Cycle de l’acide citrique Cycle des acides tricarboxyliques Cycle de Krebs L Bermont

Cycle de l’acide citrique
ou
Cycle des acides tricarboxyliques
ou
Cycle de Krebs
Biochimie Métabolique
2è Année Pharmacie
UFR Sciences Médicales et Pharmaceutiques Besançon
L Bermont
Cycle de l’acide citrique
Introduction
Ce cycle rend compte de la majeure partie de l’oxydation :
- des glucides
- des acides gras
- des acides aminés
Il est amphibolique, i.e qu’il intervient à la fois dans :
- des réactions cataboliques et,
- des réactions anaboliques
Il est constitué d’une suite de réactions qui oxydent le groupement
acétyle de l’acétyl-CoA en 2 molécules de CO2, selon un processus
permettant de récupérer l’énergie libre disponible pour la synthèse
d’ATP
Cycle de l’acide citrique
Introduction
Le précurseur immédiat de l’acétyl-CoA lors de la dégradation des
glucides est le pyruvate, produit de la glycolyse
Dans des conditions anaérobies, le NADH formé au cours de la
glycolyse, est réoxydé avec le réduction concomitante de pyruvate
en lactate (dans le muscle)
Cycle de l’acide citrique
Introduction
Dans des conditions aérobies, le NADH est réoxydé dans la chaîne
respiratoire mitochondriale
Le pyruvate peut alors entrer dans la mitochondrie via un système
symport pyruvate-H+ et subir une oxydation plus poussée
L’oxydation des acides gras et de certains acides aminés peut
également conduire à la formation d’acétyl-CoA
Ainsi, l’acétylCoA est un véritable carrefour métabolique
intégrant le catabolisme des glucides, des acides gras et des acides
aminés
Cycle de l’acide citrique
I- Passage à l’oxydation aérobie du pyruvate
1.1 La Pyruvate DésHydrogénase
La décarboylation oxydative du pyruvate conduit à l’acétyl-CoA,
réaction catalysée par la Pyruvate DésHydrogénase (PDH, mitochondrie)
La PDH est un complexe multienzymatique composé de 3 enzymes :
- la pyruvate déhydrogénase (E1)
- la dihydrolipoyle transacétylase (E2)
- la dihydrolipoyle déshydrogénase (E3)
Chez les eucaryotes la PDH est un complexe de structure
dodécaédrique (12 faces) de 10 000 kDa composé à partir de :
- 30 dimères E1
- 60 dimères E2
- 6 dimères E3
Intérêts :
- Augmentation des interactions E-S et de la vitesse
- Guidage des substrats au sein du complexe
- Régulation coordonnée des activités enzymatiques
Cycle de l’acide citrique
I- Passage à l’oxydation aérobie du pyruvate
1.2 Formation de l’acétyl-CoA
La PDH, enzyme liée sur la face interne de la membrane interne
mitochondriale , catalyse 5 réactions dont la stoechiométrie est :
Pyruvate + CoA-SH + NAD+ Acétyl-CoA + CO2 + NADH
La réaction nécessite :
- le Pyrophosphate de thiamine (TPP), lié à E1
- le Flavine Adénine Dinucléotide (FAD), lié à E3
- le Nicotinamide Adénine Dinucléotide (NAD+)
- le lipoamide (acide lipoïque + groupement ε-amino d’un
résidu Lysine), lié à E2
Cycle de l’acide citrique
I- Passage à l’oxydation aérobie du pyruvate
1.2 Formation de l’acétyl-CoA
Réactions 1 et 2 catalysées par l’activité PDH (décarboxylation)
1- Pyruvate + TPP Hydroxyéthyl-TPP + CO2
2- Hydroxyéthyl-TPP + Lipoamide Acétyl-dihydrolipoamide
+ TPP
Cycle de l’acide citrique
I- Passage à l’oxydation aérobie du pyruvate
1.2 Formation de l’acétyl-CoA
Réaction 3 catalysée par l’activité dihydrolipoyl transacéylase
3- Acétyl-dihydrolipoamide + CoA-SH Acétyl-CoA +
dihydrolipoamide
Cycle de l’acide citrique
I- Passage à l’oxydation aérobie du pyruvate
1.2 Formation de l’acétyl-CoA
Réactions 4 et 5 catalysées par l’activité dihydrolipoyl DH
4- Dihydrolipoamide + FAD Lipoamide + FADH2
5- FADH2 + NAD+ FAD + NADH + H+
Cycle de l’acide citrique
I- Passage à l’oxydation aérobie du pyruvate
1.2 Formation de l’acétyl-CoA
La réaction 3 catalysée par la dihydrolipoyl transacétylase
3- Acétyl-dihydrolipoamide + CoASH Acétyl-CoA +
dihydrolipoamide
L’arsénite (As33- ) et les arsénicaux organiques sont toxiques car
peuvent se lier par covalence au groupement sulhydryle comme
le dihydrolipoamide
L’inactivation des enzymes à lipoamide, comme la PDH et
l’α
α-cétoglutarate DH, finit par bloquer la respiration
Cycle de l’acide citrique
I- Passage à l’oxydation aérobie du pyruvate
1.3 Contrôle du complexe PDH
La PDH régule l’entrée d’unités acétyle dans le cycle de l’acide citrique
Il n’existe pas d’autres voies de synthèse d’acétyle-CoA à partir du pyruvate
intérêt du contrôle de la PDH
1- Inhibition par les produits de la réaction NADH et Acétyl-CoA
Compétition avec le
NAD+ et le CoASH
NADH/NAD+ et
Acétyl-CoA/CoA-SH
élevés maintiennent E2
sous sa forme acétylée
Cycle de l’acide citrique
I- Passage à l’oxydation aérobie du pyruvate
1.3 Contrôle du complexe PDH
2- Contrôle par Phosphorylation/Déphosphorylation
* Le NADH et l’acétyl-CoA en plus d’inhiber E3 et E2 active la PDH kinase et
inactive donc la PDH
Le NADH et l’acétyl-CoA sont les produits de la β-oxydation des acides gras
préservation des stock de glucides lorsque les acides gras sont disponibles
Cycle de l’acide citrique
I- Passage à l’oxydation aérobie du pyruvate
1.3 Contrôle du complexe PDH
2- Contrôle par Phosphorylation/Déphosphorylation
* Le Calcium Ca2+ second messager signalant les besoins en énergie
(contraction musculaire) activation de la phosphatase et donc de la PDH
* L’insuline active la synthèse d’acétyl-CoA qui servira à la synthèse d’acides
gras (mise en réserve)
Insuline,
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
2.1 La citrate synthase
Condensation de l’acétyle et de l’OA Citrate (6 carbones, 3 fonctions acide)
Synthase = pas d’apport d’énergie sous forme ATP. L’énergie est fournie par
l’hydolyse de la liaison thioester de l’acétyl-CoA
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
2.2 Aconitase
L’aconitase catalyse l’isomérisation du citrate en isocitrate avec le cis-aconitate
comme intermédiaire
Objectif : transformation d’un alcool tertiaire, non oxydable, en un alcool
secondaire oxydable
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
2.3 Isocitrate déshydrogénase
Catalyse, en présence de Mn2+ ou Mg2+, la décarboxylation
oxydative de l’isocitrate en α-cétoglutarate avec formation
de CO2 et de NADH
Isocitrate
oxalosuccinate
α-cétoglutarate
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
2.4 α-cétoglutarate déshydrogénase
Catalyse la décarboxylation oxydative de l’α
α-cétoglutarate en
succinyl-CoA avec formation de NADH et de CO2
Complexe multienzymatique, analogue au complexe PDH, avec :
- α-cétoglutarate DH (E1)
- Dihydrolipoyl transsuccinylase (E2)
- Dihydrolipoyl déshydrogénase (E3)
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
2.5 Succinyl-CoA Synthase
Hydrolyse du Succinyl-CoA (riche en énergie) avec couplage de la synthèse de
GTP
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
2.6 Régénération de l’oxaloacétate
A ce stade, un équivalent acétyle a été complètement oxydé en 2
CO2 avec formation de 2 NADH et 1 GTP
Les 3 dernières étapes du cycle ont pour objectif de reformer de
l’oxaloacétate à partir du succinate :
1- Succinate DésHydrogénase (liée de façon covalente au FAD)
2- Fumarase
3- Malate DésHydrogénase
1
2
3
(trans)
L’oxydation du succinate en fumarate est assez exergonique pour réduire le
FAD mais pas le NAD+
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
2.6 Régénération de l’oxaloacétate
Malate DésHydrogénase : ∆G0’ = +29,7 kJ/mol
Citrate Synthase : ∆G0’ = -31,5 kJ/mol
Ces 2 réactions sont couplées permettant ainsi le démarrage du cycle
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
2.7 Bilan énergétique
1 Acétyl-CoA + 3 NAD+ + 1 FAD + 1 GDP + 1 Pi + 2 H2O
2 CO2 + CoASH + 3 NADH + 1 FADH2 + 1 GTP
Un tour du cycle de l ’acide citrique s’accompagne de :
- l’oxydation d’un groupement acétyle en 2 CO2, mettant en jeu 4
paires d ’électron
* la formation de 3 NADH à partir de 3 NAD+, soit 3 paires
d’électron
* la formation de 1 FADH2 à partir de 1 FAD, soit la 4è paire
d’électron
- la formation d’un GTP
Les 8 électrons vont passer dans la chaîne respiratoire mitochondriale pour
réduire en dernier ressort 2 molécules d’O2 en H2O :
- 1 NADH 3 ATP
- 1 FADH2 2 ATP
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
2.7 Bilan énergétique
L’oxydation complète du glucose permet de récupérer :
2 ATP (Glycolyse anarobie)
2 NADH (Glycolyse anarobie)
2 NADH (Pyr Acétyl-CoA)
6 NADH (Cycle Krebs)
2 FADH2 (Cycle Krebs)
2 GTP (Cycle Krebs)
2 ATP
30 ATP
4 ATP
2 ATP
Soit 38 ATP ou 6,3 ATP/C
Ou 32 ATP sans les 2 NADH générés au cours de la glycolyse anaérobie et qui
sont réoxydés en NAD+ pour permettre l’entretien de la glycolyse anaérobie
Bilan de l’oxydation
complète du glucose
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
2.8 Réactions anaplérotiques du cycle de Krebs
Le CK est amphibolique (anabolique et catabolique)
Les voies qui utilisent des intermédiaires du CK ont aussi besoin d’énergie
(ATP) fournie par le CK nécessité de remplissage = réaction anaplérotique
La principale réaction anaplérotique est catalysée par la pyruvate
carboxylase pour produire de l’oxaloacétate
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
2.8 Réactions anaplérotiques du cycle de Krebs
La Pyruvate Carboxylase est activée par l’acétyl-CoA et inhibée par le NADH
Si l’acétyl-CoA augmente mais que la charge en NADH est suffisante, la
Pyruvate Carboxylase est inhibé et l’OA orienté vers la synthèse de malate,
transféré vers le cytosol
et utilisé pour la
gluconéogenèse
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
2.8 Réactions anaplérotiques du cycle de Krebs
Des voies de dégradation fournissent des intermédiaires du CK :
- l’oxydation des AG (2n+1) conduit à la formation de succinyl-CoA
- la dégradation de l’Ile, Met et Val conduit au succinyl-CoA
- la transamination et la désamination des certains Ac Aminés
conduisent à la formation d’α
α-cétoglutarate et d’OA. Ces réactions
sont réversibles
ALAT
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
2.9 Régulation du cycle de Krebs
La Citrate Synthase
L’isocitrate Synthase
L’α
α-cétoglutarate DH
régulent le cycle de Krebs par :
1/ la disponibilité en substrat
2/ l’inhibition par les produits
3/ l’inhibition compétitive par
rétrocontrôle par des
intermédiaires formés
postérieurement au cours du
cycle
S = Acétyl-CoA, OA
P = NADH
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
2.9 Régulation du cycle de Krebs
2.9.1 Régulation par la disponibilité en substrat et les produits
L’acétyl-CoA et l’OA sont, dans la mitochondrie, à des concentrations non
saturantes pour la citrate synthase
Le passage d’une faible activité à une activité intense diminution NADH
Augmentation de l’OA qui active la citrate synthase
La vitesse d’utilisation du citrate est sous la dépendance de l’Isocitrate DH qui
est fortement inhibée par le NADH
La diminution du citrate (consommé) entraîne :
- une activation de la Citrate Synthase par l’OA (inhib compétitive
par le citrate)
- une activation de l’α
α-cétoglutarate DH
- le succinyl-CoA qui est consommé, est un inhibiteur compétitif de la
Citrate Synthase
Cycle de l’acide citrique
Cycle de l’acide citrique
II- Le cycle de Krebs
2.9 Régulation du cycle de Krebs
2.9.2 Régulation allostérique par l’ADP, l’ATP et le Ca2+
Une activité intense s’accompagne d’une diminution de l’ATP et une
augmentation de l’ADP ATP/ADP diminue
L’ADP est un effecteur positif de l’Isocitrate DH : diminution du Km pour
l’isocitrate. L’ATP est un inhibiteur
Le Ca2+ : active la glycogénolyse, déclenche la contraction musculaire, second
messager et aussi un régulateur du CK :
- active l’Isocitrate DH
- active l’α
α-cétoglutarate DH
Ainsi, le même signal :
- stimule la contraction musculaire
- et la production d’ATP qui le fait fonctionner
Cycle de l’acide citrique
III- Les protéines de découplage UCP ou thermogénines
UCP1 : tissu adipeux brun (couleur liée à la présence de nombreux cytochromes mitochondriaux)
UCP2 : exprimée dans de nombreux types cellulaires dont le tissu adipeux blanc
UCP3 : exprimé principalement dans les muscles.
UCP4 : exprimé préférentiellement dans le cerveau.
Chez l’Homme présence de tissu adipeux brun dans le cou et la partie supérieure du dos
UCP est inhibée par les nucléotides (ADP, ATP, GDP et GTP) et activée par les acides gras
libres