cycle de krebs - biochimie métabolique - hader haidous

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1 Cycle de Krebs ou de l’acide citrique Le cycle de Krebs est la voie terminale d’oxydation du glucose et d’autres molécules énergétiques (acides aminés, acides gras) Cycle de l’acide citrique Acides gras Acétyl-CoA Acides aminés Pyruvate Glycolyse glucose Glycogène GLUCOSE L’Acétyl-CoA est l’intermédiaire commun de dégradation de glucides, acides aminés et acides gras et la molécule qui entre dans le cycle 2 Acétyl-CoA

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Page 1: Cycle de Krebs - Biochimie métabolique - Hader Haidous

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Cycle de Krebs ou de l’acide citrique

Le cycle de Krebs est la voie terminale d’oxydation du glucose et d’autres

molécules énergétiques (acides aminés, acides gras)

Cycle de l’acide citrique

Acides gras

Acétyl-CoA

Acides aminés

Pyruvate

Glycolyse

glucose

Glycogène

GLUCOSE

L’Acétyl-CoA est l’intermédiaire commun de dégradation de glucides, acides aminés et acides gras et la molécule qui entre dans le cycle

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Acétyl-CoA

Page 2: Cycle de Krebs - Biochimie métabolique - Hader Haidous

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Localisation du Cycle de Krebs

La décarboxylation du pyruvate pour former l’Acétyl-CoA et toutes les réactions de la voie ont lieu dans la matrice mitochondriale.Chez les procaryotes, ce cycle se déroule dans le cytoplasme (ils n’ont pas de mitochondries)

mitochondrie

Différemment de la glycolyse, le cycle de Krebs n'existe que chez lesorganismes aérobies

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Vue d’ensemble du Cycle de Krebs

Le cycle comporte 8 réactions enzymatiques nécessaires pour la complète oxydation de l’acétyl-CoA (C2) et la récupération de l’énergie sous forme de NADH, FADH2 et GTP

•NADH, FADH2 sont molécules réduites riches en énergie utilisées en suite pour la production d’ATP

• 1 GTP = 1 ATP

Un autre substrat, l'oxaloacétate (C4) est utilisé par la première réaction et entièrement régénéré par la dernière.

Page 3: Cycle de Krebs - Biochimie métabolique - Hader Haidous

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Pyruvate

Acétyl-CoA

Pyruvate déshydrogénase

Cycle de l’acide citrique

1-Citrate synthase

2-Aconitase

3-Isocitratedéshydrogénase

4- -Cétoglutaratedéshydrogénase

5-Succinyl-coAsynthétase

6-Succinatedéshydrogénase

8-Malatedéshydrogénase

7-Fumarase

Citrate

Isocitrate

Succinyl-coA

Succinate

Fumarate

Malate

Oxaloacétate

-Cétoglutarate

CO2

CO2

NAD+

NADH

NADH

NADH

NADH

GTP

FADH2

Les réactions du Cycle de Krebs

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Entrée du pyruvate dans le mitochondrie

En présence d’oxygène la chaîne respiratoire mitochondriale fonctionne et établit un gradient de protons à travers la membrane interne.

Une protéine membranaire transporteuse d'anions organiques transporte le pyruvate à travers la membrane interne en même temps qu'un ion Potassium chargé positivement en utilisant l’énergie de retour de cette charge positive (ion Potassium) vers la matrice (chargée négativement).

H+

H+

H+ H+

- - - - - -

Page 4: Cycle de Krebs - Biochimie métabolique - Hader Haidous

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Synthèse de l’acétyl-CoA

Pyruvate + CoA + NAD+ acétyl-CoA + CO2 + NADH

Pyruvate déshydrogénase

Après l’entrée du pyruvate dans la matrice de la mitochondrie, sa décarboxylation oxydative est réalisé par la pyruvate déshydrogénase avec formation d’une molécule énergétiquement activée (acétyl-CoA) et NADH

Cette réaction avec G << 0 est irréversible.

Chez les animaux il n’y a pas des réactions qui permettent la synthèse du pyruvate (ou précurseurs) a partir de l’acetyl-CoA, donc les animaux ne peut pas utiliser l’acetyl-CoA pour la gluconéogenèse.

Liaison thioester à haute énergie

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Des cofacteurs de la pyruvate déshydrogénase sont:-la Thiamine (nécessaire pour la décarboxylation). -FAD et NAD+ (oxydoréduction)-Coenzyme A (transporteur d’acyle)-Acide lipoïque

Pyruvate déshydrogénase

Complexe multienzymatique Chez E. coli, la Pyruvate déshydrogénase est composée par plusieurs sous unités de 3 types.MW ~ 5 millions DaltonDiamètre 30 nm

Avantage des complexes multienzymatiques:-Une série des réactions en séquence est accélérée-Minimisation des réactions collatérales-Régulation coordonnée

Page 5: Cycle de Krebs - Biochimie métabolique - Hader Haidous

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Étape 1: la synthèse du citrate par la Citrate synthase

La citrate synthase est le premier des 8 enzymes du cycle de Krebs et catalyse l'addition de l'acétyl-CoA sur le groupe carbonyle de l’oxaloacétate (un cétone).

Le produit final est le citrate, un composé de 6 Carbones.

La réaction est très exergonique et ça lui permet de se produire facilement même lorsque la concentration d'oxaloacétate est basse dans la mitochondrie. Mais en conséquence, la réaction est irréversible.

G° = -31.5 kJ/mol

Page 6: Cycle de Krebs - Biochimie métabolique - Hader Haidous

11Citrate

Citryl-CoA

Oxaloacétate

Acetyl-CoA

Citrate synthase

1) Condensation de l’oxaloacétate et de l’acetyl-CoA pour former le citryl-CoA

2) Hydrolyse en citrate et CoA

L’enzyme (deux sous-unités) subit des profonds changements au cours de la catalyse qui évitent des réactions secondaires indésirables (ex. hydrolyse de l’acétyl-CoA)

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Étape 2: Aconitase, isomérisation du citrate

Le citrate est isomérisé en isocitrate par l’enzyme aconitase pour permettre la suivante décarboxylation.

Deux étapes:

1) Déshydratation pour former cis-Aconitate

2) Hydratation pour former isocitrate

Page 7: Cycle de Krebs - Biochimie métabolique - Hader Haidous

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La réorganisation du citrate en isocitrate est suivie de deux phases consécutives de décarboxylation oxydative avec production de NADH

Étape 3: Isocitrate déshydrogénase

-CétoglutarateIsocitrate Oxalosuccinate

Réactionsirréversibles

Isocitrate + NAD+ -Cétoglutarate + CO2 + NADH

Étape 3

Étape 4

Le manganèse (Mn++) est cofacteur de la réaction.

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Étape 4: -Cétoglutarate déshydrogénase

-Cétoglutarate Succinyl-CoA

La deuxième décarboxylation oxydative porte à la formation d’une autre molécule de NADH riche en énergie

-Cétoglutarate + NAD+ + CoA Succinyl-CoA + CO2 + NADH

Réactionsirréversibles

Étape 3

Étape 4

L’ -Cétoglutarate déshydrogénase est un complexe enzymatique très similaire à la Pyruvate déshydrogénase

Page 8: Cycle de Krebs - Biochimie métabolique - Hader Haidous

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Pyruvate

-Cétoglutarate Succinyl-CoA

acétyl-CoA

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Étape 5: Succinyl-CoA synthétase, phosphorylation au niveau du substrat

La Succinyl-CoA synthétase (le nom de l’enzyme vient de la réactions inverse) utilise la liaison riche en énergie du succinyl-CoenzymeA pour synthétiser du GTP à partir de GDP et phosphate inorganique.

Cette étape (réversible) est la seule du cycle à fournire directement une liaison riche en énergie

Le GTP peut facilement transférer son -phosphoryle à l’ADP grâce à l’enzyme nucléoside diphosphokinase:

GTP + ADP GDP + ATP

Page 9: Cycle de Krebs - Biochimie métabolique - Hader Haidous

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Étape 6: Succinate déshydrogénase

Un des rares enzymes ou le cofacteur FAD est lié de façon covalente à l’enzyme

Le FADH2 a un rôle similaire à celui-ci du NADH (molécule riche en énergie utilisée pour la production suivant d’un gradient de pH et donc d’ATP), mais il a un coefficient redox moins négatif que le NADH et cède ses électrons au complexe mitochondrial II (à lequel il est lié) plutôt que au complexe I

Le Succinate est oxydé en fumarate par la succinate déshydrogénase, une protéine de la membrane interne liant le cofacteur FAD (flavine adénine dinucléotide). Le FAD est utilisé dans cette réaction redox, car l’énergie d’oxydation du succinate en fumarate (alcane alcène) n’est pas suffisamment exergonique pour la réduction du NAD+ en NADH.

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Étape 7: Fumarase (fumarate idratase)

Fumarate Malate

Intermédiaire carbanion

La fumarase catalyse l'addition d'une molécule d'eau sur le fumarate et produit spécifiquement le L-malate. La réaction est faiblement exergonique et réversible.

Page 10: Cycle de Krebs - Biochimie métabolique - Hader Haidous

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Étape 8: Malate déshydrogénase

malate oxaloacétate

La malate déshydrogénase est le dernière enzyme du cycle. Il catalyse l'oxydation du malate en oxaloacétate, couplée à la réduction du NAD+ en NADH et libère un proton.La réaction a un G°’ de + 29.4 kJ/mol, donc l'équilibre de la réaction est déplacé en faveur du malate et la concentration de l’oxaloacétate est très basse. Cependant, la réaction du cycle, que suit (Citrate synthase) est très fortement exergonique ( G°’ de -31.5 kJ mole-1 ) à cause de la rupture de la liaison thioester du citryl-CoA et ça permet de faire marcher tout le cycle.

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Page 11: Cycle de Krebs - Biochimie métabolique - Hader Haidous

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Combien ça ramène d’oxyder le glucose en CO2?

Bilan du Cycle de Krebs

Acétyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O 2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2 H+ + CoA

Glucose

2 Pyruvate

2 Acétyl-CoA

2 NADH

2 NADH

6 NADH

2 FADH2

2 GTP

3 ATP

2 ATP

5 ATP

15 ATP

3 ATP

2 ATP

La complet oxydation du glucose donne environ 30 ATP.

La transformation de l’énergie du NADH et FADH2en ATP est réalisée par le processus appelé« phosphorylation oxydative ».

Le NADH de la glycolyse donne moins ATP que ceux-ci du cycle de Krebs parce que son transport dans le mitochondrie demande de l’énergie.

On peut trouver différents valeurs pour ce bilan (entre 30 et 38 ATP).

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Le Cycle de Krebs fournit aussi des intermédiaires pour les biosynthèses

Lorsque un intermédiaire du cycle est utilisé pour le biosynthèses, il faut produire du nouveau oxaloacétate pour faire continuer le cycle. Le mammifères ne sont pas capable de convertir l’acétyl-CoA en oxaloacétate ou autres intermédiaires du cycle et cette synthèse est possible grâce à la pyruvate carboxylase (voir gluconéogenèse) qui carboxyle le pyruvate pour obtenir oxaloacétate (exemple d’une réaction anaplérotique).

(Hem, Chlorophylle…)

Glucose

Acides Gras

Page 12: Cycle de Krebs - Biochimie métabolique - Hader Haidous

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Régulation du cycle de Krebs: régulation des étapes irréversibles

ATP est un inhibiteur allostérique de la citrate synthase; inhibition à feedback compétitive par le succinyl-CoA

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2

3

4

Inhibition par le produit (compétitive) par le acetyl-CoA, NADH; ATP est un inhibiteur allostérique. Inactivation de l’enzyme par phosphorylation (voir après)

ATP est un inhibiteur allostérique, tandis que l’ADP est un activateur; NADH inhibiteur compétitive (produit)

, NADH

, succinyl-CoA

Inhibition compétitive par le produit succinyl-CoA et le NADH

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Régulation de la pyruvate déshydrogénase

(inactif)

(actif)

Pyruvate déshydrogénase

phosphatase

Pyruvate déshydrogénase

kinase

2)

1) NADH et acétyl-CoA compétent avec NAD+ et CoA pour le site de liaison sur les composants enzymatiques de la PDH

Activé par NADH, acétyl-CoA, ATP (et indirectement par le glucagon)

Activé parinsuline

E1 est la sous unité catalytique de la pyruvate déshydrogénase

Page 13: Cycle de Krebs - Biochimie métabolique - Hader Haidous

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Le Cycle du Glyoxylate permet l’utilisation de l’acétyl-CoA pour le développement

Chez les végétaux et un grand nombre de bactéries

Différemment du cycle de Krebs, il n’y a pas de décarboxylation de l’isocitrate, mais son clivage in glyoxylate et succinate (par l’isocitrate lyase).Après la malate synthase permette la synthèse d’un composé a 4 atomes de carbone à partir du glyoxylate et l’acétyl-CoA (C2).

Quelques réactions du cycle chez le végétaux se produisent dans les glyoxysomes.

Bilan:

2 Acétyl-CoA + NAD+ + 2 H2O

Succinate + 2 CoA + NADH + 2 H+

Chez les végétaux et les bactéries, la gluconéogenèse est possible a partir de l’acétyl-CoA

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Acidesgras

Acetyl-CoA

Production des sucres à partir de l’acétyl-CoA (C2).

Dans le cycle du Glyoxylate les réactions de décarboxylation oxydative sont sautées, donc on a pas la perte des atomes de carbone comme CO2.

Chez les plantes ce cycle peut être utile, par exemple, pendant la germination des grains, qui ne sont pas capable de synthétiser le sucres à travers la photosynthèse car elle ne marche encore.