Oxydation de l'acétyl CoA : le cycle de Szent-Györgyi - Krebs

1. Introduction

2. Différentes représentations des réactions du cycle de Krebs

3. Spécificité du cycle de Krebs chez les végétaux : le cycle du glyoxylate

4. La succinyl CoA synthétase

5. Régulation du cycle de Krebs

6. Liens Internet et références bibliographiques

 

1. Introduction

Le cycle de Szent-Györgyi - Krebs (ou cycle des acides tricarboxyliques ou cycle du citrate) est l'un des mieux décrits.

L'ensemble des enzymes qui le constituent ont été cristallisées et ont fait l'objet de "Molecule of the month" en octobre 2012 ("Protein Data Bank").

Principe du cycle :

  • une molécule à 2 carbones (acétyl-CoA) réagit avec une molécule à 4 carbones (oxaloacétate) pour former une molécule à 6 carbones (citrate), puis 2 carbones sont éliminés (CO2) reformant la molécule à 4 carbones.
  • en parallèle, des coenzymes sont réduits (NADH et FADH2), assurant une grande partie des intermédiaires énergétiques qui entreront dans la chaîne respiratoire.

Positionnement schematique du cycle de Krebs dans la cellule

Dans les cellules des organismes aérobies, le pyruvate formé à l'issue de la glycolyse est oxydé en CO2 et H2O par une série de réactions enzymatiques au cours desquelles une partie de l'énergie est finalement stockée sous forme d'une molécule "riche" en énergie : la molécule d'ATP.

Cette partie de l'énergie ainsi stockée et utilisable par la cellule (au contraire de l'énergie dissipée sous forme de châleur) s'appelle l'énergie libre de Gibbs.

Le pyruvate est d'abord converti en acétyl coenzyme A (acétyl-CoA) à partir du coenzyme A (CoASH).

L'oxydation qui s'en suit du groupe acétyle de l'acétyl CoA s'effectue dans le cycle de Krebs.

L'énergie issue des réactions d'oxydation de ce cycle est convertie sous forme de coenzymes réduits qui contiennent une partie de l'énergie initiale du glucose sous forme d'électrons (pouvoir réducteur) :

  • conversion du coenzyme NAD+ en [NADH + H+]
  • conversion du coenzyme ubiquinone (Q) en ubiquinol (QH2)
  • conversion du coenzyme FAD en FADH2

On doit à Hans Krebs et ses collaborateurs l'élucidation des réactions de ce cycle (1937). On peut rappeler que Hans Krebs a aussi décrit les esquisses du cycle de l'urée (1933). Il a aussi proposé le cycle du glyoxylate qui est une "variante" du cycle du citrate (Hans Krebs et Hans Kornberg, 1957).

Le cycle de Krebs est une "plaque tournante" du métabolisme aérobie. En effet :

  • les produits de dégradation (catabolites) des glucides, des lipides et des acides aminés sont les substrats du cycle de Krebs
  • à l'inverse, certains intermédiaires de ce cycle sont les molécules de départ de nombreuses voies de biosynthèse (anabolisme)

Localisation cellulaire : les enzymes cycle de Krebs sont situées dans le cytosol des Procaryotes et dans la matrice des mitochondries des Eucaryotes.

2. Différentes représentations des réactions du cycle de Szent-Györgyi - Krebs

PLANTES

Cycle de Krebs chez les plantes

Source : "Cycle de Krebs" - Université Jussieu - Paris

ANIMAUX

Cycle de Krebs chez les animaux

Source : R. Huskey - Université de Virginie


Synthèse du cycle de Szent-Györgyi -Krebs
Réaction Substrats Produits Enzyme EC   Commentaires
1 oxaloacétate + acétyl-CoA + H2O citrate + CoA-SH citrate synthétase EC 2.3.3.1 irréversible

Acétyl CoA : liaison thioester / intermédiaire : cytroyl-CoA.

Etape régulatrice du cycle.

2 citrate cis-aconitate + H2O aconitate hydratase EC 4.2.1.3 réversible La même enzyme catalyse ces 2 étapes.
3 cis-aconitate + H2O isocitrate réversible
4 isocitrate + NAD+ oxalosuccinate + NADH + H+ isocitrate déshydrogénase

EC 1.1.1.41

EC 1.1.1.42

réversible

L'isocitrate déshydrogénase à NAD+ nécessite Mn2+ et Mg2+.

5 oxalosuccinate α-cétoglutarate + CO2 irréversible

Même enzyme que l'étape précédente

Etape régulatrice du cycle : NADH et ATP = inhibiteurs.

6 α-cétoglutarate + NAD+ + CoA-SH succinyl-CoA + NADH + H+ + CO2 α-cétoglutarate déshydrogénase complexe multi-enzymatique irréversible

C'est la même réaction que la transformation du pyruvate en acétyl CoA.

Etape régulatrice du cycle : NADH et succinyl-CoA = inhibiteurs.

Rôle de l'α-cétoglutarate dans l'entrée du pouvoir réducteur porté par le NADH via la navette malate - aspartate.

7 succinyl-CoA + GDP + Pi succinate + CoA-SH + GTP succinyl-CoA synthétase

EC 6.2.1.4

EC 6.2.1.4

réversible

Chez l'homme, une isoforme utilise le GDP (pour former du GTP) et l'autre l'ADP (pour former de l'ATP) .

Les plantes possèdent l'isoforme qui utilise l'ADP.

8 succinate + ubiquinone (Q) fumarate + ubiquinol (QH2) succinate déshydrogénase EC 1.3.1.5  

C'est la sous-unité (flavoprotéine) du complexe II de la chaîne respiratoire.

Ubiquinone = coenzyme Q.

9 fumarate + H2O L-malate fumarase EC 4.2.1.2   Formation d'un intermédiaire carbanion.
10 L-malate + NAD+ oxaloacétate + NADH + H+ malate déshydrogénase EC 1.1.1.37 réversible A ne pas confondre avec l'enzyme malique.

Bilan du cycle de Krebs

acétyl CoA + 3 NAD+ + coenzyme Q + GDP (ou ADP) + Pi + 2 H2O ---> CoASH + 3 NADH + coenzyme QH2 + GTP (ou ATP) + 2 CO2 + 2 H+

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3. Spécificité du cycle de Krebs chez les végétaux : le cycle du glyoxylate

Le cycle du glyoxylate n'existe que chez les plantes, les bactéries et les levures.

Chez les végétaux oléagineux , les réserves lipidiques de la graine se transforment en glucides qui alimentent l'embryon pendant la germination.

La figure ci-dessous illustre ce cycle dans une graine de ricin en germination.

1. Les lipides de réserve de cette graine se transforment en acétyl-CoA dans les glyoxysomes.

2. Une citrate synthase et une aconitase propres aux glyoxysomes (et qui sont des isoenzymes de celles situées dans la mitochondrie) catalysent l'incorporation d'acétyl-CoA dans l'oxaloacétate pour former le citrate puis l'isocitrate.

3. L'isocitrate est scindé en succinate et glyoxylate par l'isocitrate lyase.

Le succinate est transporté dans la mitochondrie où il rejoint le cycle de Krebs.

4. Dans les glyoxysomes, le glyoxylate se condense avec l'acétyl-CoA pour former du malate. Réaction catalysée par la malate synthase.

5. Le malate va dans le cytosol où une malate déshydrogénase catalyse la formation d'oxaloacétate.

le cycle du glyoxylate et le glyoxysome

Adapté de : "Principes de Biochimie" Horton et al. (1994)

Or l'oxaloacétate est un précurseur utilisé dans la néoglucogénèse qui aboutit à la reformation de glucose.

Le malate peut donc être utilisé comme un précurseur du glucose.

4. La succinyl-CoA synthétase

La succinyl-CoA synthétase (aussi appelée succinate thiokinase) catalyse une phosphorylation au niveau du substrat.

  • Chez les plantes, l 'énergie libre contenue dans le groupe thioester du succinyl-CoA est conservée par la synthèse d'ATP.
  • Chez les mammifères, il y a synthèse de GTP : énergétiquement et structuralement, cette molécule est équivalente à l'ATP . L'ATP peut donc être synthétisé à partir du GTP et l'ADP. La réaction est catalysée par une nucléoside diphosphokinase.

Reaction catalysee par la succinyl CoA synthetase

5. Régulation du cycle de Krebs

Le premier niveau de régulation est la disponibilité des métabolites points d'entrée du cycle : l'acétyl-CoA et l'oxaloacétate.

La concentration de l'acétyl-CoA dépend de l'activité de la pyruvate déshydrogénase et de la régulation de ce complexe multi-enzymatique :

L'oxaloacétate : la disponibilité de ce métabolite dépend de son utilisation par d'autres voies métaboliques comme la néoglucogénèse.


Effecteur Action Enzyme cible
NADH inhibe pyruvate déshydrogénase - isocitrate déshydrogénase - α-cétoglutarate déshydrogénase - citrate synthétase
acétyl-CoA inhibe pyruvate déshydrogénase
succinyl-CoA inhibe succinyl-CoA synthétase - citrate synthétase
ATP inhibe citrate synthétase - α-cétoglutarate déshydrogénase
citrate inhibe phosphofructokinase-1 de la glycolyse
calcium active pyruvate déshydrogénase - isocitrate déshydrogénase - α-cétoglutarate déshydrogénase

Trois réactions du cycle de Krebs sont irréversibles. Ces réactions sont catalysées par des enzymes à régulation allostérique.

Pour ces 2 raisons (énergétique et catalytique), ces trois réactions constituent des points de contrôle du flux global du cycle de Krebs.

Ces enzymes sont :

a. La citrate synthase qui catalyse la première réaction du cycle de Krebs.

b. L'isocitrate déshydrogénase. Exemple dans le cas de Escherichia coli (figure ci-contre) : l'enzyme est régulée par [phosphorylation - déphosphorylation] catalysée par une kinase /phosphatase bifonctionnelle.

Regulation de l'isocitrate deshydrogenase

c. Le complexe de l'α-cétoglutarate déshydrogénase qui catalyse une réaction (figure ci-contre) analogue à celle du complexe de la pyruvate déshydrogénase.

Regulation de l'alpha cetoglutarate deshydrogenase

Source : "The Krebs Cycle" - Garrett & Grisham


L'α-cétoglutarate déshydrogénase est un complexe multi-enzymatique composé de 3 enzymes (comme la pyruvate déshydrogénase)
sous-unité nom EC coenzyme
E1 oxoglutarate déshydrogénase EC 1.2.4.2 pyrophosphate de thiamine
E2 dihydrolipoyl succinyltransférase EC 2.3.1.61 acide lipoïque
E3 dihydrolipoyl déshydrogénase EC 1.8.1.4 FAD

 

6. Liens Internet et références bibliographiques

Belles animations didactiques :

  • "Cycle de Krebs" - M. Lalanne - Université Laval (Québec). Sans doute la plus détaillée et la plus pédagogique.
  • "Cycle de Krebs" - Equipe multimédia - Université Jussieu - Paris
  • "Cycle de Krebs" - "Cell Biology Animation" - J. Kyrk
"Biocarta" : site interactif sur la signalisation cellulaire Aller au site

Plantes : "Metacyc pathways" - TCA cycle

Plantes : "Metacyc pathways" - glyoxylate cycle

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KEGG PATHWAY Database

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"ATP AND OXIDATIVE PHOSPHORYLATION REACTIONS" : cours très complet (glycolyse, cycle de Krebs, chaîne respiratoire, ...) Aller au site
Fernie et al. (2004) "Respiratory metabolism: glycolysis, the TCA cycle and mitochondrial electron transport" Curr. Opin. Plant Biol. 7, 254 -261 Article

 

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