Le Cycle de Krebs

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Dernière mise à jour : 2016-02-01

1. Présentation générale

Le catabolisme énergétique cellulaire est à l'origine de 90% de l'énergie cellulaire. Cette énergie sert à l'anabolisme, aux synthèses.
Le catabolisme permet la génération d'ATP = Adénosine Tri-Phosphate, principal donneur d'énergie libre, "monnaie énergétique" de la cellule.
Découvert en 1929, l'adénosine triphosphate contient une liaison phospho-ester normale puis 2 liaisons anhydride phosphorique très riches en énergie.
Ce sont ces liaisons qui seront génératrices d'énergie lors de leur hydrolyse. Le dernier phosphate est ajouté à l'ADP = Adénosine Di-Phosphate par réaction de phosphorylation, réaction endergonique (nécessitant de l'énergie): environ 7500 cal. L'ajout de cet H3PO4 se fait en présence de Mg++ générant l'apparition de la quatrième fonction ionisée de l'ATP.
Deux autres nucléotides sont capables de donner de l'énergie au sein de la cellule mais ceci de façon beaucoup moins importante: le GTP = Guanosine TriPhosphate et l'UTP = Uracile TriPhosphate.

Le catabolisme aérobie est mitochondrial. Il s'y trouve l'O2, sous forme libre diatomique, libre, permettant le déroulement du cycle de Krebs et de la chaîne respiratoire. Cette voie métabolique est centrale.
Le cycle de Krebs sert à obtenir les substrats énergétiques, énergie chimique des nutriments. Elle est conservée sous la forme d'atome d'hydrogène. Il contient un proton et un électron.

2. Entrée des nutriments

2.1. Entrée du glucose

La glycolyse aboutit au pyruvate qui possède un transporteur pour passer à travers la membrane interne mitochondriale. Cette réaction est la première réaction aérobie mitochondriale permettant au pyruvate de se transformer en acétyl-CoA (acétyl Coenzyme A), substrat du cycle de Krebs. L'enzyme catalysant cette réaction est la pyruvate déshydrogènase = PDH, elle réalise une décarboxylation et une déshydrogénation. La PDH est en fait un complexe de 3 enzymes et 5 coenzymes (dont 4 sous forme active de vitamines du groupe B).
La première enzyme à agir est la pyruvate déshydrogénase proprement dite qui permet la décarboxylation du pyruvate et le transfert du résidu sur le TPP ( thiamine-pyrophosphate, vitamine B1) et l'oxydation du résidu en acétyl.
Ensuite cette pyruvate déshydrogènase transfére l'acétyl et les équivalents réducteurs sur le lipoate passant à l'état réduit (dihydrolipoate). La seconde enzyme du complexe PDH peut alors agir.
La dihydrolipoate-transacétylase transfére le résidu acétyl au CoA (vitamine B5) formant l'acétyl-CoA. Le dihydrolipoate restant est réoxydé par la troisième enzyme du complexe, la dihydrolipoate-déshydrogènase, en lipoate.
Les équivalents capteurs sont alors captés par le FAD puis au NAD. Cette réaction libére donc 2 NADH,H+ qui vont rejoindre directement la chaîne respiratoire.

2.2. Entrée des acides gras

Elle se fait par l'oxydation des acides gras. Cette voie, la plus énergétique pour la plupart des cellules, se déroule dans la mitochondrie et aboutit à la formation d'acétyl-CoA et de coenzymes réduits.
Les acides gras sont tout d'abord activés en acyl-CoA par des acyl-CoA synthétases, réaction endergonique consommant deux liaisons riches en énergies (ATP --> AMP = Adénosine MonoPhosphate).
Ainsi activés, les acides gras rentrent dans la mitochondrie. Ceux dont la chaîne carbonée est longue ( >12C ) passent par l'intermédiaire de la L-carnitine. Une fois dans la mitochondrie, l'acyl-CoA va être oxydé par l'Hélice de Lynen, ensemble de 4 réactions aboutisant à la libération d'un acyl-CoA diminué de 2 carbones et d'acétyl-CoA (les deux carbones perdus).
Ce cycle se répéte donc n fois et in fine, conduit à la formation d'un résidu de 3 carbones, le propionyl-CoA, dégradé dans le cycle de Krebs par le biais du succinyl-CoA.
Chaque tour d'hélice permet la génération donc d'un acétyl-CoA, d'un FADH2 et d'un NADH,H+. Le NADH,H+ sera directement réduit par la chaîne respiratoire. Le FADH2 donne ses équivalents réduits à l'ETF (Electron Transfer Flavoprotein) qui devient ETFH2.

2.3. Entrée des acides aminés

Elle se fait selon les mécanismes de désamination et de transamination étudiés dans le cours sur les acides aminés.

3. Le cycle de Krebs

3.1. Présentation

Il s'agit d'une plate-forme commune au catabolisme des substrats énergétiques.
Il a pour but la décarboxylation de l'acétyl-CoA et l'extraction de son énergie.
Il contient sept enzymes solubles et une fixée dans la membrane interne mitochondriale.

3.2. Les 8 réactions

3.2.1. Condensation de l'acétyl-CoA et de l'oxaloacétate

Le produit commun de la dégradation des nutriments, l'acétyl-CoA est irréversiblement condensé à l'oxaloacétate par la citrate-synthase en utilisant l'énergie libérée de l'hydrolyse de la liaison thioester.
Cette réaction nécessite une molécule d'H2O. Elle permet la formation du citrate (6C), premier acide carboxylique du cycle (posséde une fonction alcool tertiaire, molécule symétrique).

3.2.2. Isomérisation du citrate

En présence de Fe++, l'aconitase déshydrate le citrate créant un composé intermédiaire: le cis-aconitate. Celui-ci est hydraté et forme l'isocitrate.
Cis-aconitate et isocitrate sont les deux autres acides tricarboxyliques du cycle.

3.2.3. Décarboxylation et déshydrogénation de l'isocitrate

L'isocitrate-déshydrogénase extrait irréversiblement 2H+ de l'isocitrate et les transfére sur le NAD réduit passant à l'état oxydé NADH,H+; réaction s'effectuant en présence de Mg++ ou Mn+.
Sont issus de cette réaction: un CO2 et un acide alpha-cétonique dicarboxylique: l'alpha-cétoglutarate (5C).

3.2.4. Décarboxylation et déshydrogénation de l'alpha-cétoglutarate

C'est un complexe enzymatique comparable à celui de la PDH qui va réaliser ces modifications.
Il s'agit donc également d'une oxydation irréversible. Le complexe alpha-cétoglutarate-déshydrogénase est constitué de 3 enzymes et 5 coenzymes (TPP, lipoate, CoA,FAD,NAD) et nécessite la présence de Mg++. Le FAD extrait deux hydrogènes puis les transfère au NAD.
Un CO2 est alors libéré et on obtient un composé à 4 carbones enrichi en énergie (liaison thioester donnée par le CoA). ce composé est le succinyl-CoA.

3.2.5. Phosphorylation liée au substrat riche en énergie

Cette étape va servir à extraire l'énergie du succinyl-CoA.
La succinyl-thiokinase (ou succinyl-CoA synthétase), en consommant une molécule d'H2O, phosphoryle un GDP
. Le GTP obtenu sera transformé en ATP.
Le produit de cette réaction est le succinate.

3.2.6. Déshydrogénation du succinate

L'enzyme de cette réaction, la succinate-déshydrogénase, appartient au complexe II de la chaîne respiratoire comportant le coenzyme FAD. Celui-ci va oter 2H+ au succinate formant le fumarate.

3.2.7. Hydratation du fumarate

La fumarase nécessite une molécule d'eau pour transformer le fumarate en malate.

3.2.8. Déshydrogénation du malate

La malate-déshydrogénase transfère 2H+ du malate à son coenzyme, le NAD. On aboutit à l'oxaloacétate.
Ce dernier est régénéré en fin de cycle mais pas en quantité suffisante pour "remplir" le cycle. Il doit donc être fourni en supplément.
Il peut alors provenir soit de la décarboxylation du pyruvate par la pyruvate décarboxylase, soit de la transamination de l'aspartate par l'ASAT.

3.3. Bilans

3.3.1 Equation bilan

CH3-CO-S~CoA + 3H2O --> 2CO2 + 8H+ + SH~CoA

3.3.2. Bilan énergétique

Nous avons donc vu qu'en un tour de cycle, l'acétyl-CoA donne: 1 ATP, 3NADH,H+ qui donneront 9 ATP une fois réoxydés par la chaîne respiratoire, 1 FADH2 qui donnera 2 ATP. Soit au total : 12 ATP

3.4. Régulation

Principale enzyme régulatrice: l'isocitrate-déshydrogénase car activée allostériquement par l'ADP et le NAD+ (donc quand la cellule demande de l'énergie) et inhibée par l'ATP et le NADH,H+.
Les disponibilités en acétyl-CoA, oxaloacétate et oxygène conditionnent également l'activité du cycle de Krebs.

3.5 Les substrats du cycle de Krebs

3.5.1 Le NADH,H+

Ce coenzyme d'oxydoréduction ne peut pas franchir la membrane mitochondriale et utilise donc le système des navettes. D'origine vitaminique, il dérive du nicotinamide (vitamines B3 ou PP).C'est le principal collecteur d'H puisqu'il peut en fixer 2 : 1H+ libre et 1H+ et 2e- de façon fixe
. C'est le coenzyme mobile de nombreuses déshydrogénases cytosoliques et mitochondriales. Il transporte les paires d'H au complexe I de la chaîne respiratoire.

3.5.2. Le FADH2

Lui aussi coenzyme d'oxydoréduction, il n'est produit que dans la mitochondrie. Comme le NADH, il est d'origine vitaminique et dérive de la flavine (vitamine B2). Contrairement au NADH, il est lié à ses déshydrogénases mitochondriales. C'est le coenzyme de la succinate déshydrogénase du complexe II, donc appartient au cycle de krebs (succinate + FAD --> FADH2 + fumarate) et à la chaîne respirtoire (FADH2 + Q --> QH2 + FAD).
c'est également le coenzyme de l'acyl-CoA déshydrogénase de l'Hélice de Lynen : le FADH2 est alors connecté à la chaîne respiratoire par l'ETF qui transporte ses 2H à une variante du complexe II.

Elle est constituée de deux cycles liés par les mécanismes de déshydrogénation et de transamination.

4.1. Le cycle malate-oxaloacétate

L'oxaloacétate cytosolique passe par la malate-déshydrogénase pour entrer dans la mitochondrie selon la réaction : oxaloacétate + NADH,H+ --> malate + NAD+.
Une fois dans la mitochondrie grâce au transporteur malate-cétoglutarate, l'isoenzyme mitochondriale redonne l'oxaloacétate en inversant la réaction précédente.

4.2. Le cycle glutamate-aspartate

Par l'action de l'aspartate transaminase, l'oxaloacétate va pouvoir retourner dans le cytosol en utilisant le transporteur commun aspartate-glutamate.
Une fois dans le cytosol, l'aspartate va être retransaminé en oxaloacétate par l'ASAT cytosolique.

Les mouvements couplés du glutamate et de l'alpha-cétoglutarate maintiennent l'équilibre du cycle.


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