Décarboxylation du pyruvate, cycle de Krebs et bêta-oxydation des acides gras

Dans la mitochondrie, le pyruvate issu de la glycolyse et les acides gras convergent vers un même intermédiaire, l'acétyl-CoA, que le cycle de Krebs oxyde complètement en CO₂ en produisant les coenzymes réduits destinés à la chaîne respiratoire. Ce chapitre décrit le complexe pyruvate déshydrogénase, les huit réactions du cycle, sa régulation, puis la β-oxydation. Les bilans énergétiques du glucose et du palmitate sont des exercices classiques des examens de S4.

1. La décarboxylation oxydative du pyruvate

Le pyruvate traverse la membrane interne grâce à un transporteur spécifique et, dans la matrice mitochondriale, subit une décarboxylation oxydative irréversible par le complexe pyruvate déshydrogénase (PDH) : pyruvate + CoA-SH + NAD⁺ → acétyl-CoA + CO₂ + NADH + H⁺. Ce complexe géant associe trois enzymes (E1 pyruvate déshydrogénase, E2 dihydrolipoyl transacétylase, E3 dihydrolipoyl déshydrogénase) et cinq coenzymes : thiamine pyrophosphate (B1), lipoate, coenzyme A (B5), FAD (B2) et NAD⁺ (B3). Ce lien entre glycolyse et cycle de Krebs est strictement régulé : le complexe est inhibé par ses produits (acétyl-CoA, NADH) et par phosphorylation (PDH kinase, activée par l'ATP, le NADH et l'acétyl-CoA), et réactivé par une phosphatase stimulée par le Ca²⁺ et l'insuline. La carence en thiamine (béribéri) et l'arsenic, qui bloque le lipoate, en compromettent l'activité.

2. Les huit réactions du cycle de Krebs

Le cycle de Krebs (cycle de l'acide citrique ou des acides tricarboxyliques, décrit par Hans Krebs en 1937) est une séquence matricielle de huit réactions. (1) La citrate synthase condense l'acétyl-CoA (C₂) et l'oxaloacétate (C₄) en citrate (C₆), réaction fortement exergonique grâce à l'hydrolyse du thioester. (2) L'aconitase isomérise le citrate en isocitrate via le cis-aconitate. (3) L'isocitrate déshydrogénase oxyde et décarboxyle l'isocitrate en α-cétoglutarate (C₅) : premier NADH, premier CO₂. (4) Le complexe α-cétoglutarate déshydrogénase, analogue de la PDH avec les mêmes cinq coenzymes, produit le succinyl-CoA : deuxième NADH, deuxième CO₂. (5) La succinyl-CoA synthétase utilise l'énergie du thioester pour former un GTP (ou ATP) : c'est l'unique phosphorylation au niveau du substrat du cycle. (6) La succinate déshydrogénase, enzyme à FAD ancrée dans la membrane interne (complexe II), oxyde le succinate en fumarate : FADH₂. (7) La fumarase hydrate le fumarate en L-malate. (8) La malate déshydrogénase régénère l'oxaloacétate : troisième NADH. Cette dernière réaction a un ΔG°' très positif mais est tirée par la consommation immédiate de l'oxaloacétate par la citrate synthase.

Bilan par tour : acétyl-CoA + 3 NAD⁺ + FAD + GDP + Pi + 2 H₂O → 2 CO₂ + 3 NADH + 3 H⁺ + FADH₂ + GTP + CoA-SH. Les deux carbones de l'acétyle entrent dans le cycle mais ceux qui sortent sous forme de CO₂ au premier tour proviennent de l'oxaloacétate. Le cycle est strictement aérobie bien qu'il n'utilise pas directement l'O₂, car les NADH et FADH₂ ne peuvent être réoxydés que par la chaîne respiratoire. En comptant 2,5 ATP par NADH et 1,5 par FADH₂, un tour vaut 10 ATP (12 dans le bilan classique).

3. Régulation et rôle amphibolique du cycle

Le flux du cycle est ajusté à la demande énergétique en trois points : la citrate synthase (inhibée par l'ATP, le NADH, le succinyl-CoA et le citrate), l'isocitrate déshydrogénase (activée par l'ADP et le Ca²⁺, inhibée par l'ATP et le NADH) et l'α-cétoglutarate déshydrogénase (inhibée par le succinyl-CoA et le NADH, activée par le Ca²⁺). Le rapport NADH/NAD⁺ et la disponibilité en oxaloacétate sont les régulateurs dominants. Le cycle est amphibolique : catabolique par l'oxydation de l'acétyl-CoA, il est aussi anabolique car ses intermédiaires sont prélevés pour les biosynthèses. Le citrate exporté vers le cytosol fournit l'acétyl-CoA de la synthèse des acides gras et du cholestérol, l'α-cétoglutarate donne le glutamate, l'oxaloacétate l'aspartate et le glucose (néoglucogenèse), le succinyl-CoA l'hème. Les réactions anaplérotiques compensent ces prélèvements : pyruvate carboxylase, enzyme malique en sens inverse, transamination de l'aspartate et du glutamate, dégradation de certains acides aminés.

4. La β-oxydation des acides gras

Les acides gras libérés par la lipolyse des triglycérides (lipase hormono-sensible, activée par le glucagon et l'adrénaline) sont le carburant majeur du foie, du muscle au repos et du cœur. Dans le cytosol, l'acyl-CoA synthétase les active en acyl-CoA au prix d'un ATP hydrolysé en AMP + PPi, soit l'équivalent de 2 ATP. La membrane interne étant imperméable aux acyl-CoA à longue chaîne, ils empruntent la navette de la carnitine : la carnitine palmitoyl-transférase I (CPT-I, face externe, inhibée par le malonyl-CoA de la lipogenèse), la translocase et la CPT-II (face matricielle). Dans la matrice, l'hélice de Lynen répète quatre réactions : (1) oxydation par l'acyl-CoA déshydrogénase à FAD (double liaison trans-Δ2), (2) hydratation par l'énoyl-CoA hydratase, (3) oxydation par la 3-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase à NAD⁺ (cétoacyl-CoA), (4) thiolyse par la thiolase, qui libère un acétyl-CoA et un acyl-CoA raccourci de deux carbones. Chaque tour produit donc 1 FADH₂, 1 NADH et 1 acétyl-CoA.

Pour le palmitate (C₁₆), il faut 7 tours, qui donnent 8 acétyl-CoA, 7 FADH₂ et 7 NADH. Avec 10 ATP par acétyl-CoA dans le cycle, 1,5 par FADH₂ et 2,5 par NADH, on obtient 80 + 10,5 + 17,5 = 108 ATP, moins 2 pour l'activation, soit 106 ATP net (129 avec les anciens rendements de 3 et 2). L'oxydation des acides gras insaturés requiert une isomérase et une réductase supplémentaires ; celle des acides gras à nombre impair de carbones libère un propionyl-CoA, converti en succinyl-CoA (voie à biotine et vitamine B12). Dans le foie en jeûne prolongé ou en diabète non contrôlé, l'excès d'acétyl-CoA, faute d'oxaloacétate, est dérivé vers les corps cétoniques (acétoacétate, β-hydroxybutyrate, acétone), carburants exportés vers le cerveau et le muscle. La β-oxydation est aussi présente dans les peroxysomes pour les chaînes très longues, sans production d'ATP à la première étape.

5. Bilan énergétique de l'oxydation complète du glucose

L'oxydation complète d'un glucose en 6 CO₂ et 6 H₂O additionne : la glycolyse (2 ATP + 2 NADH cytosoliques), la pyruvate déshydrogénase (2 NADH), le cycle de Krebs (6 NADH + 2 FADH₂ + 2 GTP). Avec les rendements modernes, cela donne 2 + 2 + 5 + 15 + 3 + 5 = 32 ATP si le NADH cytosolique entre par la navette malate-aspartate (2,5 ATP chacun), ou 30 ATP par la navette du glycérol-phosphate (1,5 ATP chacun). Les cours classiques donnent 38 ou 36 ATP. Le ΔG°' de la combustion du glucose étant d'environ −2 870 kJ/mol et 32 ATP représentant près de 1 000 kJ, le rendement thermodynamique standard est de l'ordre de 34 %, et sensiblement plus dans les conditions cellulaires.