Cycle de Krebs: Vue d'ensemble

Cycle de Krebs

• Aussi connu sous le nom de cycle de l'acide citrique ou des acides tricarboxyliques (TCA), c'est une voie métabolique centrale pour les cellules aérobies.
• Le cycle comprend huit réactions chimiques.
• Une molécule d'acétyl-CoA est oxydée en deux molécules de dioxyde de carbone (CO2).
• Des coenzymes réduits (NADH et FADH2) et une molécule de GTP (ou ATP) sont produits.
• Les coenzymes réduits sont essentiels pour produire de l'ATP via la phosphorylation oxydative dans la chaîne respiratoire.

Localisation

• Chez les eucaryotes, le cycle se déroule dans la matrice mitochondriale, sauf pour la succinate déshydrogénase, qui est associée à la membrane interne mitochondriale.
• Chez les procaryotes (sans mitochondries), le cycle se déroule dans le cytosol.

Les huit réactions du cycle de Krebs

• Le cycle implique huit étapes distinctes:

1. Formation du citrate

• L'acétyl-CoA (2 carbones) se condense avec l'oxaloacétate (4 carbones) pour former le citrate (6 carbones).
• La réaction, qui libère H2O et CoASH, est catalysée par la citrate synthase.
• C'est une condensation qui se déroule sans NTP.

2. Isomérisation du citrate en isocitrate

• Le citrate subit une déshydratation suivie d'une hydratation et est catalysé par l'aconitase pour former l'isocitrate (6 carbones).

3. Oxydation et décarboxylation de l'isocitrate en α-cétoglutarate

• ِL'isocitrate est oxydé par l'isocitrate déshydrogénase.
• NAD+ est réduit en NADH, H+, et du CO2 est libéré.
• L'oxalosuccinate est formé, puis décarboxylé spontanément pour donner l'α-cétoglutarate (5 carbones).
• La première molécule de CO2 est libérée.
• La première molécule de NADH + H+ (ou NADPH + H+) est produite.

4. Oxydation et décarboxylation de l'α-cétoglutarate en succinyl-CoA

• L'α-cétoglutarate est oxydé et décarboxylé par le complexe α-cétoglutarate déshydrogénase.
• Le complexe multi-enzymatique est similaire au pyruvate déshydrogénase.
• Le complexe nécessite le TPP (thiamine pyrophosphate), le lipoate, le FAD, le NAD+ et le coenzyme A comme cofacteurs.
• La deuxième molécule de CO2 est produite avec la deuxième molécule de NADH + H+.
• Le succinyl-CoA (4 carbones) est formé.

5. Conversion du succinyl-CoA en succinate

• Le succinyl-CoA est converti en succinate (4 carbones) par la succinyl-CoA synthétase, aussi appelée succinate thiokinase.
• L'énergie libérée par le clivage de la liaison thioester est utilisée pour phosphoryler le GDP en GTP (guanosine triphosphate) par phosphorylation au niveau du substrat.
• CoASH est libéré.
• Le GTP peut ensuite être converti en ATP par la nucléoside diphosphokinase.

6. Oxydation du succinate en fumarate

• Le succinate est oxydé en fumarate (4 carbones) par la succinate déshydrogénase.
• L'enzyme est liée à la membrane interne mitochondriale.
• Le coenzyme impliqué est le FAD, qui est réduit en FADH2.
• C'est la seule réaction du cycle associée à la membrane interne mitochondriale.

7. Hydratation du fumarate en malate

• Le fumarate est hydraté en L-malate (4 carbones) par la fumarase (ou fumarate hydratase).
• Cette enzyme est stéréospécifique pour le fumarate (trans) et le L-malate.

8. Oxydation du malate en oxaloacétate

• Le L-malate est oxydé en oxaloacétate (4 carbones) par la L-malate déshydrogénase.
• Une réaction qui nécessite le NAD+ comme coenzyme, qui est réduit en NADH + H+.
• Bien que la variation d'énergie libre standard (ΔG'°) de cette réaction soit positive, la faible concentration d'oxaloacétate, car il est rapidement utilisé par la citrate synthase, favorise le déroulement de la réaction.

Catalyseurs

• Les catalyseurs du cycle de Krebs peuvent être mémorisés par la phrase : "Chez Amateurs Insouciants Courant Sans Soucier Fort Mangeant".
• Chez : Citrate synthase
• Amateurs: Aconitase
• Insouciants: Isocitrate déshydrogénase
• Courant: Complexe a-cétoglutarate déshydrogénase
• Sans: Succinyl-CoA synthétase
• Soucier: Succinate déshydrogénase
• Fort: Fumarase
• Mangeant: Malate déshydrogénase

Produits

• Les produits du cycle de Krebs peuvent être mémorisés par la phrase : "Nant Nage Facilement Nativement".
• Nant: NADH (étape 3)
• Nage: NADH (étape 4)
• GTP à l'étape 5.
• Facilement: FADH2 (étape 6)
• Nativement: NADH (étape 8)

Bilan du cycle de Krebs pour une molécule d'acétyl-CoA

• 1 ACoA + 2 H2O + 3 NAD+ + 1 FAD+ 1 GDP + 1 Pi -> 1 CoA + 2 CO2 + 3 NADH + H+ + 1 FADH2 + 1 GTP (équivalent à 1 ATP)
• En considérant la régénération des coenzymes réduits par la chaîne respiratoire, on estime que chaque NADH + H+ produit environ 2,5 ATP (x2 x3 = 15 ATP)
• FADH2 produit environ 1,5 ATP (x2 = 3ATP)
• GTPx2 = 2 ATP
• Total = 20 ATP
• Théoriquement, l'oxydation d'une molécule d'acétyl-CoA pourrait générer 228 kcal, et que l'efficacité globale du cycle de Krebs est de 90%, conservant 207 kcal.
• Le bilan en termes d'ATP est plus couramment exprimé comme les 10 ATP équivalents.
• Une molécule d'acétyl-CoA via le cycle de Krebs + la phosphorylation oxydative donne environ 10 ATP.

Régulation du cycle de Krebs

• Le cycle est régulé en fonction des besoins énergétiques de la cellule, principalement par trois enzymes : citrate synthase, isocitrate déshydrogénase et α-cétoglutarate déshydrogénase.
• Régulation de la PDH: activée par AMP, CoA, NAD+, Ca+2, et inhibée par ATP, Acetyl CoA, NADH, Acides gras
• Régulation de la citrate synthase: activée par ADP et inhibée par ATP, NADH, acetyl CoA, citrate
• Régulation de l'isocitrate déshydrogénase: activée par ADP, Ca+2 et inhibée par NADH.
• Régulation de l'α-cétoglutarate déshydrogénase: activée par Ca+2 et inhibée par NADH.
• La disponibilité des substrats et la régulation de la pyruvate déshydrogénase influencent également l'activité du cycle.
• Le cycle est régulé par les rapports [ATP]/[ADP] et [NADH]/[NAD+].
• Un niveau élevé d'ATP et de NADH inhibe le cycle.
• Un niveau élevé d'ADP et de NAD+ le stimule.
• Le taux du cycle de Krebs est ajusté en fonction des besoins énergétiques de la cellule.
• La régulation s'effectue principalement au niveau de trois enzymes dont les réactions sont exergoniques et considérées comme des points de contrôle.

Précurseurs de l'acétyl-CoA

• Pyruvate : la conversion du pyruvate en acétyl-CoA est une voie métabolique importante.
• Acides gras : l'oxydation des acides gras par la β-oxydation produit de l'acétyl-CoA.
• Corps cétoniques : l'acétoacétate, un corps cétonique, peut être converti en acétyl-CoA dans les tissus extra-hépatiques.
• Acides aminés : plusieurs acides aminés peuvent être dégradés en acétyl-CoA.
• Éthanol : l'oxydation de l'éthanol converge également vers la formation d'acétyl-CoA.
• Citrate : dans le cytosol, le citrate peut être clivé par la citrate lyase pour générer de l'acétyl-CoA et de l'oxaloacétate

Fonctions du cycle de Krebs

• L'oxydation de l'acétyl-CoA génère des coenzymes réduits (NADH et FADH2) qui alimentent la chaîne respiratoire et la phosphorylation oxydative.
• Elles aboutit a la production de la majorité de l'ATP dans les cellules aérobies.

Rôle amphibolique

• Le cycle de Krebs est un carrefour métabolique, jouant un rôle à la fois dans le catabolisme (dégradation) et l'anabolisme (biosynthèse).
• Les intermédiaires du cycle servent de précurseurs pour la biosynthèse de nombreux composés importants, tels que :les acides aminés, les bases puriques et pyrimidiques, et l'hème.

Réactions anaplérotiques

• Des réactions anaplérotiques sont nécessaires pour reconstituer les intermédiaires du cycle de Krebs qui sont retirés pour des voies biosynthétiques.
• Un exemple est la carboxylation du pyruvate en oxaloacétate par l'enzyme pyruvate carboxylase, qui est la première étape de la néoglucogenèse, se déroule dans la mitochondrie et est couplée à l'hydrolyse d'1 ATP.

Relation avec d'autres voies métaboliques

• Glycolyse : Le pyruvate, produit final de la glycolyse, est converti en AcoA par le complexe pyruvate déshydrogénase (PDC), reliant ainsi la glycolyse au cycle de Krebs.
• Chaîne respiratoire et phosphorylation oxydative : Les coenzymes réduits NADH et FADH2 produits par le cycle de Krebs sont les donneurs d'électrons pour la chaîne respiratoire, où leur réoxydation permet la production d'ATP / la PO (phosphorylation oxydative.)
• Métabolisme des acides aminés : Plusieurs intermédiaires du cycle de Krebs peuvent être formés à partir du catabolisme des acides aminés, et inversement, certains intermédiaires peuvent servir de précurseurs pour la synthèse des acides aminés.
• Cycle de l'urée : Il existe une relation entre le cycle de l'urée et le cycle de Krebs via le shunt aspartate-argininosuccinate. Le fumarate produit dans le cycle de l'urée peut être converti en malate dans le cytosol puis transporté dans la mitochondrie pour rejoindre le cycle de Krebs.

Dysfonctionnement du cycle de Krebs

• Un manque d'oxygène : Si l'oxygène est insuffisant pour accepter les électrons transférés, le cycle de Krebs sera ralenti ou arrêté.
• Déficiences enzymatiques:
  • Une déficience en thiamine (vitamine B1) peut impacter les enzymes de la famille des déshydrogénases et peut entraîner une accumulation d'acides métaboliques comme le pyruvate.
  • Une déficience en pantothénate (vitamine B5) peut compromettre la production d'AcoA et de SCoA.
• Inhibiteur: La présence d'inhibiteurs peut bloquer des étapes spécifiques du cycle de Krebs. Le malonate est un inhibiteur compétitif de la succinate déshydrogénase.
• Dysfonctionnement de la sous-unité E3: Un dysfonctionnement de la sous-unité E3 appartenant à l'activité enzymatique de l'alpha-cétoglutarate déshydrogénase peut entraîner un développement d'une acidose lactique.
• Conséquences du dysfonctionnement : Une incapacité à synthétiser de l'ATP, une accumulation des précurseurs et composés du cycle, et une acidose lactique peuvent survenir.

Une déficience en thiamine (vitamine B1)

• Impacte les enzymes de la famille des déshydrogénases (complexe pyruvate déshydrogénase (PDC) et l'α-cétoglutarate déshydrogénase).
• Une déficience sévère et chronique peut entraîner le Béribéri, qui inclus des problèmes cardiaques, des problèmes musculaires squelettiques, et des problèmes au cerveau.

Intoxication à l'arsenic

• L'arsénite se lie aux groupements sulfhydryles présents dans le lipoate, un cofacteur essentiel pour l'activité enzymatique E2 de l'α-cétoglutarate déshydrogénase et de la pyruvate déshydrogénase (PDC).
• La liaison de l'arsénite au lipoate forme un complexe stable et bloque l'oxydation des substrats par ces enzymes, ce qui bloque le cycle de Krebs.

Sous unités des complexes enzymatiques

• Les sous-unités E1, E2 et E3 font partie de complexes enzymatiques incluant la α-keto acide décarboxylase déshydrogénase, la transacétylase (ou acyltransférase) et la dihydrolipoyldéshydrogénase
• E1 est la sous-unité spécifique du substrat.
• E2 contient du lipoate.
• E3 catalyse la réoxydation du lipoamide réduit.