Cycle de Krebs. Plan du cours

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1 Cycle de Krebs Plan du cours Bilan en substrat -localisation Principe d un cycle Vue d ensemble du cycle de Krebs Réactions de décarboxylation par rupture de squelette Décarboxylations des b cétoacides et hydroxyacides Décarboxylation des a cétoacides Analyse du cycle de Krebs Bilans du cycle de Krebs Rôle amphibolique du cycle de Krebs Principe et exemple Réactions anaplérotiques Réversibilité du cycle de Krebs Comment retenir le cycle de Krebs 1

2 LES GRANDES VIES CATABLIQUES Triglycérides Glycogène ou Amidon Acides gras + Glycérol Catabolisme De Lynen Voie des HMP (Partie 1) 1) Glucose Glycolyse Pentoses 5P Voie des HMP (Partie 2) Pyruvate AcétylCoA Cycle de Krebs Cycle de Krebs : Bilan en substrat -Localisation Le cycle de Krebs est le catabolisme aérobie permettant de dégrader le pyruvate, provenant essentiellement de la glycolyse, et l acétyl-coa, provenant enparticulierde la spiralede Lynen, en. Il est localisé dans la mitochondrie. Cytosol Mitochondrie Cycle de Krebs Glycolyse Glucose Pyruvate Pyruvate AcétylCoA Acide gras Spirale de Lynen Types de réactions simples prévisibles Pyruvate Acétyl-CoA xydation 5 4 Rupture de squelette 2 1 Hydrolyse 0 1 NB :Il intervient des condensations compensées par des hydrolyses, et des synthèsesde squelettescompenséespar des ruptures. 2

3 Principe d un cycle Un cycle est un type de métabolisme permettant de transformer des molécules de très petite taille qui ne sont pas assez réactives pour être dégradées directement. Par exemple, la liaison C-C intervenant dans l acétyl-coa est très stable :la production de est directement impossible. Considérons une molécule S, peu réactive, que le métabolisme va transformer en Produits. S Produits Une molécule suffisamment polarisé Xque nous appellerons «porteuse»se fixe àla première étape sur Sen formant X-S. La suite des réactions transforme XS en produits tout en régénérant X. Cycle de Krebs S 3 -SCoA HSCoA X SX Produits H C Citrate 2 xaloacétate Molécule porteuse Remarque :La transformation du pyruvate en acétyl-coa n appartient pas selon cette définition au cycle. Cependant on la considère comme en faisant partie, ce qui est indispensable pour l étude de la régulation. Vue d ensemble du cycle de Krebs HSCoA 3 SCoA HSCoA Isocitrate NADH 3 NAD + H PDH C CS HC HC Pyruvate AA Aconitase 2 NAD + NADH Citrate MDH IDH NAD + NADH H Malate C akg H 2 Fumarase FADH 2 FAD ATP ADP Fumarate Succinate Ligase akgdh SCoA C= NAD + NADH SuccinylCoA 3

4 Analyse du cycle de Krebs Réactions de décarboxylation par rupture de squelette carboné n appelle décarboxylation une réaction libérant. Lecycle de Krebs produit2.npeut en prévoir2décarboxylations. Il est intéressant avant d analyser le cycle, de savoir quels types de substrat intermédiaire seront nécessairement produits pour permettre ces décarboxylations. Seuls quelques substrats aliphatiques hydroxycarbonés peuvent se décarboxyler par rupture de squelette : ce sont les b cétoacides, les b hydroxyacides,les a cétoacides. Remarques : Les aminoacides peuvent aussi se décarboxyler, mais ceci n intervient que dans l anabolismedes amines. ntrouved autredécarboxylationsdans lescomposésaromatiques. Attention :La décarboxylation n est pas un type de réaction :selon le cas, c est unerupturede squelette(liaison-c-- )ou une hydrolyse (liaison-x-- ) Ce cycle fait classiquement intervenir des réactions de décarboxylation Décarboxylation des b cétoacides (b cétoacide décarboxylase) C C C C H + La réactionestune rupturede squelettenon red-ox NB :Cette réaction s effectue in vitro, en quelques heures. Cependantla décarboxylasel accélèrefortement. Décarboxylation oxydative des b hydroxyacides (b hydroxyacide déshydrogénase) Les b hydroxyacides, peuvent être oxydés en b cétoacides qui peuvent alors se décarboxyler. L ensemble des deux réactions est assuré par la mêmeenzyme (Le b cétoacide n est pas libéré). H C C H C C C C H + NAD + NADH NB : Globalement, la décarboxylation des b hydroxyacides est une oxydation couplée avec une rupture de squelette (exception). Énergétique : Ces réactions sont irréversibles. Attention : L alcool doit être primaire ou secondaire pour pouvoir former une cétone. 4

5 Réactions de décarboxylation des a cétoacides Décarboxylation non oxydative (a cétoacide décarboxylase) C C C C H + TPP 0 Cette réaction fait intervenir 1coenzyme :la thiamine pyrophosphate (TPP) La réaction est une rupture de squelette non red-ox. Cette réaction est exceptionnelle. Décarboxylation oxydative (a cétoacide déshydrogénase) Le plus souventles a cétoacides se transforment enacyl-coapar une réactioncouplée«oxydation+rupturede squelette+condensation». HSCoA C C 0 NAD + NADH (TPP, FAD, LipSS) C C SCoA + Cette réaction complexe fait intervenir 5coenzymes :Le Coenzyme A, le NAD +,le FAD, la thiamine pyrophosphate (TPP), l acide lipoïque (LipSS) Elle sera détaillée au chapitre suivant, mais vous devez déjà la savoir globalement. Énergétique : Toutes les réactions de décarboxylation sont irréversibles. Analyse du cycle de Krebs 5

6 Chaînon 1 : Pyruvate " Acétyl-CoA + HSCoA H 3 C C H 3 C C SCoA + NAD Pyruvate NADH (TPP, FAD, LipSS) Acétyl-CoA (1) Type de réaction : xydation + condensation + rupture de squelette HSCoA, NAD + "NADH, FAD, TPP, LipSS Pyruvate déshydrogénase Énergétique : Irréversible 1.Il s agit de la décarboxylation oxydative d un a cétoacide. NB :Ce chaînon forme de l acétyl-coa. La suite du métabolisme sera donc la même, que la source de substrat soit du glucose (donc du pyruvate) ou un acide gras(quiformedirectementl acétyl-coa Chaînon 2 : Acétyl-CoA + AA " citrate 3 SCoA C xaloacétate (AA) HSCoA HC Citrate Type de réaction : Synthèse de squelette + hydrolyse (1) Aucun Citrate synthase (CS) Énergétique : Irréversible (2) (1) Cette synthèse s effectue par aldolisation. (2) L aldolisation seule est réversible. Comme ici elle est couplée avec l hydrolyse,irréversible,l ensembleestirréversible. 6

7 Chaînon 3 : Citrate " Isocitrate H 2 2 HC Citrate C Cis aconitate H 2 H HC Isocitrate (1) Type de réaction : Déshydratation + hydratation Aucun Isomérase (aconitase) Énergétique : Réversible (2) (1) Ce chaînon est une isomérisation, ce qui donne le nom de l enzyme. Il resteàtrouverletype de réaction. (2) Évident!. H HC Chaînon 4 : Isocitrate " akg NAD + NADH Isocitrate a cétoglutarate (akg) (1) Type de réaction : Énergétique : xydation + Rupture de squelette NAD + " NADH Déshydrogénase Irréversible (1) L isocitrate est un b hydroxyacide. Il peut être oxydé puis décarboxylé. 7

8 Chaînon 5 : akg " Succinyl-CoA HSCoA SCoA NAD + NADH (TPP, LipSS, FAD) akg Succinyl-CoA (1) Type de réaction : Énergétique : xydation + Rupture de squelette + Condensation HSCoA, NAD + " NADH, TPP, LipSS, FAD Déshydrogénase Irréversible (1) L akg est un a cétoacide qui peut subir une décarboxylation oxydative. Chaînon 6 : Succinyl-CoA " Succinate SCoA HSCoA ADP +P ATP 2 Type de réaction : Énergétique : Hydrolyse condensation (DT) ADP " ATP Ligase Réversible NB : L énergie d oxydation et de rupture de squelette est ainsi récupérée dans l ATP 8

9 Chaînon 7 à 10 : Succinate "AA (Régénération de l AA) Succinate C AA Il faut oxyder l un des groupes - -en cétone (--). La même séquence de réaction que celle intervenant dans la spirale de Lynen se retrouvera ici : FAD FADH 2 Succinate Fumarate xydation DH H 2 Hydratation Désydratase NAD + NADH H C AA xydation DH Ces réactions sont réversibles [DG ]<12 kj. Néanmoins, la succinate déshydrogénasene catalyse pas laréductiondu fumarateen succinate. Comme il yadeux groupes,les hydrogènes sont mobiles.il n yapas besoinde coenzyme activateur. Comment retenir le cycle de Krebs Apartir des connaissances que vous avez maintenant acquises, vous pouvez par le raisonnement, retrouver entièrement le cycle de Krebs en retenant les point suivants : Lebilan du cycle et la formule de l AA(molécule porteuse). Lepyruvate libèreun par décarboxylationoxydative. L acétyl-coa formé se lie sur l AA par une réaction couplée de synthèsede squelettepar aldolisationethydrolyse du HSCoA. Le citrate s isomérise pour former un b hydroxyacide, l alcool étant secondaire. L isocitrate subit successivement deux décarboxylations, la première parce que c est un b hydroxyacide, la deuxième parce que le substrat obtenuest un a cétoacide. Lesuccinyl-CoAformétransfèreson énergieàl ATP Lesuccinateest oxydé en AA 9

10 Bilans du cycle de Krebs Bilan à partir du pyruvate Pyruvate + 4 NAD + + FAD + ADP + P -----> NADH + FADH 2 + ATP Bilan à partir de l acétyl-coa Pyruvate + 3 NAD + + FAD + ADP + P -----> NADH + FADH 2 + ATP Bilan en ATP compte tenu de la chaîne respiratoire) A partir du pyruvate A partir de l acétyl-coa Coenzymes régénérés ATP formés Coenzymes régénérés NADH FADH ATP Total ATPformés Rôle amphibolique du cycle de Krebs Les intermédiaires du cycle de Krebs servent également de précurseur pour l anabolisme de nombreux substrats. Ils sont alors exportés vers le cytosol ou s effectuel anabolisme. NB : Comme le glucose est la source de carbone, c est en fait l ensemble «Glycolyse +Cycle de Krebs»quiaici un rôleamphibolique. Exemple : Anabolisme du glutamate Cytosol Mitochondrie Glycolyse Cycle de Krebs Glucose Pyruvate Pyruvate NADP + NADPH Acétyl-CoA AA a KG Glu a KG Glutamate DH Comme le cycle de Krebs est interrompu après la synthèse de l akg, l AA n est pasrégénéré. Ilfautdonc qu ilsoitsynthétiséàpartird un intermédiairede la glycolyse. Cettesynthèse d AAestdite«Réactionanaplérotique» 10

11 Cas des cellules animales Réactions anaplérotiques L oxaloacétate est synthétisé par une carboxylation du pyruvate (synthèse de squelette) sous l action dela pyruvatecarboxylase. Cette réaction est endergonique et nécessite de l ATP. Elle fait intervenir un coenzyme activateur : la biotine. Pyruvate carboxylase (ligase) ATP ADP + P Généralisation :La carboxylation par synthèse de squelette fixant un sur un hydrogène nécessite toujours de l ATP comme source d énergie. Elle fait toujours intervenirla biotine. Il est nécessaire que l hydrogène soit mobile. Ici les deux fonctions oxygénées, cétoneet carboxylate,donnentune mobilitésuffisante. Cas des cellules végétales L oxaloacétate est synthétisé par une carboxylation dupep coupléeavec l hydrolysedu phosphate. Cetteréactionne faitpas intervenirde biotine. 3 C P 2 ' Biotine P PEP carboxylase ' Réversibilité du cycle de Krebs La citrate synthase et les décarboxylases catalysent des réactions irréversibles. Ceci entraîne que la séquence de réaction allant de l'aa et l'acétyl-coaau succinyl-coaestglobalementirréversible. Par contre, les réactions conduisant du succinyl-coa àl'aaont toutes un G' voisin de 0. Cependant, le malate inhibe la succinate déshydrogénase, interdisant donc la formation de succinate et succinyl- CoAàpartirdu malate. Le malate et le fumarate peuvent se former directement par réduction del'aa. Acétyl-CoA AA Malate Fumarate 11