Si l'oxygène est disponible, la respiration aérobie se poursuivra. Dans les cellules eucaryotes, les molécules de pyruvate produites à la fin de la glycolyse sont transportées dans les mitochondries. Là, le pyruvate sera transformé en un groupe acétyle qui sera capté et activé par un composé porteur appelé coenzyme A (CoA).

Le composé qui en résulte est appelé CoA acétyle. Le CoA est fabriqué à partir de la vitamine B5, l'acide pantothénique. L'acétyl CoA peut être utilisé de différentes manières par la cellule, mais sa fonction principale est de transporter le groupe acétyle dérivé du pyruvate vers l'étape suivante de la voie de catabolisme du glucose.

Répartition du Pyruvate

Pour que le pyruvate, produit de la glycolyse, puisse entrer dans la voie suivante, il doit subir plusieurs modifications. La conversion est un processus en trois étapes.

Première étape. Un groupe carboxyle est retiré du pyruvate, libérant une molécule de dioxyde de carbone dans le milieu environnant. Le résultat de cette étape est un groupe hydroxyéthyle à deux carbones lié à l'enzyme (pyruvate déshydrogénase). C'est le premier des six carbones de la molécule de glucose originale à être éliminé. Cette étape se déroule deux fois (rappelons qu'il y a deux molécules de pyruvate produites à la fin de la glycolose) pour chaque molécule de glucose métabolisée ; ainsi, deux des six carbones auront été retirés à la fin des deux étapes.

Deuxième étape. Le groupe hydroxyéthyle est oxydé en un groupe acétyle, et les électrons sont captés par le NAD+, formant ainsi le NADH. Les électrons à haute énergie du NADH seront utilisés plus tard pour générer de l'ATP.

Étape 3. Le groupe acétyle lié à l'enzyme est transféré à la CoA, produisant une molécule d'acétyl CoA.

En entrant dans la matrice mitochondriale, un complexe multi-enzymatique transforme le pyruvate en acétyl CoA. Au cours de ce processus, du dioxyde de carbone est libéré et une molécule de NADH est formée.

Il est à noter que lors de la deuxième étape du métabolisme du glucose, chaque fois qu'un atome de carbone est retiré, il est lié à deux atomes d'oxygène, produisant ainsi du dioxyde de carbone, l'un des principaux produits finaux de la respiration cellulaire.

Acetyl CoA vers CO₂

En présence d'oxygène, l'acétyl CoA délivre son groupe acétyle à une molécule à quatre atomes de carbone, l'oxaloacétate, pour former le citrate, une molécule à six atomes de carbone avec trois groupes carboxyle ; cette voie permettra de récolter le reste de l'énergie extractible de ce qui a commencé comme une molécule de glucose. Cette voie unique porte 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 du TCA (puisque l'acide citrique ou le citrate et l'isocitrate sont des acides tricarboxyliques) et le cycle de Krebs, d'après Hans Krebs, qui a identifié pour la première fois les étapes de la voie dans les années 1930 dans les muscles du vol des pigeons.

Cycle de l'acide citrique

Comme la conversion du pyruvate en acétyl CoA, 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 la seule 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 dans 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, une GTP/ATP, et des formes réduites de NADH et de FADH2. Cette voie est considérée comme une voie aérobie car le NADH et le FADH2 produits doivent transférer leurs électrons vers la voie suivante du système, qui utilisera l'oxygène. Si ce transfert n'a pas lieu, les étapes d'oxydation du cycle de l'acide citrique n'ont pas lieu non plus. Notez que le cycle de l'acide citrique produit directement très peu d'ATP et ne consomme pas directement d'oxygène.

Dans le cycle de l'acide citrique, le groupe acétyle de l'acétyl-CoA est attaché à une molécule d'oxaloacétate à quatre carbones pour former une molécule de citrate à six carbones. Par une série d'étapes, le citrate est oxydé, libérant deux molécules de dioxyde de carbone pour chaque groupe acétyle introduit dans le cycle. Au cours de ce processus, trois molécules de NAD+ sont réduites en NADH, une molécule de FAD est réduite en FADH2, et un ATP ou GTP (selon le type de cellule) est produit (par phosphorylation au niveau du substrat). Comme le produit final du cycle de l'acide citrique est également le premier réactif, le cycle se déroule en continu en présence d'une quantité suffisante de réactifs. (crédit : modification du travail par "Yikrazuul"/Wikimedia Commons)

Étapes du cycle de l'acide citrique

Étape 1. Avant le début de la première étape, une phase de transition a lieu au cours de laquelle l'acide pyruvique est converti en acétyl CoA. Ensuite, la première étape du cycle commence : C'est une étape de condensation, combinant le groupe acétyle à deux carbones avec une molécule d'oxaloacétate à quatre carbones pour former une molécule de citrate à six carbones. La CoA est liée à un groupe sulfhydryle (-SH) et se diffuse pour finalement se combiner avec un autre groupe acétyle. Cette étape est irréversible car elle est hautement exergonique. Le taux de cette réaction est contrôlé 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 quantité insuffisante, le taux augmente.

Étape 2. Au cours de la deuxième étape, le citrate perd une molécule d'eau et en gagne une autre au fur et à mesure que le citrate est converti en son isomère, l'isocitrate.

Étape 3. Dans la troisième étape, l'isocitrate est oxydé, produisant une molécule de cinq carbones, α-ketoglutarate, ainsi qu'une molécule de CO2 et deux électrons, qui réduisent le NAD+ en NADH. Cette étape est également régulée par une rétroaction négative de l'ATP et du NADH, et un effet positif de l'ADP.

Étapes 3 et 4. Les étapes trois et quatre sont des étapes d'oxydation et de décarboxylation, qui libèrent des électrons qui réduisent le NAD+ en NADH et libèrent des groupes carboxyle qui forment des molécules de CO2. α Le cétoglutarate est le produit de l'étape trois, et un groupe succinyle est le produit de l'étape quatre. Le CoA se lie au groupe succinyle pour former le succinyl CoA. L'enzyme qui catalyse l'étape quatre est régulée par la rétro-inhibition de l'ATP, du succinyl CoA et du NADH.

Cinquième étape : l'enzyme qui catalyse la quatrième étape est régulée par la rétro-inhibition de l'ATP, du succinyl CoA et du NADH. À l'étape cinq, un groupe phosphate 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 (pendant la conversion du groupe succinyle en succinate) pour former soit du triphosphate de guanine (GTP), soit de l'ATP. Pour cette étape, il existe deux formes d'enzyme, appelées isoenzymes, selon le type de tissu animal dans lequel elles se trouvent. La première forme se trouve dans les tissus qui utilisent de grandes quantités d'ATP, tels que le cœur et les muscles squelettiques. Cette forme produit de l'ATP. La deuxième forme de l'enzyme se trouve dans les tissus qui ont un nombre élevé de voies anaboliques, comme les tissus hépatiques. Cette forme produit de l'ATP. Le GTP est énergétiquement équivalent à l'ATP ; cependant, son utilisation est plus limitée. En particulier, la synthèse des protéines utilise principalement le GTP.

Étape 6. La sixième étape est un processus de déshydratation qui transforme le succinate en fumarate. Deux atomes d'hydrogène sont transférés à l'ATP, produisant de l'ATPH2. L'énergie contenue dans les électrons de ces atomes est insuffisante pour réduire le NAD+ mais suffisante pour réduire le FAD. Contrairement au NADH, ce porteur reste attaché à l'enzyme et transfère directement les électrons à la chaîne de transport des électrons. Ce processus est rendu possible par la localisation de l'enzyme catalysant cette étape à l'intérieur de la membrane interne de la mitochondrie.

Étape 7. De l'eau est ajoutée au fumarate au cours de la septième étape, et le 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 produite au cours du processus.

Produits du cycle de l'acide citrique

Deux atomes de carbone de chaque groupe acétyle entrent dans le cycle de l'acide citrique, 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 atomes de carbone les plus récemment ajoutés. Les deux atomes de carbone de l'acétyle seront finalement libérés lors des tours ultérieurs du cycle ; ainsi, les six atomes de carbone de la molécule de glucose d'origine sont finalement incorporés au dioxyde de carbone. Chaque tour du cycle forme trois molécules NADH et une molécule FADH2. Ces porteurs se connecteront à la dernière partie de la respiration aérobie pour produire des molécules d'ATP. Un GTP ou ATP est également produit dans chaque cycle. Plusieurs des composés intermédiaires du cycle de l'acide citrique peuvent être utilisés dans la synthèse d'acides aminés non essentiels ; le cycle est donc amphibolique (à la fois catabolique et anabolique).

Source : Oxidation of Pyruvate and the Citric Acid Cycle