Cycle de l'acide citrique et chaîne respiratoire PDF

Cycle de l'acide citrique et chaine respiratoire Cycle de l'acide citrique ========================= *[Rappel] : à la fin de la glycolyse, on **obtient du pyruvate**.* *Nous allons étudier le devenir du pyruvate dans des conditions aérobies, quand la mitochondrie est active.* **Le pyruvate rentr...

Cycle de l'acide citrique et chaine respiratoire Cycle de l'acide citrique ========================= *[Rappel] : à la fin de la glycolyse, on **obtient du pyruvate**.* *Nous allons étudier le devenir du pyruvate dans des conditions aérobies, quand la mitochondrie est active.* **Le pyruvate rentre dans le cycle de l'acide citrique.** NB : également appelé cycle de Krebs ou TCA cycle (tricarboxylic acid cycle) Le **génome mitochondrial est transmis que par la mère**. Formation de pyruvate : selon fonctionnalité des mitochondries (en aérobie) - Le produit est aussi un substrat en début de chaîne - Si perte remplir le cycle - Mitochondrie - **Les équivalents réducteurs alimentent la réaction** - Doit **ré alimenter le carbone de plr façons -\> pyruvate ou acide gras** - Transformer le carbone organique en minéral - Rentrer du même endroit mais plusieurs choix de sortie Voie du **catabolisme oxydatif aérobie** ---------------------------------------- - **Oxydation** du groupement acétyle (2 carbones) sous sa forme active **acétyl-CoA (atomes)** - C'est une voie mitochondriale. - Carrefour de l'anabolisme et du catabolisme : des intermédiaires du cycle sont le point d'arrivée de certains catabolismes et le point de départ de certains anabolismes - **Plusieurs étapes limitantes et des besoins différents** - Dans **toutes les cellules** (sauf les globules rouges) - Fournit 90% de l'énergie cellulaire - Pour autant qu'il y ait des mitochondries et de l'oxygène nécessaire pour l'acceptation finale des e- Définitions ----------- **Catabolisme** : Produit du CO~2~ (minéral), à partir d'un intermédiaire utilisable, l'acétyl-CoA. Il y a donc une restitution à l'environnement de carbone inorganique. **Chaque tour acétyl** à fournir **Oxydatif** : On extrait massivement des équivalents réducteurs, avec NAD+ et FAD qui sont les accepteurs de ces équivalents, avant de les transférer à la chaîne respiratoire. **Aérobie** : Dépend de la fourniture d'oxygène sur la chaîne respiratoire. L'oxygène est l'accepteur ultime des équivalents réducteurs et il est nécessaire pour réoxyder les transporteurs (ex : NADH en NAD+) -\> **ne consomme pas d'oxygène** Vue d'ensemble -------------- Le cycle comporte **8 réactions**, la dernière régénérant le substrat de la première, l'oxaloacétate (C4). Les 2 atomes de carbone du groupement acétyle (CoA) qui entre dans le cycle sont éliminés sous forme de 2 molécules de CO2 à chaque tour. **4 des 8 réactions sont des réactions d'oxydoréduction** (Extraction d'équivalents réducteurs) dont l'énergie est conservée dans des coenzymes réduites (NADH, H+ et FADH2), ultérieurement réoxydées par la chaîne respiratoire avec production d'ATP. **Une seule réaction produit directement un GTP** qui sera rapidement convertit en ATP. **3 réactions avec NADH, H+ (celle qui dégage co2 et la dernière)** **1 réaction avec FADH~2~** **Can I keep selling substances for money officer ?** La triple origine de l'acétyl-CoA =================================  Origine glucidique (polysaccharides) ------------------------------------ Dans le cytosol, la glycolyse catabolise les hexoses (glucose C6, \...) en pyruvate (C3), transformé dans la mitochondrie en acétyl-CoA par la PDH (pyruvate déshydrogénase) après y être entré via son transporteur. Origine lipidique (graisses) ---------------------------- Dans le cytosol, les triglycérides produisent des acides gras. Dans la mitochondrie la beta-oxydation (catabolisme des acides gras) produit de l'acétyl-CoA. En [période de jeûne], les corps cétoniques produisent aussi de l'acétyl-CoA. Origine protéique (protéines) ----------------------------- Le catabolisme des protéines produit des acides aminés. Les acides aminés forment soit du pyruvate soit de l'acétyl-CoA soit ils entrent directement dans le cycle de l'acide citrique. Régulation de la vitesse du cycle ====================================================== La **pyruvate-déshydrogénase (PDH)** catalyse la réaction oxred en amont du cycle, elle transforme pyruvate en acétyl-CoA. -\> régule cette transformation Elle commande donc le flux d'entrée de l'acétyl-CoA (disponibilité en substrat pour le **cycle** de Krebs) Son activité dépend de la **[disponibilité] de NAD+ (cosubstrat), de CoA (cosubstrat)** (les coenzymes de la réaction qui sont vide) **Et de pyruvate (substrat)** Son activité est contrôlée par **modification covalente** (dé-/phosphorylation). La pyruvate-DH est un complexe enzymatique **composé de 3 sous unités (E1,2,3)** 2 enzymes : une pour NAD et une pour le carbone ***NB : Cette réaction n'est pas une réaction limitante du cycle l'acide citrique à proprement dire, car elle n'en fait pas partie.*** Régulation de la PDH (pyruvate déshydrogènasetransformation pyruvate en acétyl-CoA) ----------------------------------------------------------------------------------- **PDH phosphorylée : inactive** La réaction de phosphorylation est catalysée par la **PDH kinase** (PDK), soumise elle-même à un contrôle allostérique. Activée (PDH kinase est activée) par ATP, acétyl-CoA, NADH Inhibée par pyruvate qui est le témoin de la glycolyse (quand on inhibe la PDH kinase avec le pyruvate on active le cycle de Krebs) **PDH déphosphorylée : active** La réaction de déphosphorylation est catalysée par la **PDH phosphatase** (PDP), soumise elle-même à un contrôle allostérique Activée par Ca2+ (muscles), insuline (tissu adipeux et stockage) -\> ces tissus transforment en graisse  Acide citrique : ---------------- **8 réactions** 2 carbones éliminés à chaque tour sous forme de 2 CO~2~ 4 réactions d'oxydation (transfert d'équivalents réducteurs sur NAD+ et FAD)\ 1 réaction produit du GTP (converti en ATP) 3 réactions limitantes et irréversibles --------------------------------------- La vitesse du cycle est régulée par **3 réactions** qui sont **irréversibles** et donc **limitantes** : - **Citrate synthase (réaction 1) :** condensation de l'**acétyl-CoA** avec l'**oxaloacétate** en **citrate** **(libère 1 CoA)** - **Isocitrate - DH (réaction 3)** : Décarboxylation (CO2), oxydative (NADH, H+) de l'**isocitrate** en α-cétoglutarate (**libère un CO2 et un électron sur le NADH, H+).** - **α-Cétoglutarate-DH (réaction 4)** : décarboxylation (CO2) oxydative (NADH, H+) de **α-cétoglutarate** en succinyl-CoA **(libère un CO2 et un NADH, H+).** Effectivement, la perte d'un carbone (décarboxylation) sous forme de CO2 est une réaction **très exergonique.** C'est une oxydation qui se fait grâce au NAD+, d'où l'appellation de décarboxylation oxydative. Les deux réactions de décarboxylation, où l'on perd un CO2, sont non seulement très spontanées, mais en plus, servent à **extraire des équivalents réducteurs** des carbones. L'activité de ces 3 enzymes est : - Régulée selon la disponibilité en substrat (et co-substrat ) - Inhibée par les produits des réactions qu'elles catalysent - Soumise à un contrôle allostérique grâce aux inhibiteurs allostériques : **ATP et NADH**, donc sensible l'état énergétique de la cellule. Précurseurs pour l'anabolisme (resynthétiser glucides, lipides et protéines) ============================================================================ Le but du cycle est d'extraire un maximum d'énergie. En revanche, si l'on est dans une situation où le **niveau énergétique est élevé**, il faut **freiner** l'activité des deux enzymes de décarboxylation, ce qui est d'autant plus vrai si l'on a une fourniture massive de pyruvate. Cela correspond au moment où se **fait l'anabolisme** : on synthétise des graisses, des glucides, ou des protéines. Lorsque les besoins énergétiques sont couverts, le cycle peut dévier ses **intermédiaires pour faire de l'anabolisme.** Glucides ------------------------------ Pour resynthétiser des glucides, la **néoglucogenèse** peut se faire à partir du cycle : Malate mitochondrial Malate cytosolique Oxaloacétate Phosphoénolpyruvate (PEP)(le précuseur du pyruvate) Ce mécanisme permet de contourner la dernière réaction irréversible de la glycolyse qui rend le retour en arrière *pyruvate phosphoénolpyruvate* impossible. Lipides ------- Le citrate quitte la mitochondrie et forme des acides gras dans le cytosol. (synthèse d'AG cf. cours métabolisme lipidique) Protéines --------- Différents intermédiaires du cycle de l'acide citrique sont des précurseurs d'acides aminés auxquels on ajoute un groupement amine. 4. Autres : porphyrines et hèmes **L'anaplérose (fourniture de précurseurs par le cycle de l'acide citrique)** ============================================================================= [Déf]* *: Quand le cycle de l'acide citrique fournit des précurseurs pour différents anabolismes, il est appauvri en intermédiaires et doit alors être **réapprovisionné**. C'est le mécanisme de l'**anaplérose**. **À l'état basal (repos)**, l'oxaloacétate est régénéré en fin de cycle ce qui suffit à entretenir le fonctionnement de cette voie métabolique. **À l'état non-basal**, en cas de forte demande énergétique ou de prélèvements des intermédiaires du cycle pour l'anabolisme, la quantité d'oxaloacétate doit être augmentée grâce à l'anaplérose. Un appauvrissement en OAA (acide oxalocétique) mènerait à l'arrêt du cycle. L'anaplérose est assurée essentiellement par la **pyruvate carboxylase (PC)** qui catalyse la réaction de carboxylation du pyruvate (3C) en oxaloacétate (4C). La formation d'OAA se fait à partir de pyruvate + CO2 et **consomme 1 ATP** (cout énergétique). - La carboxylation est un évènement rare Résumé du cycle =============== - Tronc commun final de l'oxydation des nutriments - Fournit des précurseurs pour la biosynthèse (anabolisme) - La décarboxylation (on perd un carbone sur le pyruvate) du pyruvate (PDH) lie la glycolyse au cycle de l'acide citrique (voie mitochondriale) - Transfert des **électrons au NAD+ (3x)** et **FAD (1x)**, qui produisent finalement 11 ATP par acétyl-CoA - **Produit 1 ATP via 1 GTP** (donc 12 ATP en tout avec les coenzymes d'oxred) - **Aérobie nécessite FAD et NAD+** (qui doivent être réoxydés pour être recyclés) **Le cycle est accéléré en réponse aux besoins énergétiques de la cellule.** En particulier lors de l'augmentation des rapports : - NAD+/NADH - ADP/ATP - CoA/acétyl-CoA Quand on a bcp de NAD+, ADP, CoA Bilan cycle de l'acide citrique: *1 acétyl-CoA + 3NAD+ + 1FAD + 1GDP + 1Pi + H2O 2CO2 + 3NADH, H+ + 1FADH2 + 1GTP + CoA* Chaîne respiratoire =================== La membrane interne des mitochondries a des invaginations, ce qui augmente fortement la surface d'échange. **Le cycle d'acide citrique baigne dans la matrice** tandis que la **chaîne respiratoire se trouve sur la membrane interne** de la mitochondrie. **Objectif** : transformer les électrons en ATP en perdant le moins de chaleur possible sous forme de chaleur Les **réactions d'oxydation du catabolisme** (glycolyse, B-oxydation des acides gras, catabolisme des acides aminés, cycle de l'acide citrique) **enlèvent aux substrats des atomes d'hydrogènes** (protons et électrons) qui sont pris en charge par **les coenzymes NAD+ et FAD.** La **réoxydation de ces coenzymes est indispensable** (NADH NAD+ et FADH2 FAD) à l'entretien du catabolisme oxydatif. Le processus qui couple la **réoxydation des NADH, H+ et FADH2** à la **synthèse de l'ATP** par phosphorylation de l'ADP est appelé **oxydations phosphorylantes**. C'est le principe qui régit la chaîne respiratoire. L'énergie d'un électron (provenant d'une oxydation) servira au transport d'un proton hors de la matrice mitochondriale, qui, en revenant à l'intérieur participera à la phosphorylation de l'**ADP en ATP**. **Il consomme de l'oxygène en produisant de l'eau (respiration)**. La chaîne respiratoire est la dernière étape pour la création d'énergie en aérobiose. Les électrons circulent d'un complexe à l'autre sur **la membrane interne** des mitochondries, jusqu'au dernier complexe où il y a création d'ATP. **La chaîne respiratoire est donc la chaîne de transport des électrons**. Les équivalents réducteurs sont transférés de couple redox en couple redox dans le sens du gradient de potentiel redox (du plus négatif (= réducteur) au plus positif (= oxydant)). Le but est d'arriver sur l'oxygène moléculaire, qui est le plus oxydant.  Membrane externe : poreuse Membrane int : chaîne de transfert des électrons régulés Faits ----- Chaque fois de plus en plus oxydant-\> à chaque réaction d'oxydoréduction Oxydations phosphorylantes : - **Membrane interne des mitochondries** - **Réoxydation de NADH-\>NAD+ et FADH~2~-\> FAD** - Processus couplé (chaîne) à la synthèse d'ATP à partir d'ADP + P~i~ - Consomme de l'O~2~ en produisant du H~2~O (respiration) -\> produit de l'eau et pas du carbone minéral comme avant  Le NADH+ fournit des électrons au complexe 1 qui se baladent dedans et sont pris en charge par la coenzyme q qui va transférer jusqu'au complexe 3. Composition ----------- La chaîne respiratoire comprend : - **4 complexes fixes** (I, II, III, IV) : formés de protéines enchâssées dans la membrane interne (le complexe II est sur la face matricielle) - **2 transporteurs mobiles d'électrons :** la coenzyme Q (entre I ou II III) & le cytochrome C (III IV) *NB : les électrons n'ont pas besoin de passer du complexe I au II ils passent directement au complexe III ; les électrons du complexe II passent aux III* **Le complexe V est responsable de la production d'ATP.** Théorie chimio-osmotique (formation d'ATP) ------------------------------------------ - Théorie qui explique le couplage de l'oxydation des NADH, H+ et FADH2 à la phosphorylation de l'ADP en ATP (phosphorylation oxydative) -\> couplage au complexe 5 - Couplage par un **gradient de protons** à travers la membrane interne mitochondriale - Phosphorylation de l'ADP en ATP P -\> Mitchell La circulation des électrons le long de la chaîne respiratoire dissipe de l'énergie et crée un gradient de protons à travers la membrane interne. C'est une énergie potentielle. **Le complexe V va phosphoryler de l'ADP en ATP** grâce à cette énergie potentielle, c'est-à-dire qu'il dissipe le gradient de protons (ATP synthase). **Les complexes I, III, IV sont des pompes à protons**, alors que le complexe II fait le lien entre cycle de l'acide citrique et la chaîne respiratoire. Il y a une **ATP-ADP translocase** : transfert d'ATP de la mitochondrie vers le cytosol en échange d'ADP (cela évite que le système s'arrête). Il faut donc bien comprendre que le **complexe V** n'**utilise** pas directement la circulation des électrons mais le **gradient de protons**. Fort gradient -\> une envie -\> sortir Transfert d'énergie par différence de potentiel redox entre couples redox ------------------------------------------------------------------------- Exemple prendre les valeurs de la pipette. La valeur de Cyt c -- la valeur de CoQ  Chaîne respiratoire : éléments couplés **1/3/4 -\> pompes à protons** Complexe 2 : lien entre le cycle de l'acide citrique et chaîne respiratoire (succinate-DH) Complexe 5 : synthèse d'ATP à partir d'ADP + P~i~ en dissipant le gradient de portons (ATP synthase) ATP-ADP translocation : transfert d'ATP de la mitochondrie vers le cytosol en échange d'ADP Rendement énergétique --------------------- La réoxydation du NADH en NAD+ libère 220 kJ/mol Or 1 NADH produit 3 ATP = 3 x 30,5 kJ/mol = 91,5 kJ/mol (1 FADH2 produit 2 ATP) Le rendement est de **42%**, l'énergie restante est dissipée sous forme de chaleur (58%). Cette perte d'énergie peut s'avérer utile, notamment pour maintenir notre température corporelle. Le tissu adipeux brun est un tissu particulier qui est plein de mitochondries, et donc pleins de cytochromes, ce qui donne sa couleur brune. - **Pour le métabolisme** Il possède des protéines découplantes qui abaissent le rendement énergétique et augmentent le dégagement de chaleur (ces tissus sont très présents chez le nourrisson).  Chaine respiratoire : rendement efficace : ========================================== Avec l'import d'ADP et l'export d'ATP -\> le rendement peut etre modifier Il faut 3 H+ pour synthétiser 1 ATP mais 1 H+ est perdu pour importer 1 Pi- Le rendement est alors réduit de 0.5 soit 2.5 de NADH et 1.5 pour FADH2 - On fait abstraction de cette perte - **On aurait 30 ou 32 ATP selon la navette** Bilan global du catabolisme oxydatif aérobie ============================================ Finalement on a bien eu une combustion complète : Il y a en effet production de CO2 dans le cycle de l'acide citrique et H2O dans la chaîne respiratoire. Étant donné qu'une molécule de glucose produit deux pyruvates, le bilan est doublé. - **Phase glycolyse (anaérobie) :** - 2 ATP formés par phosphorylation de substrat - **Phase de formation de l'acétyl-CoA** : - Intermédiaire utilisable - **Phase du cycle de l'acide citrique** : - **Phase de la chaîne respiratoire** : - 32 ATP : **Dérivés de 8 NADH et 4 FADH2** (2 FADH2 dérivés de la navette glycérophosphate) - 34 ATP : Dérivés de 10 NADH et 2 FADH2 (2 NADH dérivés de la navette malate/aspartate)