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 Krebs (appelé aussi cycle des acides tricarboxyliques ou cycle du citrate) est l'un des mieux décrits. Il inclue des réactions et des métabolites élucidés par Albert Szent-Györgyi (Prix Nobel 1937), en particulier la catalyse de l'acide fumarique.

Toutes les enzymes qui constituent ce cycle ont été cristallisées et ont fait l'objet de "Molecule of the month" en octobre 2012 ("Protein Data Bank").

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 constituent les squelettes carbonés des intermédiaires de ce cycle
• 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.

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.

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 à haut potentiel énergétique : 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 Adolf Krebs et ses collaborateurs l'élucidation des réactions de ce cycle (Prix Nobel 1953). 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).

2. Différentes représentations des réactions du cycle de Krebs

PLANTES

Source : Cycle de Krebs - Université Jussieu - Paris

ANIMAUX

Source : R. Huskey - Université de Virginie

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.

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

• 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.

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.

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 :

• il est inhibé par l'acétyl-CoA et le NADH et activé par le CoA-SH et le NAD⁺
• son activité est aussi régulée par phosphorylation - déphosphorylation :
  1. phosphorylation : "Pyruvate dehydrogenase [lipoamide] kinase isozyme 1" - PDK1 et "Pyruvate dehydrogenase [lipoamide] kinase isozyme 4" - PDK4 (EC 2.7.11.2).
  2. déphosphorylation : "Pyruvate dehydrogenase phosphatases" (PDP).

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

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-dessous) : l'enzyme est régulée par [phosphorylation - déphosphorylation] catalysée par une kinase /phosphatase bifonctionnelle.

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

Source : "The Krebs Cycle" - Garrett & Grisham