse, la voie métabolique qui dégrade le glucose pour produire de l'ATP.
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Rôle de la LDH en Hypoxie
En situation d'hypoxie, les cellules produisent davantage de LDH, ce qui favorise la conversion du pyruvate en lactate. Ce processus, appelé fermentation lactique, permet de maintenir la production d'ATP même en absence d'oxygène. Les études montrent qu'en hypoxie, il y a une plus grande libération de LDH par les cellules dans le milieu extracellulaire.
D'autres investigations ont montré qu’en situation d’hypoxie le pyruvate formé lors de la glycolyse ne pouvait plus pénétrer dans la matrice mitochondriale. L’inactivation de la pyruvate déshydrogénase conduit donc à l’arrêt de synthèse d’acétyl-coA. Or pour que le pyruvate puisse passer la membrane interne mitochondriale (très imperméable) il utilise un symport protons/pyruvate aussi appelé pyruvate translocase, permettant le transport du pyruvate et des protons vers la matrice. Ce transport est un transport actif secondaire de sorte qu’il utilise l’énergie contenue dans le gradient électrochimique des protons. Donc en situation d’hypoxie le pyruvate ne peut plus aller dans les mitochondries pour être transformé dans le cycle de Krebs et fournir de l’ATP aux cellules.
LDH et Protéine HIF1-α
La protéine HIF1-α (Hypoxia Inducible Factor) est une protéine du cytoplasme de toutes les cellules qui est activée en situation d'hypoxie. La donnée issue de la troisième expérience permet d’affirmer que la protéine HIF1-α active la protéine PDK1. En absence d’hypoxie il ne devrait pas y avoir activation de PDK1 car pas de présence de HIF1-α. Cependant nous avons déjà dit que PDK1 était tout de même présente en petite quantité en normoxie, il est fait l’hypothèse que la cellule exprime toujours une petite quantité de PDK1, même sans hypoxie.
Isoformes de la LDH
Il existe cinq isoformes principales de la LDH, chacune étant prédominante dans différents tissus :
- LDH-1 (HHHH): Prédominante dans le cœur et les globules rouges.
- LDH-2 (HHHM): Prédominante dans le système réticulo-endothélial.
- LDH-3 (HHMM): Prédominante dans les poumons.
- LDH-4 (HMMM): Prédominante dans les reins et le placenta.
- LDH-5 (MMMM): Prédominante dans le foie et les muscles squelettiques.
La distribution tissulaire spécifique des isoformes de la LDH reflète les besoins métaboliques de chaque tissu. Par exemple, le muscle squelettique, qui peut fonctionner en conditions aérobies et anaérobies, contient une proportion élevée de LDH-5, ce qui facilite la production d'ATP par fermentation lactique lors d'un effort intense.
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Implications Cliniques
La LDH est utilisée comme marqueur clinique pour détecter les dommages tissulaires. Une élévation des niveaux de LDH dans le sérum peut indiquer diverses conditions médicales, telles que :
- Infarctus du myocarde: L'élévation de LDH-1 et LDH-2 peut indiquer des dommages au cœur.
- Hépatite: L'élévation de LDH-5 peut indiquer des dommages au foie.
- Lésions musculaires: L'élévation de LDH-5 peut indiquer des dommages aux muscles squelettiques.
- Anémie hémolytique: L'élévation de LDH-1 peut indiquer la destruction des globules rouges.
- Cancer: Certains cancers peuvent entraîner une élévation des niveaux de LDH.
Il est important de noter que l'élévation de la LDH n'est pas spécifique à une seule condition médicale, et des tests supplémentaires sont nécessaires pour déterminer la cause sous-jacente.
Facteurs Affectant l'Expression de la LDH
Plusieurs facteurs peuvent influencer l'expression et l'activité de la LDH, notamment :
- Hypoxie: L'hypoxie induit l'expression de la LDH, en particulier l'isoforme LDH-5.
- Exercice physique: L'exercice intense peut augmenter l'activité de la LDH dans les muscles squelettiques.
- Hormones: Certaines hormones, comme l'insuline, peuvent influencer l'expression de la LDH.
- Facteurs de croissance: Les facteurs de croissance peuvent réguler l'expression de la LDH dans différents types cellulaires.
Applications de Recherche
La LDH est largement utilisée dans la recherche biomédicale pour étudier le métabolisme cellulaire et les réponses à l'hypoxie. Elle est également utilisée comme marqueur de cytotoxicité dans les études in vitro, où la libération de LDH dans le milieu de culture indique des dommages cellulaires.
Expériences et Études
Des chercheurs ont étudié l’effet de l’hypoxie sur l’expression protéique d’une enzyme appelée lactate déshydrogénase (abrégée LDH). Le paramètre mesuré est le pourcentage de libération de LDH dans le milieu extracellulaire par deux types cellulaires (cellules CACO-2 et hépatocytes) en normoxie et en hypoxie. En hypoxie les résultats de l’expérience montrent une plus grande libération de lactate déshydrogénase (LDH) par les cellules. La première hypothèse permet de dire qu’en hypoxie la cellule produit davantage de LDH. Selon la réaction donnée dans l’énoncé le pyruvate cytoplasmique sera alors pris en charge davantage par cette enzyme pour donner du lactate et du NAD+. Ce qu’il faut remarquer c’est qu’il s’agit d’une réaction d’oxydo-réduction, le pyruvate est réduit en lactate et le NADH est réoxydé en NAD+. Cette réaction permise par la LDH cytoplasmique est appelée fermentation lactique et a lieu en hypoxie. La deuxième hypothèse ne permet pas de dire qu’en hypoxie la cellule produit davantage de LDH.
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Le Complexe d'Hydroxyde Ferrique-Saccharose et le Poids Moléculaire
Le fer-saccharose, la substance active de FER VIATRIS, est composé d’un noyau d’hydroxyde de fer(III) polynucléaire entouré d’un grand nombre de molécules de saccharose liées de façon non covalente. Le poids moléculaire (PM) moyen du complexe est d’environ 43 kDa. Le noyau de fer polynucléaire possède une structure similaire à celle du noyau de la ferritine, la protéine de stockage du fer physiologique. Après une administration intraveineuse, le noyau de fer polynucléaire du complexe est capté essentiellement par le système réticulo-endothélial dans le foie, la rate et la moelle osseuse.
Immunoblot et Western Blot
L’immunoblot est une technique légèrement différente du western blot de l’expérience 1. Le western blot utilise des anticorps dirigés spécifiquement contre la protéine à révéler, ce qui produit une bande si la protéine est présente dans la condition testée. Mais l’étape utilisant l’anticorps dirigé contre cette protéine succède à une étape d’électrophorèse qui permet de séparer les différentes protéines d’une cellule en fonction de leur poids moléculaire. La technique d’immunoblot n’utilise pas l’étape d’électrophorèse et est donc plus rapide et plus simple à mettre en place. Cependant il y a une contrainte à respecter pour utiliser cette technique à la place d’un western blot. L’électrophorèse permet de séparer les différentes protéines d’une cellule selon le poids moléculaire (les plus grosses protéines migreront moins vite vers le bas et seront retrouvées en haut de la membrane, les plus petites protéines seront en bas de la membrane). Cela permet ainsi de séparer dans l’espace deux protéines très proches (en pratique on parle de deux isoformes). Si le chercheur souhaite détecter une protéine, par exemple PDK1, il faut que l’anticorps détectant PDK1 soit très spécifique de PDK1 car il existe en réalité plusieurs isoformes de PDKs. Un anticorps peu spécifique de PDK1 pourrait éventuellement détecter d’autres isoformes de PDKs. Si l’immunoblot a été utilisé avec un tel anticorps alors il détectera différentes isoformes de PDKs au même niveau de la membrane, les bandes seront confondues et le chercheur n’aura aucun moyen de savoir ce qui a été détecté.
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