Le cycle de Krebs, aussi appelé cycle des acides tricarboxyliques ou cycle de l'acide citrique par anglicisme, est une voie métabolique présente chez tous les organismes aérobies et dont la fonction première est d'oxyder les groupes acétyle, issus notamment de la dégradation des glucides, des lipides et des protéines, pour en récupérer l'énergie sous forme de huit électrons à haut potentiel de transfert et d'une molécule de GTP ou d'ATP ; les électrons à haut potentiel de transfert, récupérés sur le NADH et l'ubiquinol (, ou coenzyme réduite), circulent ensuite à travers la chaîne respiratoire pour former à leur tour des molécules d’ATP supplémentaires par la phosphorylation oxydative.
Ce cycle a été découvert par étapes dans les années 1930, plusieurs de ses éléments ayant été identifiés par le biologiste moléculaire hongrois Albert Szent-Györgyi. tandis que son fonctionnement cyclique était mis en évidence par le biochimiste allemand Hans Adolf Krebs en 1937.. Il se déroule dans le cytoplasme des procaryotes et dans les mitochondries des eucaryotes. Il s'agit d'un cycle car le dernier métabolite, l'oxaloacétate, est aussi impliqué dans la première réaction. La première étape consiste à transférer le groupe acétyle de l'acétyl-CoA sur de l'oxaloacétate pour former du citrate, lequel a donné son nom au cycle en anglais et dans les langues germaniques. Les étapes suivantes forment une séquence de réactions, catalysées chacune par une enzyme spécifique, qui conduit à l'oxydation progressive du groupe acétyle en deux molécules de dioxyde de carbone (). Ce faisant, ce cycle produit également des précurseurs pour la biosynthèse de certains acides aminés protéinogènes, tandis que le NADH peut être utilisé dans un grand nombre de réactions biochimiques.
Le cycle de Krebs est le point final commun de la dégradation des polyholosides (glycolyse, voie des pentoses phosphates), des lipides (β-oxydation) et des acides aminés, qui aboutissent à la formation d'acétyl-CoA ; ce dernier est une forme de transport des groupes acétyle provenant du pyruvate. Il existe par ailleurs des réactions d'échappement au cycle qui permettent diverses biosynthèses ; le cycle du glyoxylate, absent chez les animaux mais présent notamment chez les plantes, est un exemple parmi d'autres de telles voies métaboliques utilisant le cycle de Krebs.
Le fait que le cycle de Krebs soit indispensable à de nombreuses voies métaboliques, tant anaboliques que cataboliques, suggère qu'il a probablement été l'un des premiers éléments fondateurs du métabolisme cellulaire à s'être mis en place au cours de l'évolution, peut-être par abiogenèse. Il est apparenté à des réactions se produisant chez les bactéries anaérobies et aurait évolué en plusieurs fois ; il existe théoriquement plusieurs alternatives au cycle de Krebs, mais ce dernier semble être le plus efficace : si plusieurs alternatives ont évolué indépendamment, elles ont dû toutes converger vers le cycle de Krebs.
Étapes du cycle de Krebs
redresse=2.25|vignette|Cycle de Krebs avec ses huit enzymes nommées en rouge et, à l'intérieur de celui-ci, le cycle du glyoxylate participant à l'anabolisme des plantes, des champignons, des protistes et des bactéries.
Le tableau ci-dessous résume les dix étapes du cycle de Krebs, catalysées par huit enzymes différentes. Ces étapes sont remarquablement conservées selon les espèces, mais les enzymes peuvent en revanche différer assez sensiblement d'un organisme à un autre. Les réactions et les enzymes présentées dans ce tableau sont celles qui prévalent chez les mammifères.
Un moyen mnémotechnique facile pour se rappeler les différentes molécules qui se succèdent dans le cycle de Krebs, est la phrase: Si le citron isole l’acétone, le succinct succès fumera moins haut.
Citrate, cis-aconitate, isocitrate, alpha-cétoglutarate, succinyl-coenzyme, succinate, fumarate, malate, oxaloacétate.
Substrats Produits Enzyme Type de réaction Remarques 1 Oxaloacétate+ Acétyl-CoA Citrate+ CoA-SH Citrate-synthase() Crotonisation Irréversible, allonge l'oxaloacétate (4C) en une molécule à six atomes de carbone 2 Citrate cis-Aconitate+ Aconitase() DéshydratationIsomérisation réversible 3 cis-Aconitate+ Isocitrate Hydratation 4 Isocitrate+ NAD+ Oxalosuccinate+ NADH + H+Isocitrate-déshydrogénase() Oxydation Produit du NADH (équivalent à ) 5 Oxalosuccinate α-Cétoglutarate+ Décarboxylation Réaction limitante,étape irréversible,produisant une molécule à cinq atomes de carbone. 6 α-Cétoglutarate+ NAD++ CoA-SH Succinyl-CoA+ NADH + H++ Complexe α-cétoglutarate-déshydrogénase() Décarboxylationoxydative Étape irréversible,produisant du NADH (équivalent à ),conduisant à une molécule à quatre atomes de carbone (hors coenzyme A) 7 Succinyl-CoA+ GDP + Pi Succinate+ CoA-SH+ GTP Succinyl-CoA-synthétase() Phosphorylation ou ADP → ATP à la place de GDP → GTP,produit une molécule d'ATP ou d'un équivalent La réaction de condensation du GDP avec le Pi et l'hydrolyse de la succinyl-CoA implique la molécule d' requise pour l'équilibre de la réaction. 8 Succinate+ Fumarate+ (ubiquinol) Succinate-déshydrogénase() Oxydation Utilise le FAD comme groupement prosthétique( à la première étape de la réaction),équivalent à 9 Fumarate+ L-Malate Fumarase() Hydratation 10 L-Malate+ NAD+ Oxaloacétate+ NADH + H+ Malate-déshydrogénase() Oxydation Réversible (en réalité, l'équilibre favorise la formation du L-malate),produit du NADH (équivalent à )
Synthèse du citrate
La citrate-synthase condense l'oxaloacétate et l'acétyl-CoA en citrate avec libération de la coenzyme A. Il se forme un intermédiaire transitoire, la citroyl-CoA. La liaison thioester de l'acétyl-CoA est une liaison à haut potentiel d'hydrolyse. Le couplage des activités hydrolase et synthase rend la réaction de synthèse thermodynamiquement possible. Cette réaction est une étape régulatrice du cycle, avec comme effecteur négatif sur la vitesse de réaction la succinyl-CoA, le NADH, l'acétyl-CoA, le citrate et l'ATP.
{| align="center" |- align="center" valign="middle" | 125px|class=skin-invert-image | + acétyl-CoA + → CoA + | 140px|class=skin-invert-image |- align="center" valign="middle" | Oxaloacétate
| Citrate |- align="center" valign="middle" | colspan="3" bgcolor="ffffd0" | Citrate-synthase –
Déshydratation du citrate
L'aconitase, une lyase, catalyse la déshydratation du citrate en cis-aconitate. Bien que la molécule de citrate semble être symétrique, on a montré que le départ d'eau a lieu entre les atomes de carbone issus de l'oxaloacétate :
{| align="center" |- align="center" valign="middle" | 160px|class=skin-invert-image | + | 160px|class=skin-invert-image |- align="center" valign="middle" | Citrate
| cis-Aconitate |- align="center" valign="middle" | colspan="3" bgcolor="ffffd0" | Aconitase –
Hydratation du cis-aconitate
L'aconitase catalyse également l'hydratation du cis-aconitate en isocitrate :
{| align="center" |- align="center" valign="middle" | 160px|class=skin-invert-image | + | 160px|class=skin-invert-image |- align="center" valign="middle" | cis-Aconitate
| Isocitrate |- align="center" valign="middle" | colspan="3" bgcolor="ffffd0" | Aconitase –
Les deux étapes précédentes, catalysées par l'aconitase, aboutissent à l'isomérisation du citrate en isocitrate :
{| align="center" |- align="center" valign="middle" | 160px|class=skin-invert-image | + | 160px|class=skin-invert-image
| 160px|class=skin-invert-image |- align="center" valign="middle" | Citrate
| cis-Aconitate
| Isocitrate |- align="center" valign="middle" | colspan="5" bgcolor="ffffd0" | Aconitase –
Oxydation de l’isocitrate
L'isocitrate-déshydrogénase, une oxydoréductase, catalyse l'oxydation de l'isocitrate en oxalosuccinate :
{| align="center" |- align="center" valign="middle" | 160px|class=skin-invert-image | + NAD+ NADH + H+ + | 160px|class=skin-invert-image |- align="center" valign="middle" | Isocitrate
| Oxalosuccinate |- align="center" valign="middle" | colspan="3" bgcolor="ffffd0" | Isocitrate-déshydrogénase –
Les eucaryotes utilisent une isocitrate déshydrogénase NAD+-dépendante (), qui exige comme cofacteur des ions Mn2+ ou Mg2+. Les procaryotes utilisent quant à eux une isocitrate déshydrogénase NADP+-dépendante ().
Décarboxylation de l'oxalosuccinate
L'isocitrate-déshydrogénase catalyse également la décarboxylation de l'oxalosuccinate, instable, en α-cétoglutarate avec dégagement de , en une réaction irréversible :
{| align="center" |- align="center" valign="middle" | 160px|class=skin-invert-image | → + | 160px|class=skin-invert-image |- align="center" valign="middle" | Oxalosuccinate
| α-Cétoglutarate |- align="center" valign="middle" | colspan="3" bgcolor="ffffd0" | Isocitrate-déshydrogénase –
C'est également une étape régulatrice du cycle, avec comme effecteurs négatifs le NADH et l'ATP. La présence d'ADP favorise au contraire l'activité de l'isocitrate déshydrogénase, et ainsi la vitesse de cette réaction.
Décarboxylation oxydative de l'α-cétoglutarate
Le complexe α-cétoglutarate-déshydrogénase catalyse la décarboxylation oxydative de l'α-cétoglutarate en succinyl-CoA avec production de NADH+H+ et dégagement de . C'est une réaction semblable à celle convertissant le pyruvate en acétyl-CoA, catalysée par le complexe pyruvate-déshydrogénase. Ce complexe enzymatique fait intervenir successivement trois enzymes — l'α-cétoglutarate-déshydrogénase, la dihydrolipoamide-S-succinyltransférase et la dihydrolipoyl-déshydrogénase — et cinq cofacteurs : le TPP, le lipoamide, la coenzyme A, le FAD et le NAD+. Cette réaction est irréversible.
{| align="center" |- align="center" valign="middle" | 160px|class=skin-invert-image | + CoA-SH + NAD+ → NADH + H+ + + | 175px|class=skin-invert-image |- align="center" valign="middle" | α-Cétoglutarate
| Succinyl-CoA |- align="center" valign="middle" | colspan="3" bgcolor="ffffd0" | Complexe α-cétoglutarate-déshydrogénase –
Le NADH, le GTP et la succinyl-CoA sont des effecteurs négatifs sur l'activité du complexe enzymatique.
Formation du succinate
La succinyl-CoA-synthétase, ou succinate thiokinase, convertit la succinyl-CoA en succinate et coenzyme A avec formation d'une molécule de GTP chez les animaux ou d'ATP chez les plantes et les bactéries. Cette réaction est réversible.
{| align="center" |- align="center" valign="middle" | 175px|class=skin-invert-image | + GDP/ADP + Pi GTP/ATP + CoA + | 140px|class=skin-invert-image |- align="center" valign="middle" | Succinyl-CoA
| Succinate |- align="center" valign="middle" | colspan="3" bgcolor="ffffd0" | succinyl-CoA-synthétase (formant GTP/ATP) – /
Oxydation du succinate
La succinate-déshydrogénase, une oxydoréductase, catalyse l'oxydation du succinate en fumarate avec réduction concomitante de l'ubiquinone (coenzyme ) en ubiquinol (). Cette enzyme flavoprotéique à FAD est le complexe de la chaîne respiratoire. Elle est inhibée par le malonate. Le FAD étant un groupe prosthétique lié de manière covalente à l'enzyme, il ne fait que transmettre les électrons et protons au « vrai » substrat .
{| align="center" |- align="center" valign="middle" | 140px|class=skin-invert-image | + FAD + | 140px|class=skin-invert-image |- align="center" valign="middle" | Succinate
| Fumarate |- align="center" valign="middle" | colspan="3" bgcolor="ffffd0" | Succinate-déshydrogénase –
Cette réaction est la quatrième et dernière réaction régulatrice du cycle. Le malonate est ici l'inhibiteur compétitif.
Hydratation du fumarate
La fumarase, une lyase, catalyse l'hydratation du fumarate en L-malate.
{| align="center" |- align="center" valign="middle" | 140px|class=skin-invert-image | + | 140px|class=skin-invert-image |- align="center" valign="middle" | Fumarate
| L-Malate |- align="center" valign="middle" | colspan="3" bgcolor="ffffd0" | Fumarase –
Oxydation du malate : fermeture du cycle