La glycolyse par réactions fermentatives produit de l’ATP par voie anaérobie. L’évolution de la respiration (l’utilisation aérobie de l’oxygène pour brûler efficacement les combustibles nutritifs) a dû attendre que la photosynthèse crée l’atmosphère oxygénée dans laquelle nous vivons maintenant. En savoir plus sur la source de notre atmosphère oxygénée dans Dismukes GC et al. .
Le cycle de Krebs est la première voie de la respiration oxygénique. L’évolution de cette respiration et du pont chimique entre la glycolyse et le cycle de Krebs, a sans doute eu lieu quelques réactions à la fois, peut-être d’abord comme moyen de protéger les cellules anaérobies des effets « toxiques » de l’oxygène. Plus tard, la sélection naturelle a étoffé le cycle aérobie de Krebs, le transport des électrons et les voies de phosphorylation oxydative que nous voyons aujourd’hui.
Quelle que soit son utilité initiale, ces réactions étaient une réponse adaptative à l’augmentation de l’oxygène dans l’atmosphère terrestre. En tant que voie permettant d’extraire de l’énergie des nutriments, la respiration est beaucoup plus efficace que la glycolyse. Les animaux en dépendent, mais même les plantes et les algues photosynthétiques utilisent la voie respiratoire lorsque la lumière du soleil n’est pas disponible! Nous nous concentrons ici sur les réactions oxydatives dans les mitochondries, en commençant par l’oxydation du pyruvate et en continuant jusqu’aux réactions redox du cycle de Krebs.
Après être entrée dans les mitochondries, la pyruvate déshydrogénase catalyse l’oxydation du pyruvate en Acétyl-S-Coenzyme A (Ac-S-CoA). Ensuite, le cycle de Krebs oxyde complètement l’Ac-S-CoA. Ces réactions redox mitochondriales génèrent du CO2 et beaucoup de porteurs d’électrons réduits (NADH, FADH2). L’énergie libre libérée dans ces réactions redox est couplée à la synthèse d’un seul ATP par pyruvate oxydé (soit deux par le glucose avec lequel nous avons commencé !). Ce sont les molécules NADH et FADH2 qui ont capturé la majeure partie de l’énergie libre dans les molécules de glucose d’origine. Ces entrées de pyruvate dans la mitochondrie et son oxydation sont résumées ci-dessous.
L’oxydation du pyruvate convertit un glucide 3C en acétate, une molécule 2C, libérant une molécule de CO2. Dans cette réaction hautement exergonique, le CoA-SH forme une liaison thioester à haute énergie avec l’acétate de l’Ac-S-CoA. L’oxydation de l’acide pyruvique entraîne la réduction du NAD+, la production d’Ac-S-CoA et d’une molécule de CO2, comme indiqué ci-dessous.
Le cycle de Krebs fonctionne pendant la respiration pour oxyder l’Ac-S-CoA et pour réduire NAD + et FAD en NADH et FADH2 (respectivement). Les intermédiaires du cycle de Krebs jouent également un rôle dans le métabolisme et les interconversions des acides aminés. Tous les organismes aérobies vivants aujourd’hui partagent le cycle de Krebs que nous voyons chez l’homme. Ceci est cohérent avec sa propagation au début de l’évolution de notre environnement oxygéné. En raison du rôle central des intermédiaires du cycle de Krebs dans d’autres voies biochimiques, certaines parties de la voie peuvent même avoir précédé la voie respiratoire complète. Le cycle de Krebs a lieu dans les mitochondries des cellules eucaryotes.
Après l’oxydation du pyruvate, l’Ac-S-CoA entre dans le cycle de Krebs, se condensant avec l’oxaloacétate dans le cycle pour former du citrate. Il y a quatre réactions redox dans le cycle de Krebs. Pendant que nous discutons du cycle de Krebs, recherchez l’accumulation de porteurs d’électrons réduits (FADH2, NADH) et une petite quantité de synthèse d’ATP par phosphorylation au niveau du substrat. Suivez également les carbones en pyruvate en CO2. Le cycle de Krebs tel qu’il se produit chez les animaux est résumé ci-dessous.
Pour vous aider à comprendre les événements du cycle,
1. trouvez les deux molécules de CO2 produites dans le cycle de Krebs lui-même.
2. trouvez le GTP (qui transfère rapidement son phosphate à l’ADP pour en faire de l’ATP). Notez que chez les bactéries, l’ATP est fabriqué directement à cette étape.
3. compter tous les porteurs d’électrons réduits (NADH, FADH2). Ces deux porteurs d’électrons portent une paire d’électrons. Si vous incluez les électrons sur chacune des molécules de NADH fabriquées en glycolyse, combien d’électrons ont été retirés du glucose lors de son oxydation complète?
Rappelez-vous que la glycolyse produit deux pyruvates par glucose, et donc deux molécules d’Ac-S-CoA. Ainsi, le cycle de Krebs tourne deux fois pour chaque glucose entrant dans la voie glycolytique. Les liaisons thioester à haute énergie formées dans le cycle de Krebs alimentent la synthèse de l’ATP ainsi que la condensation de l’oxaloacétate et de l’acétate pour former du citrate dans la première réaction. Chaque NADH transporte environ 50 Kcal des 687 Kcal d’énergie libre initialement disponibles dans une mole de glucose; chaque FADH2 transporte environ 45 Kcal de cette énergie libre. Cette énergie alimentera la production d’ATP pendant le transport des électrons et la phosphorylation oxydative.
159 Temps forts du Cycle de Krebs
Enfin, l’histoire de la découverte du cycle de Krebs est aussi intéressante que le cycle lui-même ! Albert Szent-Györgyi a remporté un prix Nobel en 1937 pour avoir découvert certaines réactions d’oxydation des acides organiques initialement considérées comme faisant partie d’une voie linéaire. Hans Krebs a fait les expériences élégantes montrant que les réactions faisaient partie d’une voie cyclique. Il a proposé (correctement!) que le cycle serait un supercatalyseur qui catalyserait l’oxydation d’un autre acide organique. Certaines des expériences sont décrites par Krebs et ses collègues dans leur article classique: Krebs HA, et al. . Hans Krebs et Fritz Lipmann ont partagé le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1953. Krebs a été reconnu pour son élucidation du cycle TCA, qui porte maintenant plus souvent son nom. Lipmann a été reconnu pour avoir proposé l’ATP comme médiateur entre l’énergie alimentaire (nutritive) et l’énergie de travail intracellulaire, et pour avoir découvert les réactions qui oxydent le pyruvate et synthétisent l’Ac-S-CoA, reliant le cycle de Krebs et la phosphorylation oxydative (à considérer dans le chapitre suivant).
160 Découverte du cycle de Krebs
