PCEM1 2006-2007 S. ALLOUCHE - Freet1nker.bell.free.fr/bioch/allouche/CYCLE DE KREBS2006.pdfCYCLE DE KREBS • Cycle de Krebs = cycle du citrate = cycle de l’acide tricarboxylique

NOTIONS SUR LE METABOLISME ENERGETIQUE ET

CYCLE DE KREBS

PCEM1

2006-2007

S. ALLOUCHE

PLAN

1. NOTIONS SUR LE METABOLISME ENERGETIQUE

2. CYCLE DE KREBS

NOTIONS SUR LE METABOLISME ENERGETIQUE

NOTIONS DE BIOENERGETIQUE

• C’est l’étude des variations énergétiques associées aux réactions biochimiques

• La variation d’énergie libre (∆∆∆∆G) d’une réaction est un critère pour savoir si la réaction

peut se produire spontanément. Le ∆∆∆∆G, c’est un potentiel chimique.

• La ∆∆∆∆G c’est la « force » qui permet à la réaction d’atteindre l’équilibre

• La variation d’énergie libre ne permet pas de prévoir la vitesse de la réaction

• La variation d’énergie libre est indépendante de la voie lors de la transformation du

substrat en produit (idem si 1 ou plusieurs étapes)

• Si ∆∆∆∆G= 0 le système est à l ’équilibre

• Si ∆∆∆∆G< 0 la réaction est thermodynamiquement favorable avec libération d’énergie :

exergonique (cas de réactions du catabolisme)

• Si ∆∆∆∆G> 0 la réaction n’est pas spontanée (il faut apporter de l’énergie) : endergonique

(cas de réactions de l’anabolisme)

• Relation entre ∆G et constante d’équilibre

A + B C + D

• Utilisation de conditions standards comme référence : ∆G0 (variation d’énergie libre standard)

A 298 K, 1 atm et tous les réactifs à 1 M

∆G= ∆Go + RT ln [C] [D] / [A] [B] où T = température en kelvin et R = 1.98 10-3 kcal/mol/K

Pour les réactions biochimiques : conditions standards à pH = 7, ∆∆∆∆G0 ‘

• On peut calculer la ∆∆∆∆G0 ‘ à l’équilibre lorsque l’on peut déterminer les concentrations des

produits et substrats � ∆G= 0

• D’où, ∆∆∆∆Go’ = - RT ln [C] [D] / [A] [B] en kcal / mol (1 cal = 4.184 J)

• Keq = [C] [D] / [A] [B]



• A l ’équilibre, [3-phospho-glycéraldéhyde] /[PDHA]

= 0.0475 à 25°c et à pH=7.

• ∆∆∆∆G °’ = - 2.303 X RT X Log10 [3-phospho-glycéraldéhyde] /[PDHA]

= - 2.303 X 1.9810-3 X 298 X Log10 (0.0475)

= + 1.8 kcal/mol

• Calcul ∆∆∆∆G lorsque les concentrations initiales en 3-phospho-

glycéraldéhyde et de PDHA sont respectivement de 3 10-6 M et de 2 10-4

M.

∆G = ∆Go ’ + 2.303 RT Log10 [3-phospho-glycéraldéhyde]i/[PDHA]i

= 1.8 103 + 2.303 Log10 (3 10-6 / 2 10-4 ) = -0.7 kcal/mol

Donc si ∆∆∆∆G < 0, réaction spontanée

Le critère de spontanéité d ’une réaction est lié à la ∆∆∆∆G

et non pas à la ∆∆∆∆Go ’



A B C

• Couplage de réactions

• Variation d ’énergie libre standard ∆Go1 ’ (réaction 1) et ∆Go2 ’ (réaction 2). B n ’est qu’un

produit intermédiaire de la réaction globale.

• ∆∆∆∆Go totale ’ = ∆∆∆∆Go1 ’ + ∆∆∆∆Go2 ’

• Si réaction 1 est endergonique mais réaction 2 exergonique, la réaction globale peut être

thermodynamiquement favorisée ∆∆∆∆Go totale ’<0

1 2


Glucose + Pi Glucose-6P + H2O

∆∆∆∆Go ’ = +13.8kJ/mol (3.298kcal/mol)

ATP + H2O ADP + Pi

∆∆∆∆Go ’ = - 30.5 kJ/mol (-7.289 kcal/mol)

• La réaction est possible par couplage à l’hydrolyse de l’ATP

Glucose + ATP Glucose-6P + ADP

∆∆∆∆Go ’ =+ 13.8 - 30.5 = -16.7 kJ/mol

• au total :

• Dans ce cas, l ’énergie contenue dans la liaison de l ’ATP est utilisée pour permettre la synthèse

du glucose-6-phosphate, dont la formation à partir du glucose et du Pi est endergonique.

1

2


• Utilisation des composés phosphorylés riches en énergie

- L’hydrolyse des liaisons riches en énergie � libération d’énergie utilisée pour réactions

endergoniques (anabolisme)

- L’ATP et l’ADP ont une place importante

pH physio. groupements ionisés

Liaisons anhydrides riches

en énergie


énergie libérée

• La ∆Go ’ de l’hydrolyse de l’ATP est fonction de plusieurs paramètres : pH intracellulaire,

concentrations ATP, ADP, Pi


énergie libérée


• Rôles de l’ATP :

-dans les réactions enzymatiques, son hydrolyse libère énergie utilisée pour des réactions

endergoniques

-libère de l’énergie utilisée dans d’autres processus cellulaires (contraction musculaire, maintien

pression osmotique cellulaire, l’influx nerveux …)

-dans des réactions enzymatiques, où il y a transfert d’une partie de la molécule d’ATP

(phosphorylation, activation de la vitamine B1, activation des acides gras…)


• Les composés phosphorylés :

- « Les composés phosphorylés riches en énergie », ∆G importante lors de leur hydrolyse :

- le phospho-énol-pyruvate

- la phosphocréatine

- l ’acide 1,3 diphosphoglycérique

- « Les composés phosphorylés pauvres en énergie », ∆G plus faible lors de leur hydrolyse :

-le glucose-6P

-le glycérol-P


• « Les composés phosphorylés riches en énergie »






• Quelle est la place de l’ATP ?

- l ’ATP occupe une position intermédiaire et unique � transporteur obligatoire des phosphates

entre les composés phosphorylés riches et pauvres en énergie

CYCLE DE KREBS

• Cycle de Krebs = cycle du citrate = cycle de l’acide tricarboxylique

• Cycle de Krebs = réactions dans la mitochondrie (matrice) qui permettent le catabolisme de

l’acétyl~CoA en cofacteurs réduits (NADH,H+, FADH2) et CO2� ENERGIE sous forme

d’ATP

• Ces réactions se produisent en conditions aérobies (+ d’énergie / anaérobie)

• La respiration cellulaire = processus qui transforment les métabolites énergétiques

(ex:glucose) en ATP – 3 étapes :

1. Production d’acétyl~CoA (catabolisme AA, AG et glucides)

2. Oxydation d’acétyl~CoA (GTP, NADH,H+, FADH2)

3. Phosphorylation oxydative (oxydations NADH,H+, FADH2 et synthèse d’ATP)

ORIGINES DE L’ACETYL~CoA

• A partir du pyruvate ( via la glycolyse)

• A partir de la β-oxydation des acides gras

• A partir de certains AA

Acétyl~CoAacétate

Liaison thioester

β-mercapto

ethylamine

liaison amideAcide pantothénique

ADP

adénine

Ribose 3-phosphate

(1) ORIGINE GLUCIDIQUE DE L’ACETYL~CoA


Pi


• Le devenir du pyruvate :

1. Métabolisme anaérobie : transformation pyruvate �� lactate catalysée par LDH (lactate

deshydrogénase, cytoplasmique).

pyruvate lactate

Réaction avec consommation de NADH,H+pour permette à la glycolyse de se poursuivre (G3P-

deshydrogénase). Lactate = substrat pour tissus cardiaques, musculaires et hépatiques.

2. Métabolisme aérobie : décarboxylation oxydative du pyruvate en acétyl ~CoA par le complexe

enzymatique de la pyruvate deshydrogénase.

(1) LA PYRUVATE DESHYDROGENASE (PDH)

• Entrée du pyruvate dans la mitochondrie via transporteur dans membrane interne

• La PDH est composée de 3 enzymes différentes :

1. pyruvate deshydrogenase (E1)

2. dihydrolipoyl transacetylase (E2)

3. dihydrolipoyl deshydrogenase (E3)

• 5 coenzymes sont nécessaires : CoA, NAD+, FAD+, acide lipoïque et la thiamine

pyrophosphate (TPP)

• la thiamine pyrophosphate (TPP), l’acide lipoïque et le FAD+ sont fixés sur les enzymes E1,

E2 et E3 respectivement.

• Le CoA et la NAD+ sont des cofacteurs mobiles


• Bilan de la réaction :

Pyruvate + CoASH + NAD+ ------> CO2 + acetyl-CoA + NADH + H+

Les cofacteurs :


NAD+

Niacine = acide nicotinique = vitamine B3. Nicotinamide = vitamine PP

Carence � dermatites, pertes poids, diarrhées et pellagre.

nicotinamide

(1) COFACTEURS (PDH)

TPP

Toute carence en thiamine (vitamine B1) �constipation, � appétit, nausée, dépression, fatigue.

Déficit + sévère �ataxie, confusion mentale. Quand déficit thiamine + régime riche en glucides

= Béribéri.


FADH2

H+

H+

• Dérive de la riboflavine = vitamine B2. Déficit rare : glossite, séborrhée.


• l’acide lipoïque ou lipoate possède 2 groupements thiol

• sert de transporteur de groupement acyl ou d’électrons

• Il est fixé par une liaison amide à la dihydrolipoyl transacétylase (E2)

(2) ORIGINE LIPIDIQUE DE L’ACETYL~CoA

• Les acides gras (chaînes moyennes et longues) entrent dans la mitochondrie via le système

carnitine

• Ils subissent des réactions de déshydrogénation et d’oxydation libérant 1 molécule

d’acétyl~CoA à chaque tour d’hélice = β-oxydation.

(2) ORIGINE LIPIDIQUE DE L’ACETYL~CoA

(3) ORIGINE PROTEIQUE DE L’ACETYL~CoA

• La production énergétique par la dégradation des AA est faible : 10-15 % chez homme

• Parmi les AA, on distingue ceux qui sont : cétogènes, glucogènes ou les 2

• ex : 5 AA qui fournissent de l’acétyl~CoA via le pyruvate : Ala, Gly, Ser, Cys et Trp

ALAT

ou TGP

réaction de transamination entre l’alanine et l’α-céto-glutarate

Glutamate α-cétoglutarate

(3) ORIGINE PROTEIQUE DE L’ACETYL~CoA

UN PEU D’HISTOIRE….

• Début des expériences dans les années 30 : utilisation de broyats musculaires de pigeon (riche en

mitochondries)

• L’addition d’acides dicarboxyliques connus pour être présents dans ces tissus (succinate, fumarate,

malate) augmentait la consommation d’oxygène : Szent-Györgyi

• Puis on mit en évidence l’implication de l’oxalo-acétate dans ce cycle, dont on savait qu’il pouvait

dériver du pyruvate.

•Ce n’est qu’en 1937 que Martius et Knoop découvrirent que le citrate pouvait être transformé en isocitrate

puis en α-cétoglutarate ; on savait que ce dernier pouvait donner du succinate.

•Ce sont Krebs et Johnson qui démontrèrent que le citrate résultait de la combinaison entre le pyruvate et

l’oxalo-acétate. Ceci valut le prix Nobel à Krebs en 1953. Pas tout à fait exact !!

• Plus tard démonstration que le citrate résulte de la réaction entre l’acétyl coenzyme A, lui-même dérivant

du pyruvate, et l’oxalo-acétate.

CYCLE DE KREBS OU DU CITRATE

IDH : isocitrate

deshydrogénase

KGDH : céto-glutarate

deshydrogénase

8 étapes

(1) CONDENSATION ENTRE L’OXALO-ACETATE

ET DE L’ACETYL~CoA

Le citrate : un acide tricarboxylique à 6 carbones, fonction alcool

Réaction se déroule en 2 étapes :

1. Fixation OA sur enzyme, modification, fixation de l’acétyl~CoA condensation aldolique avec formation du

citryl~CoA

- hydrolyse du citryl~CoA (thioester à énergie élevée) en citrate et CoASH qui sont libérés

∆∆∆∆Go’ = - 7.5 kJ/mol



attaque fonction cétone

• Réaction très exergonique � utilisation de l’oxalo-acétate dont la formation à partir du malate n’est pas

favorable

• Faible concentration OA favorise cette réaction = entrée irréversible dans le cycle

• C’est une étape clé du cycle : La citrate synthase, qui catalyse l’entrée de l’acétyl-CoA dans le cycle, est

inhibée de manière allostérique par l’ATP

•Le citrate sert à la synthèse des acides gras : en excès de citrate � sortie hors de la mitochondrie via un

transporteur spécifique des tricarboxylates � acétyl~CoA (clivage par la citrate lyase) � biosynthèse AG et

inhibition PFK-1





• Réaction anaplérotique (réaction qui aboutit à un transfert net dans le cycle) pour maintenir

une concentration adéquate en oxalo-acétate et faire rentrer l’acétyl-CoA dans le cycle

• Réaction catalysée par la pyruvate carboxylase

(2) PASSAGE DU CITRATE EN ISOCITRATE

∆∆∆∆Go’ = + 1.5 kJ/mol

• c’est une isomérisation réversible du citrate en isocitrate

• réaction catalysée par l’aconitase (aconitate hydratase) : protéine à centre fer / soufre Fe4S4

• Formation d’un intermédiaire : le cis-aconitate (3 %)

•A première vue, les groupements -CH2COOH sont identiques. L ’aconitase peut interagir soit

avec l ’oxygène du C1 ou du C5. Quand interaction avec C5, l ’hydrogène du C4 est

correctement positionner pour son arrachement et le groupement hydroxyl quitte le C3

1 1

33

44

5 5

91 % 6 %

91 % 6 %


H2O

H2O

• Cette réaction est endergonique mais possible car la suivante est consomme l’isocitrate en α-cétoglutarate

•La réaction est inhibée par le fluoroacétate, qui sous forme de fluoroacétyl-CoA se condense avec l’oxalo-

acétate pour former le fluorocitrate ; ce dernier inhibe l’aconitase.


(3) DECARBOXYLATION OXYDATIVE DE

L’ ISOCITRATE EN αααα-CETOGLUTARATE

• Deshydrogénase à NAD et cations divalents (Mg2+ ou Mn2+)

• Réaction en 2 étapes :

1. Le groupement hydroxyl en C4 de l ’isocitrate est oxydé en oxalo-succinate

2. Décarboxylation l’oxalo-succinate en αααα-cétoglutarate (provient de l’OA)

∆∆∆∆Go’ = - 2 kJ/mol


L’ αααα-CETOGLUTARATE EN SUCCINYL~COA

• Réaction catalysée par l’αααα-cétoglutarate deshydrogénase (complexe enzymatique) analogue à

la pyruvate deshydrogénase

• 3 activités enzymatiques : l’α-cétoglutarate deshydrogénase,dihydrolipoamide transsuccinylase

et la dihydrolipoamide succinyl deshydrogénase

∆∆∆∆Go’ = - 7.2 kJ/mol



• 3 cofacteurs liés sur les 3 types d’enzymes :

1. TPP

2. Lipoamide

3. FAD

• 2 cofacteurs libres : NAD+ et CoASH

• Différentes étapes :

1. Décarboxylation de l’α-cétoglutarate en succinaldéhyde par l’activité α-cétoglutarate

deshydrogénase en présence du TPP (fonction carboxyl provient de l’OA)



Noyau thiazole

2. Transfert du groupement succinaldéhyde de la TPP sur le lipoamide (transsuccinylase) avec

réduction du lipoamide et formation du succinyl (liaison acyl-thiol riche énergie)



3. Transfert du succinyl (liaison acyl-thiol riche énergie) du lipoamide sur CoASH par la

transsuccinylase�formation succinyl~CoA

Réduction du lipoamide en dihydrolipoamide



4. Réoxydation du dihydrolipoamide par la dihydrolipoamide succinyl deshydrogénase enzyme à FAD

Transfert des électrons et protons sur NAD+

(5) TRANSFORMATION DU SUCCINYL~COA EN

SUCCINATE

∆∆∆∆Go’ = - 0.8 kJ/mol

• Réaction catalysée par la succinyl-CoA synthétase ou succinate thiokinase

• Transfert d’énergie de liaison thioester pour former du GTP

• Tranfert du γ phosphate du GTP sur l’ADP par nucléoside diphosphate kinase � ATP

molécule symétrique

(6) TRANSFORMATION DU SUCCINATE EN

FUMARATE

• Réaction catalysée par la succinate deshydrogénase (SDH)

• Flavoprotéine de membrane interne mitochondriale de la chaîne respiratoire

• Transfert des électrons sur FAD et protons sur Coenzyme Q

• Formation du fumarate composé en trans

• Peu différence des potentiels rédox entre Succinate/fumarate et Q/QH2

∆∆∆∆Go’ = ~ 0 kJ/mol

(6) TRANSFORMATION DU SUCCINATE EN

FUMARATE

• Inhibiteur compétitif : malonate

(7) TRANSFORMATION DU FUMARATE EN

MALATE

• Réaction catalysée par la fumarase ou fumarate hydratase

•Liaison du fumarate sur l ’enzyme : molécule symétrique

•Un seul côté de la double liaison est accessible à la molécule d ’H2O

�Addition d’une molécule d’eau sur la double liaison C=C du fumarate de manière

stéréospécifique pour donner le L-malate

∆∆∆∆Go’ = -0.9 kJ/mol

(8) TRANSFORMATION DU MALATE EN OXALO-

ACETATE

∆∆∆∆Go’ = + 7.1 kJ/mol

• Dernière étape du cycle catalysée par la malate deshydrogénase (MDH)

• Oxydation de la fonction alcool ↔ cétone

• Couplée à la réduction du NAD+

• Potentiel rédox couple NADH,H+/ NAD+ + négatif / celui malate/OA �réaction endergonique

BILAN DU CYCLE

• Cycle de Krebs = 8 réactions conduisant à l’oxydation complète de l’acétyl-CoA et à

la production de cofacteurs réduits (NADH,H+ et FADH2) et de GTP :

Le NADH,H+ et FADH2 seront ensuite oxydés au niveau de la chaîne respiratoire et par le

biais de la phosphorylation oxydative permettront la production d’ATP.

1 molécule de NADH,H+ �� 3 molécules d’ATP

1 molécule de FADH2 �� 2 molécules d’ATP

Le transfert d’énergie du GTP sur l’ADP permet de former une molécule d’ATP.

Au bilan, pour l’oxydation complète d’une molécule d’acétyl-CoA, on obtient :

-3 molécules de NADH,H+

-1 molécule de FADH2

-1 molécule de GTP (�ATP)

Soit au total, 12 molécules d’ATP

BILAN DU CYCLE

REGULATION DU CYCLE

3 étapes du cycles de Krebs sont régulées :

- La citrate synthase, qui catalyse l’entrée de l’acétyl-CoA dans le cycle, est un enzyme inhibé

de manière allostérique par l’ATP.

- L’isocitrate deshydrogénase activé allostériquement par l’ADP

- L’αααα-cétoglutarate deshydrogénase, inhibé par le NADH,H+ et par le succinyl-CoA, produit

final de la réaction

L’activité du cycle de Krebs est sous le contrôle étroit des besoins énergétiques de la cellule

Rôle amphibolique du cycle de Krebs : rôle dans les processus d’oxydation et de synthèse

ROLE CENTRAL DU CYCLE DE KREBS DANS LE

METABOLISME

• Décarboxylation l’oxalo-acétate par phosphoénolpyruvate carboxykinase

�phosphoénolpyruvate� gluconéogénèse� glucose.

• Les réactions de transamination, qui sont réversibles, contribuent à la synthèse des

acides aminés non essentiels.

• L’acétyl-CoA� synthèse des acides gras à longue chaîne dans le cytosol, oblige la

sortie de l’acétyl-CoA sous forme de citrate, qui sous l’action de la citrate lyase, redonne

de l’acétyl-CoA et de l’oxalo-acétate mais consomme de l’ATP.

anabolism

e

LES NAVETTES MITOCHONDRIALES

• Le NADH,H+ dans cytosol (produit lors réaction de déshydrogénation) ne franchit pas le

membrane mitochondriale � Utilisation de navettes

1. Navette Malate / Aspartate

2. Navette Glycérol phosphate

LA NAVETTE MALATE / ASPARTATE

• MDH cytosolique et mitochondriale

• Catalyse une réaction réversible

• Lorsque [NADH,H+] cytosolique OA � malate


• La navette Malate / Aspartate fait intervenir une réaction de transamination catalysée par

aspartate amino-transférase : ASAT et la vitamine B6 comme co-facteur

• Cet enzyme est présent des 2 côtés de la membrane interne


Matrice mitochondriale

Espace intermembranaire


Bilan

1 molécule de NADH,H+ cytosolique� 1 molécule de NADH,H+ dans

mitochondrie

LA NAVETTE GLYCEROL PHOSPHATE

• Glycérol phosphate deshydrogénase (GPDH) cytosolique et mitochondriale

• cytosol : réduction du PDHA par le [NADH,H+]


• Glycérol phosphate deshydrogénase (GPDH) mitochondriale est une flavoprotéine (FAD)

• Oxydation du glycérol phosphate en PDHA avec transfert des électrons et H+ sur Co Q


matrice mitochondriale

espace intermembranaire

cytosol

Bilan

1 molécule de NADH,H+ cytosolique� 1 molécule de FADH2 dans

mitochondrie


Selon la navette utilisée : 1 molécule de glucose va générer

36 ou 38 ATP

POINTS A SAVOIR

• Mécanisme de la réaction catalysée par la pyruvate deshydrogénase

• réactions du cycle de KREBS (étapes de production d’énergie : GTP, FADH2 et NADH,H+) +

inhibiteurs + bilan réactions

• Rôle bivalent cycle de KREBS : catabolisme et anabolisme

• Navettes mitochondriales

• Calculs et significations ∆Get ∆Go’

Documents

PCEM1 2006-2007 S. ALLOUCHE - Freet1nker.bell.free.fr/bioch/allouche/CYCLE DE KREBS2006.pdfCYCLE DE KREBS • Cycle de Krebs = cycle du citrate = cycle de l’acide tricarboxylique