7.3 Oxydation du pyruvate et cycle de l’acide citrique

Objectifs d’apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de faire ce qui suit :

• Expliquer comment une voie circulaire, comme le cycle de l’acide citrique, diffère fondamentalement d’une voie biochimique linéaire, comme la glycolyse
• Décrire comment le pyruvate, produit de la glycolyse, est préparé en vue de son entrée dans le cycle de l’acide citrique

Si de l’oxygène est disponible, la respiration aérobie ira de l’avant. Dans les cellules eucaryotes, les molécules de pyruvate produites à la fin de la glycolyse sont transportées dans les mitochondries, qui sont les sites de respiration cellulaire. Là, le pyruvate est transformé en un groupement acétyle qui sera ramassé et activé par un composé porteur appelé coenzyme A (acétyl-coenzyme A). Le composé qui en résulte est appelé acétyl-coenzyme A. L’acétyl-coenzyme A est dérivé de la vitamine B5, l’acide pantothénique. L’acétyl-coenzyme A peut être utilisé de diverses façons par la cellule, mais sa fonction principale est d’administrer le groupement acétyle dérivé du pyruvate à l’étape suivante de la voie du catabolisme du glucose.

Ventilation du pyruvate

Pour que le pyruvate, produit de la glycolyse, entre dans la voie suivante, il doit subir plusieurs changements. La conversion est un processus en trois étapes (Figure 7.10).

Étape 1. Un groupement carboxyle est éliminé du pyruvate, libérant une molécule de dioxyde de carbone dans le milieu environnant. Cette réaction crée un groupement hydroxyéthyle à deux carbones lié à l’enzyme (pyruvate déshydrogénase). Il convient de noter qu’il s’agit du premier des six carbones de la molécule de glucose originale à être éliminé. (Cette étape a lieu deux fois parce qu’il y a deux molécules de pyruvate produites à la fin de la glycolyse pour chaque molécule de glucose métabolisée en anaérobiose ; par conséquent, deux des six carbones auront été éliminés à la fin des deux étapes.)

Étape 2. Le groupement hydroxyéthyle est oxydé en un groupement acétyle, et les électrons sont captés par NAD⁺, formant ainsi du NADH. Les électrons de haute énergie provenant du NADH seront utilisés plus tard pour produire de l’ATP.

Étape 3. Le groupement acétyle lié à l’enzyme est transféré dans la coenzyme A, ce qui produit une molécule d’acétyl-coenzyme A.

Il est à noter qu’au cours de la deuxième étape du métabolisme du glucose, chaque fois qu’un atome de carbone est éliminé, il est lié à deux atomes d’oxygène, ce qui produit du dioxyde de carbone, l’un des principaux produits finaux de la respiration cellulaire.

Acétyl-coenzyme A au CO2

En présence d’oxygène, l’acétyl-coenzyme A envoie son groupement acétyle (2C) à une molécule à quatre carbones, l’oxaloacétate, pour former du citrate, une molécule à six carbones avec trois groupements carboxyles ; cette voie permettra de récolter le reste de l’énergie extractible de ce qui a commencé comme une molécule de glucose et de libérer les quatre molécules de CO₂ restantes. Cette voie unique est appelée par différents noms : le cycle de l’acide citrique (pour le premier intermédiaire formé — l’acide citrique, ou citrate — lorsque l’acétate se joint à l’oxaloacétate), le cycle TCA (parce que l’acide citrique ou le citrate et l’isocitrate sont des acides tricarboxyliques) et le cycle de Krebs, après Hans Krebs, qui a identifié les étapes de la voie dans les années 1930 dans les muscles de vol des pigeons.

Cycle de l’acide citrique

Tout comme la conversion du pyruvate en acétyl-coenzyme A, le cycle de l’acide citrique se déroule dans la matrice des mitochondries. Presque toutes les enzymes du cycle de l’acide citrique sont solubles, à l’exception de l’enzyme succinate déshydrogénase, qui est incorporée dans la membrane interne de la mitochondrie. Contrairement à la glycolyse, le cycle de l’acide citrique est une boucle fermée : la dernière partie de la voie régénère le composé utilisé à la première étape. Les huit étapes du cycle sont une série de réactions d’oxydoréduction, de déshydratation, d’hydratation et de décarboxylation qui produisent deux molécules de dioxyde de carbone, un GTP/ATP, et les vecteurs réduits NADH et FADH₂ (Figure 7.11). Il s’agit d’une voie aérobie, car le NADH et le FADH₂ produits doivent transférer leurs électrons vers la voie suivante du système, qui utilisera de l’oxygène. Si ce transfert n’a pas lieu, les étapes d’oxydation du cycle de l’acide citrique ne se produisent pas non plus. Il est à noter que le cycle de l’acide citrique produit très peu d’ATP directement et ne consomme pas directement d’oxygène.

Étapes du cycle de l’acide citrique

Étape 1. Avant la première étape, une phase de transition se produit au cours de laquelle l’acide pyruvique est converti en acétyl-coenzyme A. Ensuite, la première étape du cycle commence : Cette étape de condensation combine le groupement acétyle bicarboné avec une molécule d’oxaloacétate de quatre carbones pour former une molécule de citrate à six carbones. L’acétyl-coenzyme A est lié à un groupement sulfhydryle (-SH) et se diffuse pour finalement se combiner à un autre groupement acétyle. Cette étape est irréversible parce qu’elle est très exergonique. La vitesse de cette réaction est contrôlée par la rétroaction négative et la quantité d’ATP disponible. Si les niveaux d’ATP augmentent, le taux de cette réaction diminue. Si l’ATP est en pénurie, le tarif augmente.

Étape 2. À la deuxième étape, le citrate perd une molécule d’eau et en gagne une autre lorsque le citrate est converti en son isomère, l’isocitrate.

Étape 3. À la troisième étape, l’isocitrate est oxydé, produisant une molécule de cinq carbones, l’α cétoglutarate, ainsi qu’une molécule de CO₂ et deux électrons, ce qui réduit le NAD⁺ en NADH. Cette étape est également réglementée par la rétroaction négative de l’ATP et du NADH et par un effet positif d’ADP.

Étape 4. Les étapes 3 et 4 sont à la fois des étapes d’oxydation et de décarboxylation qui, comme nous l’avons vu, libèrent des électrons qui réduisent le NAD⁺ en NADH et libèrent des groupements carboxyliques qui forment des molécules de CO₂. L’alpha-cétoglutarate est le produit de l’étape 3, et un groupement succinyle est le produit de l’étape 4. La CoA se lie au groupement succinyle pour former du succinyle CoA. L’enzyme qui catalyse la quatrième étape est régulée par l’inhibition de rétroaction de l’ATP, du succinyl CoA et du NADH.

Étape 5. À l’étape 5, un groupement carboxyle est substitué à la coenzyme A et une liaison à haute énergie est formée. Cette énergie est utilisée dans la phosphorylation au niveau du substrat (lors de la conversion du groupement succinyle en succinate) pour former la guanine triphosphate (GTP) ou l’ATP. Il existe deux formes d’enzyme, appelées isoenzymes, pour cette étape, selon le type de tissu animal dans lequel elles se trouvent. Une forme se trouve dans les tissus qui utilisent de grandes quantités d’ATP, comme les muscles cardiaques et squelettiques. Ce formulaire produit l’ATP. La deuxième forme de l’enzyme se trouve dans les tissus qui ont un nombre élevé de voies anabolisantes, comme le foie. Ce formulaire produit le GTP. Le GTP est équivalent sur le plan énergétique à l’ATP, mais son utilisation est plus restreinte. En particulier, la synthèse des protéines utilise principalement le GTP.

Étape 6. La sixième étape est un processus de déshydratation qui convertit le succinate en fumarate. Deux atomes d’hydrogène sont transférés au FAD⁺, ce qui le réduit en FADH₂. (Remarque : l’énergie contenue dans les électrons de ces hydrogènes est insuffisante pour réduire le NAD⁺, mais suffisante pour réduire la FAD⁺.) Contrairement au NADH, ce vecteur demeure attaché à l’enzyme et transfère les électrons directement à la chaîne de transport des électrons. Ce procédé est rendu possible par la localisation de l’enzyme catalysant cette étape à l’intérieur de la membrane interne de la mitochondrie.

Étape 7. L’eau est ajoutée par hydrolyse au fumarate au cours de l’étape sept, et du malate est produit. La dernière étape du cycle de l’acide citrique régénère l’oxaloacétate en oxydant le malate. Une autre molécule de NADH est ensuite produite au cours du procédé.

Produits du cycle de l’acide citrique

Deux atomes de carbone entrent dans le cycle de l’acide citrique de chaque groupement acétyle, représentant quatre des six carbones d’une molécule de glucose. Deux molécules de dioxyde de carbone sont libérées à chaque tour du cycle ; toutefois, elles ne contiennent pas nécessairement les plus récents atomes de carbone ajoutés. Les deux atomes de carbone d’acétyle finiront par être libérés à la fin du cycle ; par conséquent, les six atomes de carbone de la molécule de glucose originale sont éventuellement incorporés dans le dioxyde de carbone. Chaque tour du cycle forme trois molécules de NADH et une molécule FADH₂. Ces vecteurs se raccorderont à la dernière partie de la respiration aérobie, la chaîne de transport des électrons, pour produire des molécules ATP. Un GTP ou un ATP est également établi dans chaque cycle. Plusieurs des composés intermédiaires du cycle de l’acide citrique peuvent être utilisés dans la synthèse d’acides aminés non essentiels ; par conséquent, le cycle est amphibolique (catabolique et anabolisant).