Nous avons dit précédemment que l’acétyl CoA était le substrat principal de ce cycle. Donc il est nécessaire de modifier les molécules issues du glucose pour pouvoir les utiliser.
La conversion du pyruvate en acétyl-CoA se déroule dans la matrice mitochondriale des cellules eucaryotes. Cette étape est irréversible, elle constitue de ce fait un point de régulation.
- Transport du pyruvate dans la mitochondrie : Après la glycolyse, le pyruvate produit dans le cytosol est transporté dans la matrice mitochondriale à travers la membrane mitochondriale interne par diffusion facilitée.
- Décarboxylation oxydative du pyruvate : Une fois dans la matrice mitochondriale, le pyruvate subit une décarboxylation oxydative catalysée par la pyruvate déshydrogénase. Les vitamines du groupe B sont très importantes pour cette étape. Cette réaction libère des électrons qui sont transférés au NAD⁺ pour former du NADH. Les enzymes déshydrogénases facilitent le transfert d'électrons en retirant des atomes d'hydrogène (H) d'une molécule pour les transférer à une autre. Elles sont un peu comme des travailleurs sur un chantier qui transportent des briques (les atomes d'hydrogène) d'un endroit à un autre. Elles déplacent ces "briques" d'une molécule pour les déposer sur une autre
En résumé, la conversion du pyruvate en acétyl-CoA se produit précisément dans la matrice mitochondriale, et cette étape est essentielle pour relier la glycolyse au cycle de Krebs et à la production d'énergie cellulaire.
Métaphore
Imaginons le hall de départ d’une attraction ou les employés récupèrent les nacelles qui viennent d’une attraction appelée la glycolyse pour envoyer des passagers vers le cycle de Krebs. Les nacelles ont au départ 3 sièges de carbone, mais on n’en a besoin plus que de deux. Donc les ouvriers, sous le contrôle de la Pyruvate deshydrogénase, vont enlever le siège en trop; (Un groupe carboxyle, donc on a un carbone en moins) et décident d’appeler cette nouvelle nacelle à deux sièges (Acétyl).
Ensuite, l'atelier ajoute un accessoire spécial à la nacelle, une attache remorque, un CoA pour lui permettre d’amener d’arrimer l’Acétyl sur la grande roue.
Pendant ce processus, de l'énergie est produite. Sous la supervision de la citrate déshydrogénase les petites batteries sont transférées sur une navette NADH+ pour être utilisée ultérieurement. L’uniforme des déshydrogénases est un peu excentrique. Mais après tout, c’est la fête.
Parmi les nombreuses attractions, on retrouve la célèbre grande roue du cycle de Krebs, une installation vertigineuse avec ses 8 étapes. À chaque étape, une nouvelle découverte attend les passagers.
Etape 1 du cycle de Krebs : Formation du citrate
La première étape du cycle de Krebs est la formation du citrate à partir de l’oxaloacétate.
- Oxaloacétate et Acétyl-CoA : L'oxaloacétate, une molécule à quatre carbones, est disponible dans la matrice mitochondriale. Après avoir été hydratée, (une molécule d’eau entre dans le cycle) elle se combine avec une molécule d'acétyl-CoA, qui est une molécule à deux carbones produite à partir du pyruvate.
- Formation du citrate : L'enzyme citrate synthase catalyse la réaction entre l'oxaloacétate et l'acétyl-CoA. Cette réaction condense l'acétyl-CoA et l'oxaloacétate pour former du citrate, une molécule à six carbones. Les synthases sont des enzymes qui catalysent la formation de liaisons chimiques pour assembler des molécules, sans utiliser d'ATP (énergie cellulaire) pour initier la réaction.
- Libération du CoA : Lors de cette réaction, le coenzyme A (CoA) est libéré et peut être réutilisé dans d'autres processus cellulaires. La formation du citrate marque l'entrée de l'acétyl-CoA dans le cycle de Krebs.
Métaphore
Marie, curieuse, monte dans une nacelle particulière appelée Acétyl, un petit deux-places qui va la conduire jusqu’à la grande roue. Pour attacher cette nacelle à la grande roue, un crochet , une sorte d’attache remorque nommé CoA est utilisé. En même temps, à la station Oxaloacétate, une nacelle à quatre places s’avance. Elle est nettoyée à grande eau par des ouvriers méticuleux pour que les clients soient satisfaits. La citrate synthase, la cheffe de gare, en grand uniforme veille à ce que la nacelle Acétyl se connecte parfaitement aux quatre sièges venues de la station oxaloacétate. Une fois fait, le crochet CoA , devenu inutile retourne à son point de départ, et Marie continue son aventure vers la station Citrate avec sa nacelle à 6 sièges carbones.
Etape 2 : conversion du citrate en isocitrate
Le citrate, une molécule à six carbones, subit une réorganisation structurelle pour se convertir en isocitrate, une autre molécule à six carbones. L’enzyme s’appelle l’aconitase.
Cette étape n'implique pas de changement dans le nombre de carbones de la molécule, mais elle réorganise les groupes fonctionnels dans la molécule, préparant l'isocitrate pour la prochaine étape du cycle.
Métaphore
Entre Citrate et Isocitrate, Marie profite du paysage. Les "manutentionnaires" moléculaires ajustent quelques pièces discrètement, préparant la prochaine étape. Mais il ne se passe rien de particulier.
Etape 3 : conversion de l'Isocitrate en α-Cétoglutarate
L'étape suivante du cycle de Krebs après la conversion du citrate en isocitrate est la décarboxylation oxydative de l'isocitrate, qui convertit l'isocitrate en α-cétoglutarate.
Rappel : Décarboxylation : Ce terme signifie littéralement "enlever une carboxyle", qui est un groupe fonctionnel contenant un carbone (C) et deux oxygènes (O₂). Lorsque ce groupe est enlevé, il se détache sous forme de CO₂.
Oxydative : Cette partie du terme indique que l'enlèvement du carbone est accompagné d'une réaction d'oxydation. Dans ce contexte, cela signifie que des électrons sont transférés d'une molécule à une autre, souvent à un coenzyme comme le NAD⁺, qui est réduit en NADH.
L'isocitrate subit une oxydation catalysée par l'enzyme isocitrate déshydrogénase. Les enzymes déshydrogénases jouent un rôle clé dans les réactions d'oxydoréduction. Elles facilitent le transfert d'électrons en retirant des atomes d'hydrogène (H) d'une molécule pour les transférer à une autre. Elles sont un peu comme des travailleurs sur un chantier qui transportent des briques (les atomes d'hydrogène) d'un endroit à un autre. Elles déplacent ces "briques" d'une molécule pour les déposer sur une autre
- Cette réaction entraîne la réduction de NAD⁺ en NADH, un coenzyme qui transporte des électrons à haute énergie. Ils seront utilisés pour produire de l'ATP plus tard.
- Après l'oxydation, l'isocitrate est décarboxylé, ce qui signifie qu'une molécule de dioxyde de carbone (CO₂) est libérée.
- Cette décarboxylation transforme l'isocitrate en un composé à cinq carbones appelé α-cétoglutarate.
Cette étape aide à réguler le cycle de Krebs, car l'enzyme isocitrate déshydrogénase est l'un des principaux points de contrôle métabolique du cycle.
Métaphore :
A la station Alpha-Cétoglutarate, l'adrénaline monte : une grande descente vertigineuse attend Marie ! Elle voit un siège être projeté vers une autre attraction appelée CO2, et sous la direction de l’excentrique Isocitrate déshydrogénase et sa tenue improbable,responsable énergétique de petites batteries énergétiques sont rapidement chargées et expédiées sur une navette NADH.
Etape 4 : Conversion de l'α-Cétoglutarate en Succinyl-CoA
- L'α-cétoglutarate, une molécule à cinq carbones, subit une décarboxylation oxydative. Cela signifie que la molécule perd un atome de carbone sous forme de dioxyde de carbone (CO₂).
- Cette étape est catalysée par un complexe enzymatique appelé α-cétoglutarate déshydrogénase.
- Pendant l'oxydation de l'α-cétoglutarate, des électrons sont transférés à une molécule de NAD⁺ la réduisant à NADH.
Formation du Succinyl-CoA :
- La perte de CO₂ transforme l'α-cétoglutarate en une molécule à quatre carbones appelée succinyl. Ensuite, cette molécule se lie au coenzyme A (CoA) pour former le succinyl-CoA.
Importance de cette étape
Cette étape est cruciale dans le cycle de Krebs pour plusieurs raisons :
- Elle est irréversible
- Elle produit un autre NADH, augmentant ainsi le potentiel de production d'ATP de la cellule.
- Elle libère une deuxième molécule de CO₂, complétant ainsi le processus de décarboxylation oxydative dans le cycle de Krebs.
- Elle crée une molécule riche en énergie, le succinyl-CoA, qui est un précurseur de la prochaine étape de la production d'énergie.
Le trajet entre Alpha-Cétoglutarate et Succinyl CoA est tout aussi mouvementé que le précédent. Un autre siège s'envole vers CO2, emportant l'ami de Marie.
Un CoA, se connecte aux sièges restants et leur livre un sandwich.
La responsable, l'Alpha-cétoglutarate déshydrogénase, tout aussi excentrique que sa collègue, envoie encore une fois une navette NADH chargée.
Etape 5 : Conversion du succinyl CoA en succinate
Dans cette étape, la succinyl-CoA synthétase catalyse la conversion de succinyl-CoA en succinate. Cette réaction est couplée à la production d'une molécule d’ATP ou de GTP (molécule qui joue un rôle similaire), qui est ensuite utilisée par la cellule comme source d'énergie.
- Libération de CoA : Le coenzyme A (CoA) est libéré du succinyl-CoA, formant le succinate.
Entrée transitoire d’un groupe phosphate qui va permettre de former l'ATP
Dans cette étape du cycle, le nombre de sièges sur la grande roue ne change pas, mais comme c'est une grande roue écologique, elle produit et récupère de l'énergie.
Une très sérieuse Kinase , habillée tout en noir, vient installer un petit groupe phosphate sur une batterie énergétique. Cela provoque le détachement d'une ATP prête à l'emploi. les sandwichs ayant été livrés le CoA retourne de là où il est venu.
Etape 6 : Oxydation du succinate en fumarate
- Le succinate est oxydé en fumarate par l'enzyme succinate déshydrogénase.
- Cette réaction libère deux électrons, qui sont captés par la molécule de FAD , réduisant celle-ci en FADH₂ qui est un transporteur d’électron comme le NADH.
- Cette étape contribue à la production d'énergie avec les électrons du FADH₂.
De Succinate à Fumarate, le vent souffle fort et des étincelles illuminent le ciel. Une autre déshydrogénase excentrique charge une navette FADH2, avant de laisser Marie poursuivre.
Etape 7 : Hydratation de fumarate en malate
Le fumarate se transforme en malate grâce à l’ajout d’une molécule d’eau, sous l'action de l'enzyme fumarase.
Entre Fumarate et Malate, on lance à Marie une bouteille d'eau pour se rafraîchir.
Etape 8 : Oxydation du malate en oxaloacétate
- Le malate est oxydé en oxaloacétate par l'enzyme malate déshydrogénase.
- Au cours de cette réaction, le cofacteur NAD⁺ est réduit en NADH, capturant ainsi de l'énergie sous forme d'électrons.
- L'oxaloacétate régénéré peut alors se combiner avec une nouvelle molécule d'acétyl-CoA pour recommencer un nouveau cycle.
La boucle est bouclée. L’oxaloacétate est prêt pour redémarrer un nouveau cycle.
La roue commence à ralentir, mais entre Malate et Oxaloacétate, une ultime accélération surprend Marie. La dernière déshydrogénase s'active pour envoyer une navette NADH, avant que Marie ne débarque, prête pour un nouveau tour.
Pendant ce tour, la grande roue a produit de l’énergie.
Quand on fait le bilan énergétique, on considère que chaque FADH2, permet de produire 2 ATP.
Chaque NADH permet de produire 3 ATP.
Le bilan est donc pour chaque tour si on part du pyruvate
de 4 NADH avec un équivalent de 12 ATP
de 1 FADH2 avec un équivalent de 2ATP
et 1 ATP produit directement
Soit un bilan énergétique de 15 ATP à partir du pyruvate et 12 ATP pour le cycle seul.
