Cycle de Krebs ou de l`acide citrique Acétyl-CoA

Cycle de Krebs ou de l’acide citrique
Glycogène
Le cycle de Krebs est la voie terminale
d’oxydation du glucose et d’autres
molécules énergétiques (acides aminés,
acides gras)
GLUCOSE
glucose
Glycolyse
Pyruvate
Acides aminés
Acides
gras
Acétyl-CoA
L’Acétyl-CoA est l’intermédiaire commun de
dégradation de glucides, acides aminés et acides
gras et la molécule qui entre dans le cycle
Cycle de
l’acide
citrique
1
Acétyl-CoA
2
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 les
organismes aérobies
3
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
Un autre substrat, l'oxaloacétate (C4) est
utilisé par la première réaction et
entièrement régénéré par la dernière.
•NADH, FADH2 sont molécules réduites riches en énergie utilisées en suite pour la
production d’ATP
• 1 GTP = 1 ATP
4
Pyruvate
Les réactions du
Cycle de Krebs
NAD+
Pyruvate déshydrogénase
NADH
Acétyl-CoA
Oxaloacétate
1-Citrate
synthase
NADH
Citrate
2-Aconitase
8-Malate
déshydrogénase
Malate
7-Fumarase
Isocitrate
Cycle de
l’acide citrique
Fumarate
FADH2
3-Isocitrate
déshydrogénase
NADH
CO2
6-Succinate
déshydrogénase
4-D-Cétoglutarate
déshydrogénase
5-Succinyl-coA
synthétase
CO2
Succinate
D-Cétoglutarate
NADH
5
GTP
Succinyl-coA
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+
-
-
6
Synthèse de l’acétyl-CoA
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
Liaison thioester
à haute énergie
Pyruvate
déshydrogénase
Pyruvate + CoA + NAD+
Æ
acétyl-CoA + CO2 + 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.
7
Pyruvate déshydrogénase
Complexe multienzymatique Chez
E. coli, la Pyruvate déshydrogénase
est composée par plusieurs sous
unités de 3 types.
MW ~ 5 millions Dalton
Diamètre 30 nm
Des cofacteurs de la pyruvate déshydrogénase sont:
-la Thiamine (nécessaire pour la décarboxylation).
-FAD et NAD+ (oxydoréduction)
-Coenzyme A (transporteur d’acyle)
-Acide lipoïque
Avantage des complexes multienzymatiques:
-Une série des réactions en séquence est accélérée
-Minimisation des réactions collatérales
-Régulation coordonnée
8
9
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
10
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)
Oxaloacétate
Citryl-CoA
Acetyl-CoA
11
Citrate
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
12
La réorganisation du citrate en isocitrate est suivie
de deux phases consécutives de décarboxylation
oxydative avec production de NADH
Étape 3: Isocitrate déshydrogénase
Étape 3
Isocitrate + NAD+ Æ D-Cétoglutarate + CO2 + NADH
Étape 4
Le manganèse
(Mn++)
est cofacteur de la réaction.
Réactions
irréversibles
Isocitrate
Oxalosuccinate
D-Cétoglutarate
13
Étape 4: D-Cétoglutarate déshydrogénase
Étape 3
D-Cétoglutarate
Succinyl-CoA
Étape 4
Réactions
irréversibles
La deuxième décarboxylation oxydative porte à la
formation d’une autre molécule de NADH riche en énergie
D-Cétoglutarate + NAD+ + CoA Æ Succinyl-CoA + CO2 + NADH
L’D-Cétoglutarate déshydrogénase est un complexe enzymatique très similaire à la
Pyruvate déshydrogénase
14
acétyl-CoA
Pyruvate
D-Cétoglutarate
Succinyl-CoA
15
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 J-phosphoryle à l’ADP grâce à l’enzyme
nucléoside diphosphokinase:
GTP + ADP Æ GDP + ATP
16
Étape 6: Succinate déshydrogénase
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 Æ alcène) n’est pas suffisamment
exergonique pour la réduction du NAD+ en NADH.
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
Un des rares enzymes ou le
cofacteur FAD est lié de
façon covalente à l’enzyme
17
Étape 7: Fumarase (fumarate idratase)
Intermédiaire
carbanion
Fumarate
Malate
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.
18
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.
19
20
Bilan du Cycle de Krebs
Acétyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O Æ 2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2 H+ + CoA
Combien ça ramène d’oxyder le glucose en CO2?
Glucose
2 NADH
3 ATP
2 ATP
2 Pyruvate
2 NADH
5 ATP
La complet oxydation du glucose donne environ 30
ATP.
La transformation de l’énergie du NADH et FADH2
en 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.
2 Acétyl-CoA
6 NADH
15 ATP
2 FADH2
3 ATP
2 GTP
2 ATP
On peut trouver différents valeurs pour ce bilan
(entre 30 et 38 ATP).
21
Le Cycle de Krebs fournit aussi des intermédiaires pour les biosynthèses
Acides Gras
Glucose
(Hem, Chlorophylle…)
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
22
obtenir oxaloacétate (exemple d’une réaction anaplérotique).
Régulation du cycle de Krebs: régulation des étapes irréversibles
Inhibition par le produit (compétitive) par le acetyl-CoA,
NADH; ATP est un inhibiteur allostérique. Inactivation de
l’enzyme par phosphorylation (voir après)
1
, succinyl-CoA
2
ATP est un inhibiteur allostérique de la citrate synthase;
inhibition à feedback compétitive par le succinyl-CoA
3
, NADH
4
ATP est un inhibiteur allostérique, tandis que l’ADP est
un activateur; NADH inhibiteur compétitive (produit)
Inhibition compétitive par le produit succinyl-CoA et le
NADH
23
Régulation de la pyruvate déshydrogénase
1) NADH et acétyl-CoA compétent avec NAD+ et CoA pour le site de liaison sur
les composants enzymatiques de la PDH
2)
Activé par
insuline
(actif)
Pyruvate
déshydrogénase
phosphatase
Pyruvate
déshydrogénase
kinase
Activé par NADH,
acétyl-CoA, ATP
(et indirectement
par le glucagon)
(inactif)
E1 est la sous unité catalytique
de la pyruvate déshydrogénase
24
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 Æ
Æ Succinate + 2 CoA + NADH + 2 H+
Chez les végétaux et les bactéries, la gluconéogenèse
est possible a partir de l’acétyl-CoA
25
Acides
gras
Dans le cycle du Glyoxylate les
réactions de décarboxylation
oxydative sont sautées, donc on
a pas la perte des atomes de
carbone comme CO2.
Acetyl-CoA
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.
Production des sucres à partir de l’acétyl-CoA26(C2).