Excrétion azotée: éléments de synthèse.

Plan du cours

-Qu’est ce que l’excrétion ?

-Catabolisme des protéines et des acides nucléiques

-Toxicité et voies de détoxification de l’ammoniac

-Voies d’excrétions et habitats

-Mécanismes fondamentaux de l’excrétion et appareils excréteurs

-Excrétion azotée et osmorégulation

frederic.ysnel@univ-rennes1.fr

lipides

C, H, O

glucides

décarboxylations oxydation

(tégument, appareil respiratoire)CO2 H2O (eau métabolique résulte de la chaine respiratoire des mitochondries)

Protéines

(a1a2)Acides nucléiques

(bases azotées)

Désaminations……. oxydations

C, H, O, N

IONOREGULATION

(Na+, H+, K+, Cl- )

RESPIRATION OSMOREGULATION

NH3+, NH4, urée, acide urique, bases azotées, TMAO….

EXCRETION AZOTEE

Excrétion

Porphyrines*

(* = urobiline, stercobiline)

Urée

Acide urique Guanine

Allantoïne

Créatinine

Triméthylamine

TMAO

NH4 +

NH3

Ion ammonium

AmmoniaquePrincipaux produits du catabolisme azoté

Catabolisme protéique et séquence de « trans-désamination » aboutissant à la formation de NH4

+ et de NH3 ou de métabolites transporteurs de "groupements NH2 ».

Transamination (1)

Désamination

oxydative (2)

Les transporteurs de groupements NH2 sont soumis à des désaminations

oxydatives ou à des déshydratations (mitochondries).

Déshydratation

(NH4+)*

1 et 2: désamination oxydative indirecte

*: désamination oxydative directe des acides aminés possible

= squelettes hydrocarbonés

réutilisés dans le métabolisme

IMP = inosine monophosphate

AMP = adénosine monophosphate

Le cycle des nucléotides puriques comme système de désamination des acides aminés provenant des protéines.

Système qui implique la participation d'AMP et d'IMP d'où son nom de cycle des nucléotides puriques .

Ce système paraît limité chez les vertébrés à certains tissus des mammifères, essentiellement aux muscles.

Chez les invertébrés, il pourrait intervenir au niveau de l'hépatopancréas des mollusques.

* Catabolisme des bases puriques

*Catabolisme des bases pyrimidiques

Pyrimidine

Phospatase, phosphorylase, désamination, oxydation

ß-alanine pour les ribonucléotides dérivés des ARN,

ß-amino isobutyrate (BAIBA) pour les

désoxyribonucléotides dérivés de l'ADN.

+ NH3

la toxicité de l’ammoniaque

•Modification de ph intra-cellulaire

• effet sur le « pool » des ions hydrogènes donc sur l’activité mitochondriale

• effet « découplant » des phosphorylations oxydatives chez les plantes et

animaux

•Perturbation des mouvements ioniques transmembranaires

• etc…..

Elimination rapide nécessaire….

ou détoxification

nécessaire !!!

Sous forme d’urée peu toxique

peut s’accumuler dans le sang et les cellules

Précipitation et stockage

sous forme de cristaux d’acide urique

Détoxification par uréogenèse

association

scission

scission

mitochondrie

Cytosol

Bilan : 2 molécules d’ATP; Mise en évidence dans le foie des Vertébrés

mitochondrieDétoxification par uricogenèse

Hyaloplasme

condensation

transamination

Bilan: 5 molécules d’ATP ! – mise en évidence chez Vertébrés terrestres,

système « supposé analogue » chez les invertébrés terrestres…

De l’importance de la disponibilité en eau….

Elimination d’1 gr d’azote sous forme d’ions ammonium 500 ml d’H20

Elimination d’1 gr d’azote sous forme d’urée 5 ml d’H20

L’urée très soluble moins toxique est accumulée à des concentrations 50 fois supérieure.

(La concentration de l’urée dans le plasma peut donc être 50 fois supérieure à celle de NH4+)

L’urée contient 2 fois plus d’azote que NH4+ ….

L’ammoniaque est très toxique mais aussi très soluble ….

Acide urique

GuanineComposés peu solubles, précipitation en cristaux,

éliminables sans eau = « urine sèche »

NH4+

Protéines

Acides nucléiques

a1, a2

Bases pyrimidiques Bases puriques

NH3, NH4+

urée

acide allantoïque

allantoïne

acide urique

Xanthine,

hypoxanthine

AMMONIOTELIE

GUANOTELIE

URICOTELIEPrimates, Oiseaux, Reptiles,

Insectes et Mollusques terrestres

arachnides

UREOTELIEMammifères,Amphibiens adultes,

Sélaciens,Mollusques pro-parte,

Tortues aquatiques.

Poissons téléostéens, têtards,

Invertébrés aquatiques

Mammifères sauf primates, insectes

et gastéropodes pro parte

Insectes pro parte

uréase

Milieu intérieur

Milieu intra-cellulaire

Voies d’excrétion

• dégradation des acides aminés et des bases pyrimidiques

(réactions de désamination).

95% de l’azote éliminé

• dégradation des bases puriques (adénine et guanine)

5% de l’azote éliminé.

NH3, NH4+

Désamination

uréogenèse

néosynthèse

purique

AMMONIOTELIE

Produits du catabolisme azoté en fonction des différents clades (selon plusieurs auteurs)

Production d'urée par rapport à celle d'ammoniac en fonction de la disponibilité de l'eau dans l'environnement de trois poissons

pulmonés.

Variations des voies d’excrétion

au cours de la vie chez le même individu

Amphibiens • larve : ammoniac; adultes : urée

Dipneustes • vie aquatique : respiration branchiale, ammoniac vie aérienne : respiration pulmonée, urée

en fonction du cycle des marées…

Melaraphe neritoides

.edu.upmc.fr, document René laffont

En fonction d’un rythme

nycthéméral

ultrafiltration : passage passif et non spécifique d’eau et de solutés du milieu intérieur

filtration / réabsorption :

1. ultrafiltration

2. absorption active et sélective de solutés (et d’eau) de l’appareil excréteur vers le

milieu intérieur

ultrafiltration

intérêt :

élimination non sélective de toute substance étrangère, même nouvelle

inconvénient :

nécessité de système de réabsorption active de la majeurs partie de l’eau

et des solutés ultrafiltrés

exemple : rein des mammifères

1 2 urine définitiveurine

primitive

L’urine primitive est formée par ultrafiltration (proto, metanéphridies des

Platheminthes,Mollusques, Crustacés)

transport actif : passage

actif et sélectif de solutés

du milieu intérieur

transport actif

intérêt :

élimination sélective des substances indésirables

inconvénient :

pas de possibilités d’élimination de substances nouvelles

(pour lesquelles il n’existe pas de système actif d’élimination)

tubes de Malpighi

des Insectes, Araignées

urine définitive

mise en évidence : ultrafiltration d’inuline

inuline : polysaccharide végétal de faible poids moléculaire (5000 Da)

•non produite par l’organisme

•non métabolisée par l’organisme

•passe la barrière de filtration

•jamais excrétée manière active

•jamais réabsorbée de manière active

(aucun mécanisme de transport actif connu)

injection d’inuline dans le corps :

si présence d’inuline dans l’urine : ultrafiltration

Excrétion azotée, organes excréteurs et osmorégulation en milieu aquatique

L’excrétion des produits du métabolisme azoté se déroule en phase aqueuse

et est donc étroitement liée aux processus osmorégulateurs

Excrétion azotée, organes excréteurs et osmorégulation en milieu aérien

- ++

Membrane semi-

perméable

H20

Sels

dissouds

POPO

Stress Osmotique

Les liquides externes et internes sont constitués par de l’eau tenant en dissolution des substances minérales

(essentiellement les ions sodium Na et chlorure Cl -) et organiques. Ces substances, se comportant dans

l’eau comme des molécules de gaz dans l’atmosphère, exercent sur les parois des cellules une pression, la

pression osmotique P, qui peut être exprimée en osmoles par litre.

Une différence de pression osmotique de part et d’autre d’une membrane perméable entraîne au moins un déplacement d’eau

(transport osmotique),du milieu le moins concentré vers le plus concentré, les solutés migrant en sens inverse jusqu’à ce que

l’équilibre thermodynamique soit rétabli de part et d’autre de la membrane.

Carcinus est osmoconforme en milieu concentré et osmorégulateur en milieu dilué

Excrétion azotée et osmorégulation en milieu

aquatique:Exemple d’osmorégulateurs et

d’osmoconformes

Protozoaires

vacuole en cours de remplissage

vacuole en cours de contraction

Les vacuoles pulsatiles sont absentes

chez les Protozoaires marins et bien

développées chez les Protozoaires

dulcicoles.

Expulsion d’eau en excès et

d’ammoniaque (?)

Chez les paramécies, la fréquence de

contraction des vacuoles pulsatiles est

d’autant plus élevée que l’eau est

diluée (fréquence maximale dans l’eau

distillée).

Source: alain.hamon@univ-angers.fr

Porifères dulccicoles

vacuole pulsatile

Activité relative de la vacuole pulsatile

Osmolarité de l’eau (milliosmol/l)

Comme chez les paramécies, la fréquence de contraction des vacuoles pulsatiles est d’autant

plus élevée que l’eau est diluée (plus l’entrée d’eau par osmose est grande et plus les

vacuoles doivent se contracter pour expulser l’eau et de l’ammoniaque).

Eponge d’eau douce

Source: alain.hamon@univ-angers.fr

• Des organes excréteurs plus ou moins complexes, grâce auxquels ils rejettent les déchets à l'extérieur du corps. Ces organes sont constitués par des unités appelées néphridies

• Protonéphridies , Néphridie à solénocytes, Métanéphridies

Cas des « invertébrés » aquatiques:Protostomiens, Céphalocordés.

la protonéphridie

organe excréteur terminé en cul-de-sac !

paroi mince syncitiale

cellule flamme (plusieurs cils)

flamme : cils aglomérés

Tubule excréteur

Plathelminthes, némertes,

formes larvaires des annélides et des mollusques (trochophore)

-Ultrafiltration (dépression)

-Réabsorption active (ions, H2O en cas de

stress Hydrique)

Ultra

Réabsortion

Branchiostoma lanceolata

double drainage:

-Cavité coelomique

- Système sanguin

Mais aussi des Céphalocordés

organe néphridien avec protonéphridies….

De nombreux Annélides…..

Solénocyte(1 seul cil)

Ampoulecommune

cavité coelomique

pore excréteur

tubule néphridien

Les métanéphridies ( d’origine mésodermique ), coelomates uniquement

organe excréteur ouvert aux deux extrémités, non ramifié

cavité coelomique

pore excréteur urinaire

tubule néphridien très contourné

néphrostome cilié ouvert capillaire

vessie

cavité coelomique

coelomoducte

métanéphridie

intestin milieu extérieur

Cas des Annélides

Ultrafiltration

Réabsorption active,

(H2O, K+, NA+…

Mécanismes de survie des osmorégulateurs au niveau des estuaires…

Comment les osmorégulateurs maintiennent–ils

une osmolarité stable de leur LEC ?

Cas du polychète Nereis diversicolor qui vit

dans la vase des estuaires. Quand la salinité de

l’eau varie entre 35g/l et 8g/l, il est

osmoconforme. Si la salinité est inférieure à

8g/l, il devient osmorégulateur.

Source: alain.hamon@univ-angers.fr

Mécanismes de survie des osmorégulateurs

Trois mécanismes permettent à Nereis diversicolor de maintenir une osmolarité

extracellulaire supérieure à celle de l’eau des estuaires :

néphridie deNereis

diversicolor

néphridie dePerinereis cultrifera

- il possède un tégument moins perméable à l’eau que d’autres polychètes ( limitation

des entrées d’eau par osmose). ,

- son tégument absorbe activement des ions Na+ grâce à des pompes utilisant de l’ATP

comme source d’énergie.

- il rejette une urine abondante et très diluée par rapport au LEC. Cette dilution est

due à une réabsorption très active de Na+ par les néphridies

Source: alain.hamon@univ-angers.fr

2) organe de Bojanus des Mollusques (ex: gastéropodes)

oreillette ventricule

uretère

orifice réno-péricardique

fonctionnement :

filtration / réabsorption

rein : filtration depuis

l’hémolymphe (pas de passage

pas l’orifice réno-péricardique)

poche néphridienne : réabsorption

d’ions et d’eau

rein = organe de Bojanus

dérivé de métanéphridies groupées

en « rein »

poche néphridienne

3 ) La glande antennaire des Crustacés décapodesTissus osmotiques actifs

Ultrafiltration

Réabsorption

active

Urine

secondaire

Arthropodes:

- régression des coelomoductes excréteurs (métanephridies)

-subsistance de cavités ceolomiques dans les métamères céphaliques

-présence « d’organes segmentaires » dans la partie antérieure

C. maenas est capable de réguler la teneur en ammoniaque de ces compartiments

corporels, maintient un niveau d'activité élevé de son métabolisme azoté pendant

l'émersion et, développant une faible hypoxie interne, il a peu recours au métabolisme

anaérobie. Cette étude montre que la régulation du métabolisme azoté et la détoxication

ammoniacale chez cette espèce repose sur la synthèse d'acides aminés et leur stockage

dans le tissu musculaire au cours de l'émersion. Chez ces deux espèces la libération rapide

d'une forte quantité d'ammoniaque dès la ré-immersion, suggère l'existence d'un

compartiment extracellulaire en contact direct avec le milieu environnant, qui aurait stocké

au cours de l'émersion une part de l'ammoniaque produit. L'augmentation de certains

glycosaminoglycanes dans les branchies de C. maenas, suggèrent le rôle possible de ces

polyanions dans le piégeage de l'ammoniaque au cours de l'émersion….

(Thèse Durand Fabrice, Université Paris VI)

Les néphrocytes des branchies de crabe

Les branchies: stockage temporaire et organe excréteur….

Stockage puis rejet

l’hémolymphe

Excrétion par les

branchies

Cas des vertébrés aquatiques

Les néphrons de ces poissons dulcicoles ont des glomérules bien développés, ce

qui facilite l’ultrafiltration et donc la production d’urine.

Le segment intermédiaire est absent chez les Poissons, Cyclostomeset court chez les Reptiles et Amphibiens.

Ultrafiltration

L’osmorégulation chez les Poissons Téléostéens marins

canal collecteur

tubule

Néphrons sans glomérule chez l’hippocampe

Dans tous les cas (vertébrés, Invertébrés) les branchies jouent un

rôle fondamental dans l’excrétion

(d’après Maetz, 1972)

Cyprinidés : carpe (Téléostéens)

élimination d’azote par les branchies 6 à 10 fois plus que par les reins (90 % ammoniac, 10 % urée)

Stratégie des osmorégulateurs - ++

Membrane semi- perméable

….et de NH3+ par transport actif

Les branchies ont une grande surface d’échange, ce qui entraîne des pertes d’eau par osmose. Les pertes d’eau tégumentaires

sont négligeables (écailles et mucus) et les pertes rénales sont faibles (néphrons avec de petits glomérules ou sans glomérules).

Pour compenser ces pertes d’eau, les téléostéens marins boivent de l’eau de mer.

1100 mOsm/l

300

Glomérule petit !

NH2

(diffusion)

par transport actif

Glomérule développé !

Stratégies adoptées par les osmoconformes

- quand la salinité de l’eau de mer diminue, les cellules laissent échapper certains acides aminés

comme la glycine, l’alanine, la taurine, etc … de façon à diminuer l’osmolarité intracellulaire,

-quand la salinité de l’eau de mer augmente, les cellules synthétisent des acides aminés (glycine, taurine,proline..)

de façon à augmenter l’osmolarité intracellulaire.

1)Les acides aminés (glycine, taurine…)n’ont pas d’effet perturbateur sur la glycolyse

En milieu marin la salinité est stable et l’osmorégulation est inutile.

C’est pourquoi la plupart des invertébrés marins sont osmoconformes.

2)Des concentrations élevées de glycine ou de proline ne perturbent pas la synthèseprotéique

A l’inverse des fluctuations de concentration ioniques:

L’Urémie physiologique chez les Sélaciens

Urée = Osmolyte

1200

200

400

600

800

1000

Osmolarité (mOsmol/l)

eau de mer

urée

( 40%)

invertébré osmoconforme

téléostéen marin

requin raie

sels

Chez les Sélaciens (requins, raies), les

LEC ont la même osmolarité que l’eau de

mer grâce à une concentration élevée en

NaCl et en urée. Conséquence : pas de

pertes d’eau ( avec les téléostéens).

Une concentration aussi élevée d’urée

dans le LEC et le LIC serait mortelle chez

l’homme (l’urée dénature les protéines).

Chez les Sélaciens, ces effets délétères

de l’urée sont empêchés par la présence

d’un stabilisateur de la structure des

protéines: l’oxyde de triméthylamine

(TMAO)

TMAOSource: alain.hamon@univ-angers.fr

Excrétion en milieu aérien: des adaptations morpho-physiologiques importantes des organes impliqués

• Tubes de malphighi des insectes (urine primitive formée par secrétion)

• Rein des vertébrés

2 exemples:

Organes segmentaires des Arachnides : les glandes coxales

Réabsorption

(système d’appoint)

Ultrafiltration

Le segment intermédiaire des

Oiseaux et Mammifères:

un tube en épingle ou

anse de Henlé.

+ l’anse est longue, + l’animal récupère de l’eau

Castor anse courte [urine] = 2 x [plasma]

Homme anse moyenne [urine] = 5 x [plasma]

Rongeur désertique anse longue [urine] = 25 x [plasma]

Chez les oiseaux et les squamates

• Excrétion sous forme d'acide urique. Cet acide arrive dans le cloaque où ils rejoint des composés basique. Des sels d'ammoniaque précipitent ce qui permet 1) de stocker les déchets azotés sans avoir de problèmes de pression osmotique et 2) de récupérer de l'eau.

Les néphrons des mammifères marins, comme chez tous les mammifères, sont

capables de produire une urine concentrée.

Les néphrocytes des branchies de crabe

Les sphérocristaux de l’intestin

des Insectes

Excrétion par diffusion + vacuole pulsative

A) Protozoaires et Diploblastiques (Porifères, Cnidaires, Cténaires)

B) Tribloblastiques acoelomates (plathelminthes, nématodes…)

+ Système excréteur simple

Diffusion tégumentaire

Cavité

coelomique Coelomoducte excréteur(drainage du compartiment coelomique)

Ex: métanéphridies Annélides

C) Tribloblastiques coelomates

Bilatéralia = mise en place d’organes excréteurs

Cavité

Coelomique

réduite

Drainage d’un liquide

interstitiel

Organe

excréteur

spécialisé

Ex: « rein», néphron,

glandes antennaires et

coxales

animaux sans appareil excréteur identifié

Cordés

Echinodermes

Arthropodes

Annélides

Mollusques

Némathelminthes

Némertes

Plathelminthes

Démosponges

Cnidaires

StomocordésHémicordés

Nématodes

Protostomiens

Deutérostomiens

Tri

plo

bla

stiques ;

bilaté

riens

Eum

éta

zoair

es

Cnidaires et Échinodermes et Urochordés

pas de lien phylétique !

élimination par

diffusion

Les voies d’excrétion sont plus dépendantes du milieu de vie que de la phylogénie

D’un point de vue physiologique et morpho-anatomique , la subdivision n’est plus phylétique mais est plus pertinente vue

sous l’approche aquatique/ aérien…et conquête du milieu aérien

• Excrétion et osmorégulation au sens large: attention…!