CosmeticOBS - L'Observatoire des Cosmétiques
18 mars 2015Ingrédients

Le PCA ou acide L-pyrrolidone carboxylique - Partie 1 Ajouter à mon portfolio
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Qui d’entre nous n’a jamais entendu parler du PCA ? Universellement connu en cosmétique, à tel point qu’il en vient même à passer presque inaperçu dans les formules, le PCA constitue depuis toujours l’une des meilleures options pour hydrater la peau. Considéré comme l’hydratant physiologique de référence et cité dans tous les manuels de cosmétologie en raison de sa présence majoritaire au sein du NMF (Natural Moisturizing Factor - Facteur Naturel d’Hydratation de la peau), le PCA fait toutefois aujourd’hui trop souvent office de commodité cosmétique…

Temps de lecture : ~ 17 minutes

Fréquemment associé au sodium voire au potassium qui lui confèrent des propriétés humectantes tout en agissant sur le flux hydrique intra et extracellulaire, on a toujours attribué au PCA la fonction de "transporteur physiologique" sans pour autant se demander s’il n’avait pas un autre rôle, plus biologique, permettant d’expliciter sa présence à forte concentration au niveau cutané.
En effet, métabolite issu de la dégradation la filaggrine, protéine sécrétée par les de
kératinocytes au cours de la différenciation épidermique et dégradée en fin de processus, le PCA n’est-il pas plutôt une molécule signal activant la régénération permanente de la fonction barrière de la peau ?

L’acide L-pyrrolidone carboxylique

Nom usuel : acide pidolique

Synonymes : acide 2-pyrrolidone-5-carboxylique (chimie)  5-oxoproline (biochimie) ou acide pyroglutamique (Merck Index) PCA (cosmétologie)

Poids moléculaire :  129

D'un point de vue chimique, l'acide pyrrolidone carboxylique est le lactame de l'acide glutamique. Il possède un carbone asymétrique d'où l'existence de deux formes actives sur la lumière polarisée (D et L) et d'un racémique (DL).

Pourquoi "L-PCA" ?

Il convient ici de préciser ce point. Il est en effet de toute première importance car la structure tridimensionnelle des protéines, responsable de leurs différentes activités biologiques, nécessite que tous les acides aminés constitutifs appartiennent à la même série stéréochimique. Tous les acides aminés ayant un carbone asymétrique ont la configuration L. Le PCA devra donc, pour s'intégrer dans les chaînes de réaction biologique et fournir des dérivés actifs au sein de l'organisme, être de forme L.

Son histoire

L'acide pyrrolidone carboxylique (PCA) a été découvert en 1882 par Haitinger[1], qui observa que lors de son chauffage, l'acide glutamique perdait une molécule d'eau pour donner un nouveau produit, l'acide pyroglutamique. La structure exacte de la molécule ne fut déterminée qu'en 1892 par Menozzi et Appiani[2]. Cependant, le développement réel de l'acide pidolique ne débuta qu'après la Seconde Guerre mondiale. Dans les années 60, les Docteurs Monge[3], Bocher[4], Harnist[5] et Ciaceri[6], pionniers dans ce domaine, ont réalisé des études sur le PCA et ses sels. Depuis, de nombreux brevets et articles ont été dédiés à cette remarquable molécule dans le monde entier, et il existe aujourd'hui plus de 10 000 publications concernant le PCA et ses dérivés.

Sur le plan de la beauté, c'est Gertrud Pascher[7] la première qui, en 1956, remarqua la concentration élevée de PCA dans le stratum corneum humain. Depuis, de nombreuses études ont été réalisées sur la présence de ce métabolite inhabituel dans le corps humain. Elles ont révélé la présence de PCA à l'état libre, acide ou sel, dans la plupart des tissus et des fluides biologiques et ont confirmé l'hypothèse de G. Pascher selon laquelle cette molécule se retrouve principalement dans le stratum corneum (97 % du PCA présent dans la peau est localisé dans le stratum corneum), où elle s'accumule au terme de la différenciation de l'épiderme.

Le PCA possède une fonction carboxyle qui permet la formation de sels à partir notamment de minéraux. Le faible poids moléculaire du résidu PCA permet d'obtenir un taux de minéral plus élevé comparé à d'autres dérivés couramment utilisés tels que les gluconates ou les orotates. En conséquence, une quantité plus faible de pidolates peut être utilisée pour obtenir le même apport journalier qu'avec les gluconates et les orotates.

Procédé de fabrication

Le PCA est obtenu par cyclisation thermique de l’acide glutamique (réaction de déshydratation). Il est exclusivement obtenu sous la forme L, grâce à un procédé de synthèse permettant de contrôler parfaitement la stéréochimie de la molécule. Il s’agit d’un procédé le plus naturel possible puisqu’au cours des différentes étapes, aucun solvant ni additif chimique n’intervient. L'acide glutamique, quant à lui, est d'origine végétale, issu de la mélasse de betterave à sucre.

Le procédé de synthèse est entièrement automatisé. Les différentes étapes sont enchaînées automatiquement, ce qui permet de garantir une parfaite reproductibilité de la réaction et une qualité constante du produit.
 UCIB, groupe Solabia, est intégralement équipée pour effectuer la réaction de cyclisation de l'acide glutamique, conduisant à la formation du L-PCA.

Le PCA, une molécule physiologique

Le PCA est une molécule physiologique présente dans de nombreux tissus. Même si l’on retrouve 97 % du PCA total dans l'épiderme, on observe la présence d'acide L-pyrrolidone carboxylique dans plusieurs organes comme le cerveau, le foie, et dans des fluides biologiques. Il y a aussi au niveau du foie et du rein des enzymes capables de produire du PCA.

Le L-PCA est un intermédiaire biochimique de composés présents en abondance dans le collagène : la proline et l'hydroxyproline.
• La proline ( Pro ) est un acide aminé non essentiel neutre. Elle joue un rôle important dans la structure des protéines en provoquant la formation d'une courbure de la chaîne polypeptidique.
• L'hydroxyproline correspond à la forme oxydée de la proline. Elle peut être également considérée comme un acide aminé mais, contrairement à la proline, elle ne rentre pas dans la synthèse des protéines. Elle se retrouve principalement dans les protéines fibreuses des tissus conjonctifs, en particulier l'élastine et le collagène.

Cette information est tout particulièrement intéressante lorsque l'on sait que l'ensemble proline et hydroxyproline représente environ 21 % des acides aminés constitutifs du collagène, le reste étant principalement constitué de glycine (35 %) et d'alanine (11 %). L'abondance de l'ensemble proline/hydroxyproline est responsable de la rigidité et de la stabilité du collagène. Le collagène, protéine la plus abondante du corps humain, constitue les piliers du derme mais aussi de la trame osseuse.

Le PCA est également un précurseur d’acide γ-amino-butyrique (GABA), molécule intervenant dans la régulation adrénergique et favorisant la relaxation. Le GABA a pour fonction naturelle de diminuer l'activité nerveuse des neurones sur lesquels il se fixe en inhibant la transmission présynaptique.

Le PCA, un intermédiaire métabolique

Le PCA peut également être considéré comme un intermédiaire métabolique du fait qu’il intervient au niveau de deux cycles importants physiologiquement, le cycle de Krebs et le cycle γ-glutamyl.

• Le cycle de Krebs, également nommé cycle citrique ou cycle tricarboxylique, a pour fonction de dégrader les produits terminaux des métabolismes des oses, des acides gras et de nombreux acides aminés, en fournissant la plus grande partie de l'énergie dont la cellule a besoin. Le cycle de Krebs a lieu dans la mitochondrie chez les eucaryotes. Il comporte huit réactions enzymatiques décomposables en réactions simples.

• Le L-PCA intervient dans ce cycle au niveau de l'étape 3 durant laquelle l'acide α-cétoglutarique est formé. En effet, cette dernière molécule peut également provenir de l'acide glutamique, lui- même issu d'une molécule de L-PCA.

Le PCA et la peau : un hydratant de référence

Une peau dont le stratum corneum (SC) est bien hydraté a un aspect agréable. C'est l'eau qui lui confère son toucher lisse, sa souplesse et son élasticité. Une variation de 1 % de sa teneur en eau peut modifier sensiblement son élasticité et sa perméabilité. L'eau est donc le plastifiant de la couche cornée. Mais cette eau est captée dans l'atmosphère environnante ou apportée par un produit cosmétique. Cette capacité du SC est due à la présence, dans les cellules, de composés hygroscopiques eux-mêmes hydrosolubles. C'est un mélange complexe d'acides aminés, d'acides organiques, d'urée et d'ions minéraux appelé Natural Moisturizing Factor (NMF). Ce dernier constitue un véritable réservoir hydrique au sein de la peau. Le bon état d'hydratation de la peau est garant d'un bon métabolisme, d'où son importance. Parmi ces composants, le L-PCA est le catabolite principal de la filaggrine (nom provenant de Filament Aggregation Protein), protéine de la couche granuleuse de l'épiderme qui, au cours de la dernière phase de kératinisation, est dégradée en un mélange d'acides aminés.

Composition du NMF

Watt & col. définissent en 1989 la différenciation cellulaire d'un kératinocyte comme étant la séquence d'évènements, qui commence lorsque la cellule souche de la couche basale donne naissance à une cellule fille ayant perdu sa capacité de division illimitée, et finit lorsque cette cellule desquame. C’est au cours de ce processus que la L-PCA se forme à partir d’une protéine spécifique, la fillagrine. Présent en quantité importante dans la filaggrine (27 %) puis dans le
NMF (12 %), le L-PCA est donc un élément hydratant de choix.

La filaggrine
P
endant leur migration vers la surface, les kératinocytes subissent des modifications biochimiques et structurales pour aboutir à la synthèse de kératine et à la formation des cornéocytes. Lors des phases ultimes de la différenciation, une matrice fibreuse intracornécytaire est formée par l’interaction "kératohyaline-cytokératine". L es granules de kératohyaline (agrégats de protéines insolubles) de la couche granuleuse produisent en effet une protéine hautement phosphorylée, la profilaggrine (formée de 10 à 12 unités de filaggrines). E n fin de phase de différenciation, au moment où le kératinocyte granuleux est en passe de devenir un cornéocyte, la profilaggrine est dephosphorylée dans la couche cornée puis clivée pour aboutir à la production d’unités de filaggrine. Comme son nom l’indique, la filaggrine (Filament aggregating protein) permet d’agréger des filaments de cytokératines pour conduire à la formation d’un réseau matriciel fibreux intracornéocytaire. C ’est dans la partie supérieure du Stratum cornéum que la filaggrine est ensuite complètement hydrolysée, produisant notamment les acides aminés et l’acide pyroglutamique ou PCA (acide pyrrolidone carboxylique), que l’on retrouve dans la composition du NMF (Natural Moisturizing Factor), le NMF ayant pour fonction notamment d’assurer et de maintenir l’hydratation des couches superficielles de l’épiderme.


De 
nombreuses études ont attribué son action hydratante à son pouvoir
hygroscopique[8] [9]. L'hydratation étant vitale pour maintenir l'élasticité
et la flexibilité de la couche cornée, l'action du L-PCA est primordiale.
Comme il n'existe dans l'épiderme aucune enzyme responsable de
son catabolisme, la disparition du L-PCA se fait uniquement par la
desquamation des cornéocytes, ce qui explique son accumulation dans la couche cornée (qui en contient 10 % en poids) et pourquoi il y a dix fois plus de L-PCA dans la peau que dans les autres tissus et organes, au sein desquels l'équilibre anabolisme/catabolisme est respecté.

En cosmétique, il est d’usage d’utiliser le PCA de sodium afin d’augmenter encore les propriétés humectantes de la molécule.

Physio-activateur de la différenciation épidermique

Cependant, quand le processus de kératinisation est incomplet, le niveau de L-PCA dans le SC diminue. Une peau saine contient en moyenne 180 mmol/g de L-PCA ; en deçà, la peau devient sèche et rêche. Outre cette conséquence inesthétique et inconfortable, l'appauvrissement en L-PCA est également susceptible de mettre à mal la fonction barrière exercée par le SC. En effet, déshydratée, cette structure peut se fissurer et ne plus agir comme frontière efficace entre notre organisme et le monde environnant.

L-PCA, un signal biologique ?

Si la formation du L-PCA dans la peau est directement reliée à la dégradation de la filaggrine et donc plus globalement au processus même de la différenciation épidermique, une molécule autant impliquée dans l’épiderme ne devrait-elle pas jouer un rôle autrement plus important que celui que l’industrie cosmétique lui a donné pendant des dizaines d’années ?

La concentration en L-PCA de la peau ne constituerait-elle pas une indication sur son état de différenciation ?

Un apport externe de L-PCA, ne pourrait-il pas être reconnu par les cellules cutanées comme le signe d’une dégradation importante de la filaggrine et n’induirait-il pas alors une stimulation du processus de différenciation ?

Il reste donc de nombreuses questions sur l’intérêt physiologique de cette molécule passionnante.

Dans un prochain article, nous aborderons les preuves d’efficacité de cet ingrédient, les éléments de formulation, ainsi qu’une revue de l’état de l’art, c’est à dire un inventaire assez complet des différents types de PCA disponibles et leur effet. Nous aborderons également une série un peu particulière, des esters sur la base de PCA, dite Ceramidone™, sorte d’esters physiologiques car biomimétiques.


 1. HAITINGER L., Monatsch Chem, 1882, 3, 228-229.
 2. MENNOZZI A., APPIANI G., Gazz Cim Ital, 1892, 22, 14; 1894, 24, 370.
 3. MONGES H., Efficacité thérapeutique comparée en double aveugle à celle du chlorure de Bétaïne.
 4. BOCHER G., US Patent n°3 345 264 (03/10/1967).
 5. HARNIST LF, Brevet Spécial de Médicament n° 3.593M (1964).
 6. CIACERI G., Biochim Appl, 1961, 8, 173-186.
 7. PASCHER G., Die wasserlöslischen Bestandteile der peropheren Hornschicht (Hautoberfläche) Quantitative Analysen III, a- pyrrolidoncarbonsaüre., Archiv. Klein. Dermatol., 1956, 203, 234-238.
 8. CLAR E. & Coll., Pyrrolidone carboxylic acid and the skin, Int. J. Cosmet. Sci, 1981, 3, 101-113 .
 9. TASUMI S., Pyrrolidone carboxylic acid, Amer. Perf. Cosmet., 1972, 87, 61-63.

Cette contribution est possible grâce à la collaboration gracieuse du groupe Solabia .

Créé en 1972, le Groupe Solabia conçoit et fabrique des molécules et des principes actifs pour les industries cosmétiques, pharmaceutiques et nutraceutiques, des peptones et des hydrolysats de protéines pour les bio-industries et des réactifs de diagnostics microbiologiques pour les laboratoires agroalimentaires, cosmétiques, pharmaceutiques et de l'environnement. Le Groupe Solabia possède un ensemble cohérent de savoir-faire complémentaires tels que : la biotechnologie, la chimie fine, l’extraction végétale et la microbiologie. Le département cosmétique du groupe Solabia, décodeur de tendances, a construit des solutions intégrées basées sur un expertise scientifique bien différenciée et convergente (biotechnologie, chimie fine et extraction), en développant des actifs et concept-formules. On citera entre autre Science du PCA (PCA, sels et esters) développée par l’entité UCIB du groupe Solabia.
Nous remercions tout particulièrement Jean-François Molina qui nous a aidés dans la réalisation de cette contribution. Jean-François est actuellement Directeur commercial & marketing au sein du groupe Solabia, Il a obtenu son diplôme d'ingénieur en biotechnologie à l'Université d'Aix-Marseille et sa maîtrise en Marketing de l'Innovation produit en 1989. Depuis près de 25 ans au sein du groupe Solabia, il a occupé successivement le poste de responsable Export, responsable Marketing et supervise aujourd'hui globalement les activités commerciales et marketing des filiales du groupe Solabia, aux USA, en Allemagne et au Brésil.

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