Le cycle de Krebs en toute simplicité

Le cycle de Krebs, nommé d'après le prix Nobel de 1953 et physiologiste Hans Krebs, est une série de réactions métaboliques qui ont lieu dans le mitochondries de des cellules eucaryotes. Plus simplement, cela signifie que les bactéries n'ont pas la machinerie cellulaire pour le cycle de Krebs, elle se limite donc aux plantes, aux animaux et aux champignons.

Le glucose est la molécule qui est finalement métabolisée par les êtres vivants pour obtenir de l'énergie, sous forme de adénosine triphosphate ou ATP. Le glucose peut être stocké dans le corps sous de nombreuses formes; le glycogène n'est guère plus qu'une longue chaîne de molécules de glucose qui est stockée dans les cellules musculaires et hépatiques, tandis que les glucides, les protéines et les graisses alimentaires ont des composants qui peuvent être métabolisés en glucose sous forme de bien. Lorsqu'une molécule de glucose pénètre dans une cellule, elle est décomposée dans le cytoplasme en pyruvate.

Ce qui se passe ensuite dépend si le pyruvate entre dans la voie de respiration aérobie (le résultat habituel) ou la voie de fermentation du lactate (utilisé lors d'exercices de haute intensité ou de privation d'oxygène) avant qu'il ne permette finalement la production d'ATP et la libération de carbone dioxyde de carbone (CO

Le cycle de Krebs - également appelé cycle de l'acide citrique ou cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) - est la première étape de la voie aérobie, et il fonctionne pour synthétiser en permanence suffisamment d'une substance appelée oxaloacétate pour maintenir le cycle, même si, comme vous le verrez, ce n'est pas vraiment la "mission" du cycle. Le cycle de Krebs offre d'autres avantages comme bien. Parce qu'il comprend quelque huit réactions (et, par conséquent, neuf enzymes) impliquant neuf molécules, il est utile de développer des outils pour garder les points importants du cycle dans votre écouter.

Le glucose est un sucre à six carbones (hexose) qui, dans la nature, se présente généralement sous la forme d'un anneau. Comme tous les monosaccharides (monomères de sucre), il se compose de carbone, d'hydrogène et d'oxygène dans un rapport 1-2-1, avec une formule de C₆H₁₂O₆. C'est l'un des produits finaux du métabolisme des protéines, des glucides et des acides gras et sert de carburant dans tous les types d'organismes, des bactéries unicellulaires aux êtres humains et aux animaux plus gros.

Glycolyse est anaérobie au sens strict de "sans oxygène". Autrement dit, les réactions se déroulent si O₂ est présent dans les cellules ou non. Attention à bien faire la distinction entre "oxygène ne doit pas être présent », bien que ce soit le cas de certaines bactéries qui sont en fait tuées par l'oxygène et sont connues sous le nom d'anaérobies obligatoires.

Dans les réactions de glycolyse, le glucose à six atomes de carbone est initialement phosphorylé, c'est-à-dire qu'il est associé à un groupe phosphate. La molécule résultante est une forme phosphorylée de fructose (sucre de fruit). Cette molécule est ensuite phosphorylée une seconde fois. Chacune de ces phosphorylations nécessite une molécule d'ATP, qui sont toutes deux converties en adénosine diphosphate, ou ADP. La molécule à six carbones est ensuite convertie en deux molécules à trois carbones, qui sont rapidement converties en pyruvate. En cours de route, lors du traitement des deux molécules, 4 ATP sont produits à l'aide de deux molécules de NAD+ (nicotinamide adénine dinucléotide) qui sont converties en deux molécules de NADH. Ainsi pour chaque molécule de glucose qui entre dans la glycolyse, un filet de deux ATP, deux pyruvate et deux NADH sont produits, tandis que deux NAD+ sont consommés.

Comme indiqué précédemment, le devenir du pyruvate dépend des exigences métaboliques et de l'environnement de l'organisme en question. Chez les procaryotes, la glycolyse et la fermentation fournissent presque tous les besoins énergétiques de la cellule unique, bien que certains de ces organismes aient évolué chaînes de transport d'électrons qui leur permettent de utiliser l'oxygène pour libérer l'ATP des métabolites (produits) de la glycolyse. Chez les procaryotes ainsi que chez tous les eucaryotes sauf la levure, s'il n'y a pas d'oxygène disponible ou si les besoins énergétiques de la cellule ne peuvent pas être entièrement satisfaits par respiration aérobie, le pyruvate est converti en acide lactique par fermentation sous l'influence de l'enzyme lactate déshydrogénase, ou LDH.

Le pyruvate destiné au cycle de Krebs se déplace du cytoplasme à travers la membrane des organites cellulaires (composants fonctionnels du cytoplasme) appelés mitochondries. Une fois dans la matrice mitochondriale, qui est une sorte de cytoplasme pour les mitochondries elles-mêmes, elle est convertie sous l'influence de l'enzyme pyruvate déshydrogénase en un autre composé à trois carbones appelé acétyl coenzyme Un ou acétyl-CoA. De nombreuses enzymes peuvent être sélectionnées dans une gamme chimique en raison du suffixe "-ase" qu'elles partagent.

À ce stade, vous devriez vous servir d'un diagramme détaillant le cycle de Krebs, car c'est le seul moyen de suivre de manière significative; voir les ressources pour un exemple.

La raison pour laquelle le cycle de Krebs est nommé ainsi est que l'un de ses principaux produits, l'oxaloacétate, est également un réactif. C'est-à-dire que lorsque l'acétyl-CoA à deux carbones créé à partir du pyruvate entre dans le cycle "en amont", il réagit avec l'oxaloacétate, une molécule à quatre carbones, et forme le citrate, une molécule à six carbones. Le citrate, molécule symétrique, comprend trois groupes carboxyle, qui ont la forme (-COOH) sous leur forme protonée et (-COO-) sous leur forme non protonée. C'est ce trio de groupes carboxyle qui donne le nom d'« acide tricarboxylique » à ce cycle. La synthèse est entraînée par l'ajout d'une molécule d'eau, ce qui en fait une réaction de condensation, et la perte de la partie coenzyme A de l'acétyl CoA.

Le citrate est ensuite réarrangé en une molécule avec les mêmes atomes dans un arrangement différent, qui s'appelle à juste titre isocitrate. Cette molécule dégage alors un CO₂ pour devenir le composé à cinq carbones α-cétoglutarate, et à l'étape suivante, la même chose se produit, le α-cétoglutarate perdant un CO₂ tout en regagnant une coenzyme A pour devenir succinyl CoA. Cette molécule à quatre carbones devient succinate avec la perte de CoA, et est ensuite réarrangée en un cortège d'acides déprotonés à quatre carbones: fumarate, malate et enfin oxaloacétate.

Les molécules centrales du cycle de Krebs sont donc, dans l'ordre,

1. Acétyl CoA
   
2. Citrate
   
3. Isociter
   
4. α-cétoglutarate 
   
5. Succinyl CoA
   
6. succinate
   
7. Fumarate
   
8. Malate
   
9. Oxaloacétate
   

Cela omet les noms des enzymes et un certain nombre de co-réactifs critiques, parmi lesquels NAD+/NADH, la paire de molécules similaires FAD/FADH₂ (flavine adénine dinucléotide) et CO₂.

Notez que la quantité de carbone au même point dans n'importe quel cycle reste la même. L'oxaloacétate capte deux atomes de carbone lorsqu'il se combine avec l'acétyle CoA, mais ces deux atomes sont perdus dans la première moitié du cycle de Krebs sous forme de CO₂ dans des réactions successives dans lesquelles le NAD+ est également réduit en NADH. (En chimie, pour simplifier quelque peu, les réactions de réduction ajoutent des protons tandis que les réactions d'oxydation les suppriment.) En regardant le processus dans son ensemble et en examinant seulement ces réactifs et produits à deux, quatre, cinq et six carbones, il n'est pas immédiatement clair pourquoi les cellules s'engageraient dans quelque chose qui ressemble à un Ferris biochimique roue, avec différents coureurs de la même population étant chargés sur et hors de la roue mais rien ne change à la fin de la journée à l'exception d'un grand nombre de tours de la la roue.

Le but du cycle de Krebs est plus évident lorsque vous regardez ce qui arrive aux ions hydrogène dans ces réactions. À trois endroits différents, un NAD+ collecte un proton et à un autre endroit, un FAD collecte deux protons. Considérez les protons – en raison de leur effet sur les charges positives et négatives – comme des paires d'électrons. De ce point de vue, le point du cycle est l'accumulation de paires d'électrons à haute énergie à partir de petites molécules de carbone.

Vous remarquerez peut-être que deux molécules critiques qui devraient être présentes dans la respiration aérobie sont absentes du cycle de Krebs: l'oxygène (O₂) et l'ATP, la forme d'énergie directement utilisée par les cellules et les tissus pour effectuer des travaux tels que la croissance, la réparation, etc. Encore une fois, c'est parce que le cycle de Krebs sert de table aux réactions en chaîne de transport d'électrons qui se produisent à proximité, dans la membrane mitochondriale plutôt que dans la matrice mitochondriale. Les électrons récoltés par les nucléotides (NAD+ et FAD) dans le cycle sont utilisés "en aval" lorsqu'ils sont acceptés par les atomes d'oxygène dans la chaîne de transport. Le cycle de Krebs enlève en effet les matériaux précieux dans une bande transporteuse circulaire apparemment banale et les exporte vers un centre de traitement à proximité où la véritable équipe de production est au travail.

Notez également que les réactions apparemment inutiles dans le cycle de Krebs (après tout, pourquoi prendre huit étapes pour accomplir ce qui pourrait être fait dans peut-être trois ou quatre ?) génèrent des molécules qui, bien qu'intermédiaires dans le cycle de Krebs, peuvent servir de réactifs dans des réactions.

Pour référence, NAD accepte un proton aux étapes 3, 4 et 8, et dans les deux premiers de ces CO₂ est versé; une molécule de guanosine triphosphate (GTP) est produite à partir de GDP à l'étape 5; et FAD accepte deux protons à l'étape 6. À l'étape 1, CoA « part », mais « revient » à l'étape 4. En fait, seule l'étape 2, le réarrangement du citrate en isocitrate, est "silencieuse" en dehors des molécules de carbone dans la réaction.

En raison de l'importance du cycle de Krebs en biochimie et en physiologie humaine, des étudiants, des professeurs et d'autres sont venus avec un certain nombre de mnémoniques, ou des moyens de se souvenir des noms, pour aider à se souvenir des étapes et des réactifs dans les Krebs cycle. Si l'on ne souhaite retenir que les réactifs carbonés, intermédiaires et produits, il est possible de travailler à partir des premières lettres des composés successifs tels qu'ils apparaissent (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; ici, notez que "coenzyme A" est représenté par un petit "c"). Vous pouvez créer une phrase personnalisée lapidaire à partir de ces lettres, les premières lettres des molécules servant de premières lettres dans les mots de la phrase.

Une façon plus sophistiquée de procéder consiste à utiliser un mnémonique qui vous permet de suivre le nombre de carbone atomes à chaque étape, ce qui peut vous permettre de mieux intérioriser ce qui se passe d'un point de vue biochimique du tout fois. Par exemple, si vous laissez un mot de six lettres représenter l'oxaloacétate à six carbones, et en conséquence pour des mots et des molécules plus petits, vous pouvez produire un schéma qui est à la fois utile comme dispositif de mémoire et comme information riche. Un contributeur au "Journal of Chemical Education" a proposé le idée suivante:

1. Seul
   
2. Picotement
   
3. Enchevêtrement 
   
4. Mutiler
   
5. Gale
   
6. Crinière
   
7. Sain
   
8. A chanté
   
9. Chanter
   

Ici, vous voyez un mot de six lettres formé d'un mot (ou groupe) de deux lettres et d'un mot de quatre lettres. Chacune des trois étapes suivantes comprend une seule substitution de lettre sans perte de lettres (ou « carbone »). Les deux étapes suivantes impliquent chacune la perte d'une lettre (ou, encore une fois, du « carbone »). Le reste du schéma préserve l'exigence du mot de quatre lettres de la même manière que les dernières étapes du cycle de Krebs incluent des molécules à quatre carbones différentes et étroitement liées.

En dehors de ces dispositifs spécifiques, vous trouverez peut-être intéressant de dessiner vous-même une cellule complète ou une partie d'une cellule entourant un mitochondrie, et esquissez les réactions de la glycolyse avec autant de détails que vous le souhaitez dans la partie cytoplasmique et le cycle de Krebs dans le partie de la matrice mitochondriale. Vous montreriez, dans ce croquis, le pyruvate transporté à l'intérieur des mitochondries, mais vous pourriez également dessiner une flèche menant à la fermentation, qui se produit également dans le cytoplasme.