4.3 : Cycle de l'acide citrique et phosphorylation oxydative
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Le cycle de l'acide citrique
Dans les cellules eucaryotes, les molécules de pyruvate produites à la fin de la glycolyse sont transportées dans les mitochondries, qui sont des sites de respiration cellulaire. Si de l'oxygène est disponible, la respiration aérobie se poursuivra. Dans les mitochondries, le pyruvate sera transformé en un groupe acétyle à deux carbones (en retirant une molécule de dioxyde de carbone) qui sera capté par un composé porteur appelé coenzyme A (CoA), fabriqué à partir de vitamine B 5. Le composé obtenu est appelé acétyl CoA. (Figurine\(\PageIndex{1}\)). L'acétyl CoA peut être utilisé de différentes manières par la cellule, mais sa fonction principale est de transmettre le groupe acétyle dérivé du pyruvate à la voie suivante du catabolisme du glucose.
Tout comme la conversion du pyruvate en acétyl CoA, le cycle de l'acide citrique dans les cellules eucaryotes a lieu dans la matrice des mitochondries. Contrairement à la glycolyse, le cycle de l'acide citrique est en boucle fermée : la dernière partie du processus régénère le composé utilisé dans la première étape. Les huit étapes du cycle sont une série de réactions chimiques qui produisent deux molécules de dioxyde de carbone, une molécule d'ATP (ou un équivalent) et des formes réduites (NADH et FADH 2) de NAD+ et de FAD+, d'importantes coenzymes de la cellule. Une partie de cette voie est considérée comme une voie aérobie (nécessitant de l'oxygène) car le NADH et le FADH 2 produits doivent transférer leurs électrons vers la voie suivante du système, qui utilisera de l'oxygène. En l'absence d'oxygène, ce transfert n'a pas lieu.
Deux atomes de carbone entrent dans le cycle de l'acide citrique à partir de chaque groupe acétyle. Deux molécules de dioxyde de carbone sont libérées à chaque tournant du cycle ; toutefois, celles-ci ne contiennent pas les mêmes atomes de carbone fournis par le groupe acétyle à ce tournant de la voie. Les deux atomes de carbone acétyle finiront par être libérés à des tours ultérieurs du cycle ; de cette façon, les six atomes de carbone de la molécule de glucose d'origine seront finalement libérés sous forme de dioxyde de carbone. Il faut deux tours de cycle pour traiter l'équivalent d'une molécule de glucose. Chaque tour du cycle forme trois molécules de NADH à haute énergie et une molécule de FADH 2 à haute énergie. Ces porteurs à haute énergie se connecteront à la dernière partie de la respiration aérobie pour produire des molécules d'ATP. Un ATP (ou équivalent) est également fabriqué à chaque cycle. Plusieurs des composés intermédiaires du cycle de l'acide citrique peuvent être utilisés pour synthétiser des acides aminés non essentiels ; par conséquent, le cycle est à la fois anabolique et catabolique.
Phosphorylation oxydative
Vous venez de découvrir deux voies du catabolisme du glucose, la glycolyse et le cycle de l'acide citrique, qui génèrent de l'ATP. La majeure partie de l'ATP généré lors du catabolisme aérobie du glucose ne provient toutefois pas directement de ces voies. Il provient plutôt d'un processus qui commence par le passage d'électrons à travers une série de réactions chimiques jusqu'à un accepteur d'électrons final, l'oxygène. Ces réactions se produisent dans des complexes protéiques spécialisés situés dans la membrane interne des mitochondries des organismes eucaryotes et dans la partie interne de la membrane cellulaire des organismes procaryotes. L'énergie des électrons est collectée et utilisée pour générer un gradient électrochimique à travers la membrane mitochondriale interne. L'énergie potentielle de ce gradient est utilisée pour générer de l'ATP. L'ensemble de ce processus est appelé phosphorylation oxydative.
La chaîne de transport des électrons (Figure\(\PageIndex{2}\) a) est le dernier composant de la respiration aérobie et la seule partie du métabolisme qui utilise l'oxygène atmosphérique. À cette fin, l'oxygène diffuse continuellement dans les plantes. Chez les animaux, l'oxygène pénètre dans l'organisme par les voies respiratoires. Le transport d'électrons est une série de réactions chimiques qui ressemblent à une brigade de seaux en ce sens que les électrons passent rapidement d'un composant à l'autre, jusqu'à l'extrémité de la chaîne où l'oxygène est le dernier accepteur d'électrons et où de l'eau est produite. Il existe quatre complexes composés de protéines, marqués de I à IV sur la figure\(\PageIndex{2}\) c, et l'agrégation de ces quatre complexes, ainsi que des porteurs d'électrons mobiles et accessoires associés, est appelée chaîne de transport d'électrons. La chaîne de transport d'électrons est présente en plusieurs copies dans la membrane mitochondriale interne des eucaryotes et dans la membrane plasmique des procaryotes. Lors de chaque transfert d'un électron à travers la chaîne de transport d'électrons, l'électron perd de l'énergie, mais lors de certains transferts, l'énergie est stockée sous forme d'énergie potentielle en l'utilisant pour pomper des ions hydrogène à travers la membrane mitochondriale interne dans l'espace intermembranaire, créant ainsi un gradient électrochimique.
ART CONNECTION
Le cyanure inhibe la cytochrome c oxydase, un composant de la chaîne de transport des électrons. En cas d'empoisonnement au cyanure, vous attendriez-vous à ce que le pH de l'espace intermembranaire augmente ou diminue ? Quel effet le cyanure aurait-il sur la synthèse de l'ATP ?
Les électrons du NADH et du FADH 2 sont transmis aux complexes protéiques de la chaîne de transport d'électrons. Lorsqu'ils passent d'un complexe à un autre (il y en a quatre au total), les électrons perdent de l'énergie, et une partie de cette énergie est utilisée pour pomper les ions hydrogène de la matrice mitochondriale vers l'espace intermembranaire. Dans le quatrième complexe protéique, les électrons sont acceptés par l'oxygène, l'accepteur terminal. L'oxygène et ses électrons supplémentaires se combinent ensuite avec deux ions hydrogène, renforçant ainsi le gradient électrochimique, pour former de l'eau. S'il n'y avait pas d'oxygène dans la mitochondrie, les électrons ne pourraient pas être retirés du système et toute la chaîne de transport des électrons se remettrait en place et s'arrêterait. Les mitochondries ne seraient pas en mesure de générer de nouveaux ATP de cette manière et la cellule finirait par mourir par manque d'énergie. C'est la raison pour laquelle nous devons respirer pour puiser de l'oxygène neuf.
Dans la chaîne de transport des électrons, l'énergie libre issue de la série de réactions qui vient d'être décrite est utilisée pour pomper des ions hydrogène à travers la membrane. La distribution inégale des ions H + à travers la membrane crée un gradient électrochimique, en raison de la charge positive des ions H + et de leur concentration plus élevée sur un côté de la membrane.
Les ions hydrogène diffusent à travers la membrane interne par l'intermédiaire d'une protéine membranaire intégrée appelée ATP synthase (Figure\(\PageIndex{2}\) b). Cette protéine complexe agit comme un minuscule générateur, actionné par la force des ions hydrogène qui la traversent, le long de leur gradient électrochimique depuis l'espace intermembranaire, où se trouvent de nombreux ions hydrogène se repoussant mutuellement, vers la matrice, où ils sont peu nombreux. La rotation des pièces de cette machine moléculaire permet de régénérer l'ATP à partir de l'ADP. Ce flux d'ions hydrogène à travers la membrane à travers l'ATP synthase est appelé chimiosmose.
La chimiosmose (Figure\(\PageIndex{2}\) c) est utilisée pour générer 90 pour cent de l'ATP produit lors du catabolisme aérobie du glucose. Le résultat de ces réactions est la production d'ATP à partir de l'énergie des électrons extraits des atomes d'hydrogène. Ces atomes faisaient à l'origine partie d'une molécule de glucose. À la fin du système de transport d'électrons, les électrons sont utilisés pour réduire une molécule d'oxygène en ions oxygène. Les électrons supplémentaires présents sur les ions oxygène attirent les ions hydrogène (protons) du milieu environnant et de l'eau se forme. La chaîne de transport d'électrons et la production d'ATP par chimiosmose sont collectivement appelées phosphorylation oxydative.
Rendement ATP
Le nombre de molécules d'ATP générées par le catabolisme du glucose varie. Par exemple, le nombre d'ions hydrogène que les complexes de la chaîne de transport d'électrons peuvent pomper à travers la membrane varie selon les espèces. Une autre source de variance provient de la navette d'électrons à travers la membrane mitochondriale. Le NADH généré par la glycolyse ne peut pas facilement pénétrer dans les mitochondries. Ainsi, les électrons sont captés à l'intérieur des mitochondries par le NAD+ ou le FAD+. Moins de molécules d'ATP sont générées lorsque le FAD+ agit en tant que support. Le NAD+ est utilisé comme transporteur d'électrons dans le foie et le FAD+ dans le cerveau, de sorte que le rendement en ATP dépend du tissu considéré.
Un autre facteur qui influe sur le rendement des molécules d'ATP générées à partir du glucose est que les composés intermédiaires de ces voies sont utilisés à d'autres fins. Le catabolisme du glucose est lié aux voies qui construisent ou décomposent tous les autres composés biochimiques dans les cellules, et le résultat est un peu plus désordonné que les situations idéales décrites jusqu'à présent. Par exemple, des sucres autres que le glucose sont introduits dans la voie glycolytique pour l'extraction d'énergie. D'autres molécules qui seraient autrement utilisées pour récolter de l'énergie lors de la glycolyse ou du cycle de l'acide citrique peuvent être éliminées pour former des acides nucléiques, des acides aminés, des lipides ou d'autres composés. Dans l'ensemble, dans les systèmes vivants, ces voies du catabolisme du glucose extraient environ 34 pour cent de l'énergie contenue dans le glucose.
DES CARRIÈRES EN ACTION : Médecin spécialiste des maladies mitochondriales
Que se passe-t-il lorsque les réactions critiques de la respiration cellulaire ne se déroulent pas correctement ? Les maladies mitochondriales sont des troubles génétiques du métabolisme. Les troubles mitochondriaux peuvent résulter de mutations de l'ADN nucléaire ou mitochondrial et ils se traduisent par une production d'énergie inférieure à la normale dans les cellules du corps. Les symptômes des maladies mitochondriales peuvent inclure une faiblesse musculaire, un manque de coordination, des épisodes semblables à des accidents vasculaires cérébraux et une perte de la vision et de l'ouïe. La plupart des personnes touchées sont diagnostiquées pendant l'enfance, bien que certaines maladies apparaissent à l'âge adulte. L'identification et le traitement des troubles mitochondriaux sont un domaine médical spécialisé. La préparation pédagogique à cette profession nécessite une formation universitaire, suivie d'une faculté de médecine avec une spécialisation en génétique médicale. Les généticiens médicaux peuvent être certifiés par l'American Board of Medical Genetics et s'associer ensuite à des organisations professionnelles vouées à l'étude des maladies mitochondriales, telles que la Mitochondrial Medicine Society et la Society for Inherited Metabolic Disease.
Résumé
Le cycle de l'acide citrique est une série de réactions chimiques qui éliminent les électrons de haute énergie et les utilisent dans la chaîne de transport des électrons pour générer de l'ATP. Une molécule d'ATP (ou un équivalent) est produite à chaque tour du cycle.
La chaîne de transport des électrons est la partie de la respiration aérobie qui utilise l'oxygène libre comme dernier accepteur d'électrons pour les électrons retirés des composés intermédiaires lors du catabolisme du glucose. Les électrons sont soumis à une série de réactions chimiques, une petite quantité d'énergie libre étant utilisée en trois points pour transporter les ions hydrogène à travers la membrane. Cela contribue au gradient utilisé dans la chimiosmose. Lorsque les électrons passent du NADH ou du FADH 2 dans la chaîne de transport d'électrons, ils perdent de l'énergie. Les produits de la chaîne de transport des électrons sont l'eau et l'ATP. Un certain nombre de composés intermédiaires peuvent être détournés vers l'anabolisme d'autres molécules biochimiques, telles que les acides nucléiques, les acides aminés non essentiels, les sucres et les lipides. Ces mêmes molécules, à l'exception des acides nucléiques, peuvent servir de sources d'énergie pour la voie du glucose.
Connexions artistiques
Figure\(\PageIndex{2}\) : Le cyanure inhibe la cytochrome c oxydase, un composant de la chaîne de transport des électrons. En cas d'empoisonnement au cyanure, vous attendriez-vous à ce que le pH de l'espace intermembranaire augmente ou diminue ? Quel effet le cyanure aurait-il sur la synthèse de l'ATP ?
- Réponse
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Après un empoisonnement au cyanure, la chaîne de transport d'électrons ne peut plus pomper les électrons dans l'espace intermembranaire. Le pH de l'espace intermembranaire augmenterait et la synthèse d'ATP s'arrêterait.
Lexique
- acétyl CoA
- la combinaison d'un groupe acétyle dérivé de l'acide pyruvique et d'une coenzyme A fabriquée à partir d'acide pantothéniques (une vitamine du groupe B)
- ATP synthase
- un complexe protéique intégré à la membrane qui régénère l'ATP à partir de l'ADP grâce à l'énergie des protons qui le traversent
- chimiosmose
- le mouvement des ions hydrogène le long de leur gradient électrochimique à travers une membrane à travers l'ATP synthase pour générer de l'ATP
- cycle d'acide citrique
- une série de réactions chimiques catalysées par des enzymes d'une importance capitale pour toutes les cellules vivantes qui récoltent l'énergie des liaisons carbone-carbone des molécules de sucre pour générer de l'ATP ; le cycle de l'acide citrique est une voie métabolique aérobie car il a besoin d'oxygène dans les réactions ultérieures pour se dérouler
- chaîne de transport d'électrons
- une série de quatre grands complexes multiprotéiques intégrés dans la membrane mitochondriale interne qui accepte les électrons des composés donneurs et récupère l'énergie d'une série de réactions chimiques pour générer un gradient d'ions hydrogène à travers la membrane
- phosphorylation oxydative
- la production d'ATP par le transfert d'électrons le long de la chaîne de transport d'électrons pour créer un gradient de protons utilisé par l'ATP synthase pour ajouter des groupes phosphate aux molécules d'ADP