II.Biochimie métabolique 3

5.Le cycle des acides tricarboxyliques ou cycle de Krebs

A. Contexte global

Le cycle tricarboxylique est la voie centrale de dégradation des résidus acétyl ( 2C) provenant des glucides des acides gras et des acides aminés. 

Dans la cellule, le cycle de l'acide citrique intervient dans l'oxydation de 2/3 des dérivés de carbone. Le cycle est le processus ultime de dégradation des différents métabolites qui seront dégradés en CO2 (et eau) en formant du NADH (coenzyme réduit).

Le CO2 est un produit de dégradation métabolique et se trouve éliminé.

Toutefois, il ne s'agit pas d'une oxydation de ces métabolites au sens propre, mais d'une utilisation d'oxygène (nécessaire pour oxyder les coenzymes réduits, le NADH et le FADH2), accompagnée d'un transfert d'électrons via un mécanisme de porteurs utilisant l'oxygène comme accepteur final d'électrons.

Le NADH est réoxydé dans la chaîne respiratoire :

NADH + O2 ---> O2- +  régénération du NAD+ qui est crucial dans le cycle de l'acide citrique.

(l'O2 en soi n'est pas vraiment métabolisé dans le cycle de l'acide citrique mais sa présence est indispensable dans le transfert des électrons du NADH au niveau de la chaîne respiratoire)  

Le cycle est le point final et commun du métabolisme des glucides, lipides et protides! Sa fonction principale est l'oxydation des groupements acétyle provenant du pyruvate et qui entre dans le cycle sous forme d'AcétylCoA. Le cycle se déroule dans la matrice de la mitochondrie, en aérobiose.

Il y a d'abord la formation à partir du pyruvate de la partie acétyle du complexe Acétyl-Coenzyme A. Le premier composé produit dans le cycle de l'acide citrique est le citrate, une condensation de l'Acétyl-Coenzyme A et de l'oxaloacétate.

AcétylCoA (= C2)  + oxaloacétate (C4) ---> acide citrique (C6)

Etant donné que dans la glycolyse en anaérobiose, deux molécules de pyruvate sont synthétisées à partir d'une molécule de glucose, le cycle de l'acide citrique doit être parcouru  2 x pour dégrader une molécule de glucose.

Les 8 réactions forment un "cycle" parce que le produit terminal, l'oxaloacétate (= molécule porteuse de l'AcétylCoA), est chaque fois régénéré et forme le point de départ d'un nouveau cycle :

le cycle de l'acide citrique débute et  se termine avec l'acide citrique (citrate) : à chaque tour de cycle, une molécule d'Acétyl-CoA réagit avec une molécule d'oxaloacétate pour donner du citrate. Au cours des réactions suivantes, 2 carbones du citrate  (C6) sont éliminés sous forme de CO2 , assurant ainsi la régénération de l'oxaloacétate (C4).

chaque cycle produit 3 molécules de NADH (à partir de NAD+) et 1 x FADH2 (à partir d' FAD). : le double par molécule de glucose ( C3 x 2 = C6 )

chaque tour de cycle produit 1 molécule de GTP (à partir de GDP) (pas d'ATP!). Plus loin, via la chaîne respiratoire et la phosphorylation oxydative, une molécule d'ATP est formée (lors de la libération de 4 électrons).

chaque cycle produit de l'oxaloacétate et de l'alpha-kétoglutarate, produits intermédiaires pouvant être utilisés comme précurseurs d'e.a. des acides aminés dans le cytosol.

NADH :

La chaîne de transport d'électrons induit une phosphorylation oxydative (= chaîne respiratoire). 3 Complexes enzymatiques sont impliqués :

le complexe de la NADH déshydrogénase

le complexe du Cytochrome b-c1

le complexe de la Cytochrome oxydase (COO)

Chaque complexe contient des ions métaux (Cu ou Fe) et d'autres groupements chimiques (protéines) qui forment le chemin de transfert des électrons.

Via le Mg2+ comme cofacteur, l'Ubiquinone (CoQ10), une petite molécule hydrophobe, intervient dans le transfert des électrons du complexe de la NADH déshydrogénase vers le complexe du Cytochrome b-c1.

les cytochromes possèdent un ou plusieurs groupements hème constitués d'atomes de Fe ; l'atome Fe3+ est converti en Fe2+ lorsqu'il accepte un électron.

le cytochrome c (via le Cu comme cofacteur) migre entre les deux complexes cytochromiques.

Le complexe de la Cytochrome oxydase reçoit ainsi les électrons du cytochrome c et les cède à l'O2. Au total, 4 électrons et 4 protons sont transférés sur chaque molécule d'O2.  En effet, la molécule d'oxygène possède une affinité élevée pour des électrons.

Le cycle ne produit ou n'utilise aucune molécule d'oxaloacétate ni d'autre produit intermédiaire propre.

le cycle se déroule donc sans production de molécules substrat!

les concentrations ne seront pas modifiées tant qu'aucun intermédiaire n'est extrait ou ajouté...

conséquence : lorsque certains produits intermédiaires font défaut, le cycle ne peut plus fonctionner normalement : son déroulement peut donc être influencé positivement ou négativement 

 

B. Conversion du pyruvate en acétylCoA

Après son entrée dans la mitochondrie, le pyruvate est d’abord converti en un composé appelé acétyl-CoA.

Cette étape charnière entre la glycolyse et le cycle de l’acide citrique est catalysée par un complexe multienzymatique qui active trois réactions :    

 

1. Le groupement carboxyle (-COO^-) du pyruvate possède peu d’énergie, il est éliminé et libéré sous forme de dioxyde de carbone
2. Le fragment restant (CH3CO--) est oxydé pour former un composé appelé acétate (forme ionisée de l’acide acétique : CH₃COO^-)
3. Les électrons issus de l’oxydation précédente vont être transférés au NAD+ pour donner NADH + H+ (stockage d’énergie). Enfin, le CoA dérivé de la vitamine B va s’unir à l’acétate pour former l’acétylCoA. La liaison carbone-souffre est instable, ce qui rend le groupement acétyle très réactif. Tout se passe comme si le complexe multienzymatique de la pyruvate déshydrogénase acceptait un groupement acétyle du pyruvate et le transférait au cycle de l’acide citrique où son oxydation pourra continuer.

 

Le complexe multi-enzymatique (et multi co-facteurs) de la pyruvate déshydrogénase (ou pyruvate:NADP+ oxidoréductase ou PDH  catalyse la transformation du pyruvate en acétyl-CoA. Cette réaction fait intervenir le coenzyme A (ou CoA ou CoASH). Le coenzyme A est un dérivé de l'acide pantothénique, vitamine de la famille des vitamines B. Remarque : l'adénosine 3', 5' -diphosphate n'est pas à confondre avec l'ADP = adénosine 5' -diphosphate. Le coenzyme A ou CoA ou CoASH est la molécule qui permet les réactions de transfert des groupes acyles (R-C=O), comme celles du catabolisme des acides gras. Ces groupes sont liés au coenzyme A par des liaisons thioester, liaisons à haut potentiel énergétique (ΔG°' = - 9 kcal/mol).