LE CYCLE DE KREBS (1)

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1 E CYCE DE KREBS (1) e cycle de Krebs, encore appelé cycle de l acide citrique ou cycle de l acide tricarboxilique constitue la dernière étape commune au catabolisme des glucides, des acides gras et des acides aminés (Figure 1). glucose lipides acides aminés glycolyse β-oxydations catabolisme des acides aminés Acétyl Coenzyme A Cycle De Krebs Chaînes d xydations Cellulaires ATP Figure 1 : e cycle de Krebs est la dernière étape de la dégradation des aliments. e cycle de Krebs représente la principale source d énergie de la cellule. En effet, au cours de ce cycle sont produits des transporteurs d hydrogène (NADH et FADH 2 ) qui par réoxydation au niveau des chaînes d oxydations cellulaires vont permettre la production d ATP qui est la forme de réserve de l énergie cellulaire. e cycle se déroule dans la matrice mitochondriale en huit étapes dont le point d entrée est l acétyl coenzyme A. Nous verrons en détail chaque étape du cycle ainsi que ses différents points de régulation avant d en faire le bilan énergétique. I. ACETY CENZYME A : PINT D ENTREE DU CYCE DE KREBS. Acétyl coenzyme A (Acétyl CoA) est formé à partir du pyruvate qui est le produit final de la glycolyse et de coenzyme A (CoA). a réaction peut s écrire de manière simplifiée : Pyruvate + CoA + NAD + Acétyl CoA + C 2 + NADH + H +. Dans la réalité, cette réaction se déroule en plusieurs étapes et fait intervenir un complexe multienzymatique : e complexe de la pyruvate déshydrogénase. 1/9

2 A. e complexe de la pyruvate déshydrogénase. Ce complexe se compose de trois enzymes et de leurs cofacteurs : E1 : a pyruvate déshydrogénase + thiamine pyrophosphate (TPP). E2 : a dihydrolipoyl transacétylase + lipoamide. E3 : a dihydrolipoyl déshydrogénase. + FAD. a première étape est la décarboxylation du pyruvate par E1 après qu il se soit combiné au TPP pour former l hydroxyéthyl thiamine pyrophosphate selon la réaction suivante : Pyruvate + TPP hydroxyéthyl TPP + C 2 R R R C N C - CH3 C N - C - CH3 N + C CH3 = C + H - C H C C H C - C CH3 S - C CH3 S C C2 CH3 S C R R R Pyruvate TPP Hydroxyéthyl TPP e groupement hydroxyéthyle est ensuite oxydé en groupe acétyle et transféré sur le lipoamide de E2 pour former l acétyllipoamide : H CH3 CH3 - C - C = TPP + S S TPP + HS S CH R CH R Hydroxyéthyl TPP ipoamide Acétyllipoamide e groupement acétyle est alors transféré par la dihydrolipoyl transacétylase de l acétyllipoamide vers le coenzyme A pour former l acétyl coenzyme A : CH3 C = HS S HS CH3 CH R + HS CoA CH R + C = S- CoA Acétyllipoamide Coenzyme A Dihydrolipoamide Acetyl CoA 2/9

3 a dernière étape est la régénération de la forme oxydée du lipoamide par la dihydrolipoyl déshydrogénase avec formation d un transporteur d hydrogène réduit (NADH) : HS S S CH R + NAD + CH R + NADH + H + Dihydrolipoamide ipoamide a figure 2 schématise le mode d action du complexe de la pyruvate déshydrogénase. C2 pyruvate CH3 C - CH H CH3 C - TPP Pyruvate Deshydrogénase (E1) TPP Hydroxyéthyl - TPP lipoamide S S Dihydrolipoyl transacétylase (E2) acétyllipoamide S C - CH3 FADH2 Dihydrolipoyl déshydrogénase (E3) dihydrolipoamide FAD CoA - Coenzyme A CH3 C - S -CoA Acétyl CoA NAD + NADH+ H + 3 Enzymes 3 Cofacteurs 2 Cosubstrats Figure 2 : Mode d action du complexe de la pyruvate déshydrogénase. 3/9

4 B. a régulation du complexe de la pyruvate déshydrogénase. a production de l acétyl CoA à partir du pyruvate étant un processus irréversible chez les animaux, c est une étape qui nécessite un contrôle strict afin de ne pas gaspiller de l énergie en puisant dans les réserves de glucose (précurseur du pyruvate) alors que l organisme n en éprouve pas le besoin. e complexe de la pyruvate déshydrogénase est régulé à différents niveaux. Tout d abord il est régulé par les produits de la réaction. Ainsi, des rapports acétyl CoA/CoA ou NADH/NAD + élevés inhibent le complexe. acétyl CoA inhibe la dihydrolipoyl transacétylase tandis que le NADH inhibe la dihydrolipoyl déshydrogénase. activité du complexe est également réduite lorsque la cellule dispose d énergie en quantité suffisante. e GTP inhibe la pyruvate déshydrogénase alors que l AMP l active. Enfin, la pyruvate déshydrogénase existe sous deux formes : Une forme inactive lorsqu elle est phoshorylée par une kinase au niveau d une sérine et une forme active déphosphorylée. a phosphorylation est augmentée par des rapports ATP/ADP, acétyl CoA/CoA et NADH/NAD + élevés, elle est inhibée par le pyruvate. a déphosphorylation nécessite l action d une phosphatase en présence de Ca 2+. insuline stimule également la déphoshorylation. II. ES DIFFERENTES ETAPES DU CYCE DE KREBS. Une fois l acétyl CoA produit, il va pouvoir alimenter le cycle de Krebs et ses huit étapes que nous allons détailler maintenant. Tout au long du cycle nous pourrons suivre le devenir des atomes de carbone issus de l acétyl CoA et donc du pyruvate en signalant ces derniers par une couleur rouge. A. Condensation de l acétyl CoA et de l oxaloacétate. a condensation de l acétyl CoA et de l oxaloacétate est catalysée par la citrate synthétase. Cette réaction est irréversible. oxaloacétate se fixe d abord à l enzyme qui en changeant de conformation permet la fixation de l acétyl CoA et la formation d un intermédiaire : le citroyl CoA qui sera ensuite hydrolysé en citrate et en coenzyme A. C S CoA = C - C - + CH3 C S CoA H C - C - Citrate synthétase - C - - C - xaloacétate Acétyl CoA Citroyl CoA C S CoA H 2 0 CoA - C - H C - C - H C - C - Citrate synthétase - C - - C - Citroyl CoA Citrate 4/9

5 B. Conversion du citrate en isocitrate. a réaction se fait en deux étapes avec le cis-aconitate pour intermédiaire. es deux étapes sont catalysées par l aconitase. C - C - C - H 2 0 H C - C H - C - C - C C - H Aconitase Aconitase H C - H H - C H C -H C - C - C - Citrate Cis -aconitate Isocitrate Remarque : a molécule de citrate qui paraît symétrique à première vue, en réalité ne l est pas. En effet, l aconitase est capable de faire la différence entre les deux C - du citrate. n parle de molécule prochirale. C. xydation et décarboxylation de l isocitrate en α -cétoglutarate. isocitrate est oxydé par l isocitrate déshydrogénase pour former l oxalosuccinate et générer une molécule de NADH. oxalosuccinate reste lié à l enzyme et perd une molécule de C 2 pour aboutir à l α -cétoglutarate (α -KG). C - C - C - Isocitrate Isocitrate déshydrogénase déshydrogénase H C - C - H C - C - H C - H H C- H NAD + NADH + H + C = H + C 2 C = C - C - C - Isocitrate xalosuccinate α -cétoglutarate D. Décarboxylation de l α -cétoglutarate en succinyl Coenzyme A. Cette réaction est catalysée par le complexe de l α -cétoglutarate déshydrogénase dont la structure et le mécanisme d action sont très proches de celui de la pyruvate déshydrogénase qui permet le passage du pyruvate à l acétyl CoA (Voir I.A.). a réaction peut s écrire de façon simplifiée : α -cétoglutarate + CoA + NAD + succinyl CoA + C 2 + NADH + H + n retrouve au sein du complexe trois enzymes et leurs cofacteurs : E 1 : α-cétoglutarate déshydrogénase + thiamine pyrophosphate (TPP). E 2 : a dihydrolipoyl transsuccinylase + lipoamide. E 3 : a dihydrolipoyl déshydrogénase. + FAD. (identique à E3) 5/9

6 a figure 3 schématise le mode d action du complexe de l α -cétoglutarate déshydrogénase. C - C2 α-cétoglutarate C = C - C - H C - H α-cétoglutarate Deshydrogénase (E 1) TPP TPP C - lipoamide S S Dihydrolipoyl transsuccinylase (E 2) S - C = FADH2 Dihydrolipoyl déshydrogénase (E 3) dihydrolipoamide FAD succinyl CoA CoA - Coenzyme A C - C = S - CoA NAD + NADH+ H + 3 Enzymes 3 Cofacteurs 2 Cosubstrats Figure 3 : Mode d action du complexe de l _-cétoglutarate déshydrogénase. Comme pour le complexe de la pyruvate déshydrogénase, le complexe de l α -cétoglutarate déshydrogénase est régulé par les rapports ATP/ADP, NADH/NAD + mais aussi par le rapport succinyl CoA/CoA. 6/9

7 Remarque : e succinyl CoA peut également être synthétisé à partir du propionyl CoA qui provient du catabolisme de certains acides aminés et des acides gras à nombre de carbones impairs. E. Formation du succinate. e succinate est produit par hydrolyse de la liaison thioester entre le résidu succinyl et le coenzyme A du succinyl CoA. hydrolyse de cette liaison libère une grande quantité d énergie qui est récupérée en synthétisant une molécule de GTP par phosphorylation d une molécule de GDP. Cette réaction qui est réversible est catalysée par la succinyl CoA synthétase. C - C - + Pi + GDP + GTP + CoA Succinyl CoA C = synthétase C - S - CoA Succinyl CoA Succinate e GTP constitue indirectement une réserve d énergie puisque le phosphate qu il vient d acquérir peut facilement être transféré par une nucléoside diphosphokinase à une molécule d ADP pour former une molécule d ATP. Nucléoside GTP + ADP GDP + ATP Diphosphokinase Remarque : e GTP peut également être utilisé comme donneur de phosphoryle, au cours de la biosynthèse des protéines notamment. F. xydation du succinate en fumarate. a réaction est catalysée par la succinate déshydrogénase qui contrairement aux autres enzymes du cycle est membranaire. En effet, elle fait partie intégrante de la membrane interne de la mitochondrie. De plus, à la différence des déshydrogénases citées précédemment, la succinate déshydrogénase utilise le FAD et non le NAD + pour transporter l hydrogène jusqu au chaînes d oxydations cellulaires. C est parce que, dans ce cas, l énergie de la réaction est insuffisante pour réduire le NAD +. C - - C H H C - H FAD FADH2 C H C - H C Succinate déshydrogénase C - H C - Succinate Fumarate 7/9

8 Remarque : e succinate étant une molécule symétrique (contrairement au citrate), à partir de cette étape il ne nous est plus possible de suivre les atomes de carbone issus de l acétyl CoA. G. Hydratation du fumarate en -malate. a réaction est catalysée par la fumarase. es atomes H et H issus d une molécule d eau sont additionnés en trans sur le fumarate, c est à dire chacun d un côté du plan formé par la double liaison. e groupement H se fixant toujours du même côté de la double liaison, seul le -malate (et non le D-malate) est produit. - C H C - C - H 2 0 C H C H H C H Fumarase ou C H C H H C H H C - C - C - Fumarate -malate (Cf : remarque précédente) H. xydation du malate en oxaloacétate. a réaction est catalysée par la malate déshydrogénase qui utilise le NAD + comme transporteur d hydrogène. C - C - H C H NAD + NADH + H + C = H C H H C H Malate déshydrogénase C - C - -malate oxaloacétate Une fois régénéré, l oxaloacétate peut se condenser à une molécule d acétyl CoA et ainsi entamer un nouveau tour de cycle. III. BIAN DU CYCE DE KREBS. n peut résumer le cycle de Krebs par l équation suivante (Figure 4) : Acétyl CoA + 3 NAD + + FAD + GDP + Pi + H 2 2 C NADH + 3H + + FADH 2 + GTP + CoA - Sachant que la réoxydation au niveau des chaînes d oxydations cellulaires du NADH fournie trois molécules d ATP et que celle du FADH 2 en fournie deux. - Sachant qu une molécule de GTP peut facilement permettre la synthèse d une molécule d ATP. e cycle produit donc : 8/9

9 1 GTP donc 1 ATP 3 NADH donc 3 x 3 soit 9 ATP Bilan 12 ATP 1 FADH 2 donc 2 ATP Si on prend en compte le NADH produit lors du passage du pyruvate en acétyl CoA, on arrive à un bilan de soit 15 molécules d ATP produites. Figure 4 : Bilan pour un tour du cycle de Krebs. 9/9