CYCLE DE L`ACIDE CITRIQUE

FACULTE DE MEDECINE DE CONSTANTINE
LABORATOIRE DE BIOCHIMIE
CYCLE DE L'ACIDE CITRIQUE
PAR DR N. KOUIDER
PLAN
1/ INTRODUCTION
11/ LOCALISATION
111/ VUE D'ENSEMBLE DU CYCLE DE L'ACIDE CITRIQUE
IV/ ROLE DU CYCLE DE L'ACIDE CITRIQUE
V/ ETAPES DU CYCLE DE L'ACIDE CITRIQUE
VI/ BILAN DU CYCLE DE L'ACIDE CITRIQUE
VII/ BILAN ENERGETIQUE DE L'OXYDATION COMPLETE D'UNE MOLECULE DE
GLUCOSE
VIII/ REGULATION DU CYCLE DU CITRATE
IX/INTERET CLINIQUE
CYCLE DE
-
ACIDE CITRIQUE
1/ INTRODUCTION:
Le métabolisme glycolytique jusqu'au pyruvate ne peut mobiliser qu'une petite partie de
l'énergie stockée dans le glucose. Seul le lien avec le cycle de l'acide citrique ou cycle de
Krebs (ou cycle des acides tricarboxyliques) assure une utilisation plus complète. Le pont
entre la glycolyse et le cycle de Krebs est assuré en conditions aérobies, par une
décarboxylation oxydative qui permet de convertir le pyruvate en acétyl CoA.
Le cycle de l'acide citrique est la voie unique du catabolisme aérobie qui permet l'oxydation de
l'acétyl CoA provenant non seulement de la décarboxylation oxydative du pyruvate mais également
de :
- La p oxydation des acides gras
- La dégradation de certains acides aminés en C02
Le cycle de l'acide citrique est donc une voie commune au catabolisme des glucides, des lipides et
des protéines. Parmi les voies d'oxydation cellulaires, l'oxydation de l'acétyl CoA est celle qui
contribue le plus à la synthèse d'ATP.
Le cycle de l'acide citrique présente un double intérêt :
- Production d'énergie ; 90 % de l'énergie produite dans les cellules aérobies provient du cycle de
l'acide citrique en relation avec la chaîne respiratoire et la phosphoryiation oxydative.
- Le cycle fournit également des intermédiaires pour les biosynthèses ; ainsi il prend part à la
néoglucogénèse, à la transamination, à ia désamination et à la synthèse des acides gras.
- C'est une source importante de précurseurs pour la synthèse de nombreuses molécules telles que
les aminoacides, les bases nuciéotidiques, le cholestérol et la porphyrine (le constituant organique de
i'hème)
11/ LOCALISATION :
Toutes les réactions du cycle de l'acide citrique ont lieu dans la membrane mitochondriale dont la
matrice contient toutes les enzymes nécessaires.
1
Ill/VUE D^ENSEMBLE DU CYCLE DE rACIDE CITRIQUE :
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IV/ Rôle du cycle de l'acide citrique :
Le rôle principal consiste à dégrader l'acétyl CoA en C02 avec production de NADH, H+, FADH2 et
GTP. Le NADH, H+et le FADH2 livrent ensuite leurs électrons et leurs protons dans la chaîne
respiratoire pour fornner de l'ATP but final du catabolisme énergétique. Le C02 est un produit de
déchet qui sera chassé dans l'air expiré, D'autre part, le cycle du citrate présente de non-ibreuses
possibilités d'entrée ou de sortie pour les voies de biosynthèse.
V/ Etapes du cycle de l'acide citrique :
1/ Formation du citrate :
Le cycle de l'acide citrique commence par la condensation d'une unité à 4 carbones,
l'oxaloacétate, et d'une unité à 2 carbones, le groupe acétyie de l'acétyl CoA, Cette réaction
qui est une condensation suivie d'une hydrolyse, est catalysée par la citrate synthétase.
Cette réaction est irréversible et fortement exergonique et donc doit se dérouler même si la
concentration d'oxaloacétate est faible.
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C4
C6
2/ Isomérisation du citrate en isocitrate :
Le groupe hydroxyle n'est pas correctement localisé dans la molécule de citrate pour les
décarboxylations oxydatives qui suivent. Cette réaction consiste à déplacer le groupement - OH
du citrate pour former une fonction alcool secondaire qui peut être oxydée. L'enzyme qui catalyse
cette réaction s'appelle aconitase. La réaction se déroule en deux étapes : la déshydratation en cisaconitate suivie immédiatement d'une réhydratation en isocitrate. Cette réaction est réversible,
mais s'effectue dans le sens de la formation de I'isocitrate car ce dernier est rapidement consommé.
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-
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M
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H
-
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C
-
H
Citrate
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CH.,—COO
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K
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C-COO
I
CIL-COO
H"C—COt)
^
; H
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'
IiO-C-COO
l
H
lyocitrate
3/ Décarboxylation oxydative de I'isocitrate en a cetoglutarate :
L'isocitrate deshydrogenase catalyse la décarboxylation oxydative de I'isocitrate en a cetoglutarate
avec libération de la première molécule de C02 et la formation du premier NADH, H+. Le Mn++ (ou
le Mg++) est nécessaire à la réaction. Celle-ci se déroule en deux temps :
- Déshydrogénation de I'isocitrate en oxalosuccinate (instable)
3
- Décarboxylation de l'oxalosuccinate en a cétoglutarate
La vitesse de formation de l'a cétoglutarate est importante pour déterminer la vitesse globale du
cycle.
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H
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-
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ÇH2
ÇH2
CH2
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coo-
Isocitrate
Oxalosuccinate
a-Ketoglutarate
4/ Décarboxylation oxydative de l'a cétoglutarate en succinyl CoA :
La conversion de l'isocitrate en a cétoglutarate est suivie d'une seconde réaction de
décarboxylation oxydative, la formation du succinyl CoA à partir de l'a cétoglutarate. Cette
réaction irréversible, est catalysée par le complexe de l'a cétoglutarate déshydrogénase un
ensemble organisé de 3 sortes d'enzymes et de 5 coenzymes qui est homologue au
complexe de la pyruvate déshydrogénase.
C5
aC:éroghitniiif<?
C4
H u c c i n y 1 - (J i> A
5/ Formation du succinate ;
Le succinyl CoA est un composé thioester riche en énergie. Le clivage de la liaison thioester
du succinyl CoA est couplé à la phosphorylation de l'ADP. Cette réaction qui est facilement
réversible est catalysée par la succinyl CoA synthétase ou succinate thiokinase. Il en résuite
une production de GTP et une régénération du coenzyme A. La régénération de l'ATP par le
GTP est catalysée par une adénosine diphosphokinase. Cette réaction est la seule étape du
cycle de l'acide citrique qui donne directement un composé à haut potentiel de transfert de
phosphoryle.
4
CHo—COO~
GTP
O D P + Pi
CoA-SI-I
coo~
C—S-CoA
II
o
coo
O II
Succinate
Succinyl-CoA
GTP
ADP
thiukinase
ATP adénosine diphosphokinase
-G DP
<-
Succinate
6/Déshydrogénation du succinate en fumarate:
La succinate désinydrogénase catalyse la déshydrogénation du succinate en fumarate. Cette
déshydrogénation ne libère pas suffisamment d'énergie pour réduire un NAD+, si bien que c'est le
FAD qui est réduit en FADH2.
COO
FAD
FADH2
COO
(':H
CH2
HC
f
COO
COO
Succinate
Fumarate
7/ Hydratation du fumarate en L malate :
La fumarase fixe une molécule d'eau sur le fumarate pour former le L malate.
COO
COO
I
CII
\
H O ~ C M
lu aiaraae
COO
FLiiiia-ra-te
HC—lî
COO"
8/ Régénération de l'oxaloacetate :
La malate deshydrogenase dépendante du NAD+; catalyse la déshydrogénation du L malate en
oxaloacétate avec formation du NADH, H+. L'équilibre de cette réaction est en faveur du malate
mais comme l'oxaloacetate est vite consommé, la réaction s'effectue dans le sens de la formation
d'oxaloacétate.
5
coo
NAI)
NADH
H
COO
-h-
HO—C—H
o=c
CH2
CH2
m a l a te
COO
COO"
Oxaloacetate
L-Malate
VI/ BILAN DU CYCLE DE L'ACIDE CITRIQUE:
Acétyl CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi + 2 H20
• 2 C02 + 3 NADK + FADH2 + ATP + 2 H+ +CoA
Le NADH, H+ et le FADH2 formés par la glycolyse et le cycle de l'acide citrique sont des molécules
riches en énergie parce qu'elles possèdent une paire d'électrons ayant un haut potentiel de transfert.
Quand ces électrons sont donnés à une molécule d'02 au terme de la phosphorylation oxydative,
une grande quantité d'énergie libre est libérée et utilisée pour régénérer de l'ATP.
La phosphorylation oxydative désigne le processus par lequel de l'ATP est formé, lorsque des
électrons sont transférés du NADH, H+ ou du FADH2 à l'oxygène, par une série de
transporteurs d'électrons situés dans la membrane interne de la mitochondrie.
Les NADH, H+ et le FADH2 sont oxydés par la chaîne de transport des électrons générant
ainsi : - 2,5 ATP par molécule de NADH oxydée
- 1,5 ATP par molécule de FADH2 oxydée.
Donc pour un tour de cycle du citrate :
Cycle du citrate
Bilan énergétique
IGTP
1 ATP
3 NADH, H+
7,5 ATP
1FADH2
1,5 ATP
TOTAL
10 ATP
L'oxygène moléculaire ne participe pas directement au cycle de l'acide citrique. Cependant,
le cycle ne fonctionne que dans des conditions aérobies puisque le NAD+ et le FAD doivent
être nécessairement régénérés dans la mitochondrie après transfert des électrons à
l'oxygène moléculaire. La glycolyse peut se produire selon un mode aérobie ou un mode
anaérobie, tandis que le cycle de l'acide citrique est strictement aérobie. La glycolyse peut
s'effectuer dans des conditions anaérobies parce que le NAD+ est régénéré lors de la
conversion du pyruvate en lactate ou en éthanol.
VII/ BILAN ENERGETIQUE DE L'OXYDATION COMPLETE D^UNE MOLECULE DE GLUCOSE :
Voie directe
Glycolyse
2 ATP
Phosphorylation oxydative
2 NADH = 5 ATP
2 N A D H = 5 ATP
Décarboxylation oxydative
/
Cycle de KREBS
2 GTP - 2 ATP
4 ATP
TOTAL
5 NADH = 15 ATP
2 FADH2 = 3 ATP
28 ATP
32 ATP
VIII/ REGULATION DU CYCLE DE L'ACIDE CITRIQUE :
La vitesse du cycle de l'acide citrique est ajustée pour s'adapter aux besoins cellulaires en
ATP et ou en intermédiaires de biosynthèse. Il existe donc deux niveaux de contrôle :
- Contrôle de la formation de l'acétyl-CoA à travers la régulation de l'activité de la pyruvate
déshydrogénase.
- Contrôle de l'oxydation de Tacétyl-CoA à travers la régulation de l'activité de :
•I* La citrate synthétase
<* L'isocitrate déshydrogénase
*>
l'a cétoglutarate déshydrogénase
7
Contrôle de l ' o x y d a t i o n de l'acétyl-CoA :
- I n h i b i t i o n allostérique par l'ATP
Citrate synthétase
(bactéries)
- I n h i b i t i o n par le c i t r a t e
• A c t i v a t i o n allostérique par l'ADP ; l'ADP
Isocitrate déshydrogenase
a u g m e n t e l'affinité p o u r ses substrats
- I n h i b i t i o n par le NADH, H+ et l'ATP
a cétoglutarate déshydrogenase
- I n h i b i t i o n par le succinyl CoA le NADH
ainsi q u e l'ATP
Toutes ces déshydrogénases sont activées par les ions Ca++ d o n t la c o n c e n t r a t i o n
a u g m e n t e au cours de la c o n t r a c t i o n musculaire.
IX/INTERET CLINIQUE :
Trois enzymes essentielles à la r e s p i r a t i o n cellulaire sont connues p o u r c o n t r i b u e r au
développement d u cancer : la succinate déshydrogenase, la f u m a r a s e et la p y r u v a t e
déshydrogenase kinase. Des m u t a t i o n s qui m o d i f i e n t l'activité de chacune de ces t r o i s
enzymes r e n f o r c e n t la glycolyse aérobie. Les cellules cancéreuses en u t i l i s a n t la glycolyse
aérobie métabolisent préférentiellement le glucose en lactate, même en présence
d'oxygène. La r e l a t i o n e n t r e les enzymes d u cycle de l'acide c i t r i q u e et le cancer suggère
que celui-ci est également une maladie métabolique et pas u n e maladie causée
u n i q u e m e n t par des m u t a t i o n s interférant avec les facteurs de croissance et les
protéines contrôlant le cycle cellulaire.
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