Glycogène Cycle de Krebs ou de l acide citrique GLUCOSE glucose Glycolyse Pyruvate Le cycle de Krebs est la voie terminale d oxydation du glucose et d autres molécules énergétiques (acides aminés, acides gras) Acides aminés Acides gras Acétyl-CoA Cycle de l acide citrique L Acétyl-CoA est l intermédiaire commun de dégradation de glucides, acides aminés et acides gras et la molécule qui entre dans le cycle 1 Acétyl-CoA 2
Localisation du Cycle de Krebs mitochondrie La décarboxylation du pyruvate pour former l Acétyl-CoA et toutes les réactions de la voie ont lieu dans la matrice mitochondriale. Chez les procaryotes, ce cycle se déroule dans le cytoplasme (ils n ont pas de mitochondries) Différemment de la glycolyse, le cycle de Krebs n'existe que chez les organismes aérobies 3 Vue d ensemble du Cycle de Krebs Le cycle comporte 8 réactions enzymatiques nécessaires pour la complète oxydation de l acétyl-coa (C2) et la récupération de l énergie sous forme de NADH, FADH 2 et GTP Un autre substrat, l'oxaloacétate (C4) est utilisé par la première réaction et entièrement régénéré par la dernière. NADH, FADH 2 sont molécules réduites riches en énergie utilisées en suite pour la production d ATP 1 GTP = 1 ATP 4
Les réactions du Cycle de Krebs Pyruvate NAD + Pyruvate déshydrogénase NADH Acétyl-CoA Oxaloacétate NADH 1-Citrate synthase Citrate Malate 8-Malate déshydrogénase 2-Aconitase 7-Fumarase Cycle de l acide citrique 3-Isocitrate déshydrogénase Isocitrate NADH Fumarate 6-Succinate FADH déshydrogénase 2 5-Succinyl-coA synthétase 4- -Cétoglutarate déshydrogénase CO 2 -Cétoglutarate CO 2 Succinate GTP Succinyl-coA NADH 5 Entrée du pyruvate dans le mitochondrie En présence d oxygène la chaîne respiratoire mitochondriale fonctionne et établit un gradient de protons à travers la membrane interne. Une protéine membranaire transporteuse d'anions organiques transporte le pyruvate à travers la membrane interne en même temps qu'un ion Potassium chargé positivement en utilisant l énergie de retour de cette charge positive (ion Potassium) vers la matrice (chargée négativement). H + H + H + H + - - - - - - 6
Synthèse de l acétyl-coa Après l entrée du pyruvate dans la matrice de la mitochondrie, sa décarboxylation oxydative est réalisé par la pyruvate déshydrogénase avec formation d une molécule énergétiquement activée (acétyl-coa) et NADH Liaison thioester à haute énergie Pyruvate déshydrogénase Pyruvate + CoA + NAD + acétyl-coa + CO 2 + NADH Cette réaction avec G << 0 est irréversible. Chez les animaux il n y a pas des réactions qui permettent la synthèse du pyruvate (ou précurseurs) a partir de l acetyl-coa, donc les animaux ne peut pas utiliser l acetyl-coa pour la gluconéogenèse. 7 Pyruvate déshydrogénase Des cofacteurs de la pyruvate déshydrogénase sont: -la Thiamine (nécessaire pour la décarboxylation). -FAD et NAD + (oxydoréduction) -Coenzyme A (transporteur d acyle) -Acide lipoïque Complexe multienzymatique Chez E. coli, la Pyruvate déshydrogénase est composée par plusieurs sous unités de 3 types. MW ~ 5 millions Dalton Diamètre 30 nm Avantage des complexes multienzymatiques: -Une série des réactions en séquence est accélérée -Minimisation des réactions collatérales -Régulation coordonnée 8
9 Étape 1: la synthèse du citrate par la Citrate synthase La citrate synthase est le premier des 8 enzymes du cycle de Krebs et catalyse l'addition de l'acétyl-coa sur le groupe carbonyle de l oxaloacétate (un cétone). Le produit final est le citrate, un composé de 6 Carbones. La réaction est très exergonique et ça lui permet de se produire facilement même lorsque la concentration d'oxaloacétate est basse dans la mitochondrie. Mais en conséquence, la réaction est irréversible. G = -31.5 kj/mol 10
Citrate synthase 1) Condensation de l oxaloacétate et de l acetyl-coa pour former le citryl-coa 2) Hydrolyse en citrate et CoA L enzyme (deux sous-unités) subit des profonds changements au cours de la catalyse qui évitent des réactions secondaires indésirables (ex. hydrolyse de l acétyl-coa) Oxaloacétate Citryl-CoA Acetyl-CoA Citrate 11 Étape 2: Aconitase, isomérisation du citrate Le citrate est isomérisé en isocitrate par l enzyme aconitase pour permettre la suivante décarboxylation. Deux étapes: 1) Déshydratation pour former cis-aconitate 2) Hydratation pour former isocitrate 12
La réorganisation du citrate en isocitrate est suivie de deux phases consécutives de décarboxylation oxydative avec production de NADH Étape 3: Isocitrate déshydrogénase Étape 3 Isocitrate + NAD + -Cétoglutarate + CO 2 + NADH Le manganèse (Mn ++ ) est cofacteur de la réaction. Étape 4 Réactions irréversibles Isocitrate Oxalosuccinate -Cétoglutarate 13 Étape 4: -Cétoglutarate déshydrogénase Étape 3 -Cétoglutarate Succinyl-CoA Étape 4 Réactions irréversibles La deuxième décarboxylation oxydative porte à la formation d une autre molécule de NADH riche en énergie -Cétoglutarate + NAD + + CoA Succinyl-CoA + CO 2 + NADH L -Cétoglutarate déshydrogénase est un complexe enzymatique très similaire à la Pyruvate déshydrogénase 14
Pyruvate acétyl-coa -Cétoglutarate Succinyl-CoA 15 Étape 5: Succinyl-CoA synthétase, phosphorylation au niveau du substrat La Succinyl-CoA synthétase (le nom de l enzyme vient de la réactions inverse) utilise la liaison riche en énergie du succinyl-coenzymea pour synthétiser du GTP à partir de GDP et phosphate inorganique. Cette étape (réversible) est la seule du cycle à fournire directement une liaison riche en énergie Le GTP peut facilement transférer son -phosphoryle à l ADP grâce à l enzyme nucléoside diphosphokinase: GTP + ADP GDP + ATP 16
Étape 6: Succinate déshydrogénase Le Succinate est oxydé en fumarate par la succinate déshydrogénase, une protéine de la membrane interne liant le cofacteur FAD (flavine adénine dinucléotide). Le FAD est utilisé dans cette réaction redox, car l énergie d oxydation du succinate en fumarate (alcane alcène) n est pas suffisamment exergonique pour la réduction du NAD + en NADH. Un des rares enzymes ou le cofacteur FAD est lié de façon covalente à l enzyme Le FADH 2 a un rôle similaire à celui-ci du NADH (molécule riche en énergie utilisée pour la production suivant d un gradient de ph et donc d ATP), mais il a un coefficient redox moins négatif que le NADH et cède ses électrons au complexe mitochondrial II (à lequel il est lié) plutôt que au complexe I 17 Étape 7: Fumarase (fumarate idratase) Intermédiaire carbanion Fumarate Malate La fumarase catalyse l'addition d'une molécule d'eau sur le fumarate et produit spécifiquement le L-malate. La réaction est faiblement exergonique et réversible. 18
Étape 8: Malate déshydrogénase malate oxaloacétate La malate déshydrogénase est le dernière enzyme du cycle. Il catalyse l'oxydation du malate en oxaloacétate, couplée à la réduction du NAD + en NADH et libère un proton. La réaction a un G de + 29.4 kj/mol, donc l'équilibre de la réaction est déplacé en faveur du malate et la concentration de l oxaloacétate est très basse. Cependant, la réaction du cycle, que suit (Citrate synthase) est très fortement exergonique ( G de -31.5 kj mole-1 ) à cause de la rupture de la liaison thioester du citryl-coa et ça permet de faire marcher tout le cycle. 19 20
Bilan du Cycle de Krebs Acétyl-CoA + 3 NAD + + FAD + GDP + P i + 2 H 2 O 2 CO 2 + 3 NADH + FADH 2 + GTP + 2 H + + CoA Combien ça ramène d oxyder le glucose en CO 2? Glucose 2 NADH 3 ATP La complet oxydation du glucose donne environ 30 ATP. 2 Pyruvate 2 NADH 2 ATP 5 ATP La transformation de l énergie du NADH et FADH 2 en ATP est réalisée par le processus appelé «phosphorylation oxydative». 2 Acétyl-CoA Le NADH de la glycolyse donne moins ATP que ceux-ci du cycle de Krebs parce que son transport dans le mitochondrie demande de l énergie. 6 NADH 15 ATP 2 FADH 2 3 ATP 2 GTP 2 ATP On peut trouver différents valeurs pour ce bilan (entre 30 et 38 ATP). 21 Le Cycle de Krebs fournit aussi des intermédiaires pour les biosynthèses Acides Gras Glucose (Hem, Chlorophylle ) Lorsque un intermédiaire du cycle est utilisé pour le biosynthèses, il faut produire du nouveau oxaloacétate pour faire continuer le cycle. Le mammifères ne sont pas capable de convertir l acétyl-coa en oxaloacétate ou autres intermédiaires du cycle et cette synthèse est possible grâce à la pyruvate carboxylase (voir gluconéogenèse) qui carboxyle le pyruvate pour obtenir oxaloacétate (exemple d une réaction anaplérotique). 22
Régulation du cycle de Krebs: régulation des étapes irréversibles, succinyl-coa 1 2 Inhibition par le produit (compétitive) par le acetyl-coa, NADH; ATP est un inhibiteur allostérique. Inactivation de l enzyme par phosphorylation (voir après) ATP est un inhibiteur allostérique de la citrate synthase; inhibition à feedback compétitive par le succinyl-coa, NADH 3 ATP est un inhibiteur allostérique, tandis que l ADP est un activateur; NADH inhibiteur compétitive (produit) 4 Inhibition compétitive par le produit succinyl-coa et le NADH 23 Régulation de la pyruvate déshydrogénase 1) NADH et acétyl-coa compétent avec NAD + et CoA pour le site de liaison sur les composants enzymatiques de la PDH 2) (actif) Activé par insuline Pyruvate déshydrogénase phosphatase Pyruvate déshydrogénase kinase Activé par NADH, acétyl-coa, ATP (et indirectement par le glucagon) (inactif) E1 est la sous unité catalytique de la pyruvate déshydrogénase 24
Le Cycle du Glyoxylate permet l utilisation de l acétyl-coa pour le développement Chez les végétaux et un grand nombre de bactéries Différemment du cycle de Krebs, il n y a pas de décarboxylation de l isocitrate, mais son clivage in glyoxylate et succinate (par l isocitrate lyase). Après la malate synthase permette la synthèse d un composé a 4 atomes de carbone à partir du glyoxylate et l acétyl-coa (C2). Quelques réactions du cycle chez le végétaux se produisent dans les glyoxysomes. Bilan: 2 Acétyl-CoA + NAD + + 2 H 2 O Succinate + 2 CoA + NADH + 2 H + Chez les végétaux et les bactéries, la gluconéogenèse est possible a partir de l acétyl-coa 25 Acides gras Dans le cycle du Glyoxylate les réactions de décarboxylation oxydative sont sautées, donc on a pas la perte des atomes de carbone comme CO 2. Acetyl-CoA Chez les plantes ce cycle peut être utile, par exemple, pendant la germination des grains, qui ne sont pas capable de synthétiser le sucres à travers la photosynthèse car elle ne marche encore. Production des sucres à partir de l acétyl-coa (C2). 26