Cycle de Krebs : l’usine énergétique de la cellule

Chapitre incontournable dans le cursus d’un étudiant en sciences ou en médecine (Paces, sciences médicales…) le cycle de Krebs est un processus fondamental de biochimie. Sa définition se résume en une série complexe de réactions biochimiques qui produisent, entre autres, de l’adénosine triphosphate (ATP), un composé riche en énergie.

Le cycle se déroule en présence d’oxygène (O2) sous forme libre diatomique. Ce catabolisme aérobie a lieu dans la cellule des organismes vivants, et plus précisément dans la matrice de la mitochondrie pour les cellules dites eucaryotes (avec un noyau) et dans le cytoplasme pour les procaryotes (bactéries).

Cycle de Krebs - Mitochondrie

Il est la deuxième étape de la respiration aérobie après la glycolyse et avant la chaîne respiratoire (chaîne de transport d’électrons). Mais la plus grande partie de l’énergie produite par la respiration cellulaire est issue du cycle de Krebs, le rôle de la glycolyse étant la synthèse du pyruvate, métabolite précurseur du cycle.

Le biochimiste Hans Krebs et le cycle de Krebs

Le cycle de Krebs a été découvert en 1937 par Hans Krebs, médecin allemand né en 1900. D’origine juive, il s’est exilé en Angleterre pendant la seconde guerre mondiale. Hans Krebs a mené ses recherches à Cambridge, Sheffield et Oxford. Ses travaux ont porté principalement sur le métabolisme cellulaire.

Le biochimiste s’est particulièrement intéressé à la respiration cellulaire et à la synthèse de l’urée chez les mammifères. En plus du cycle de Krebs, c’est lui qui, en 1932, a découvert le cycle de l’urée. Premier cycle métabolique identifié, le cycle de l’urée se déroule dans le foie, entre la mitochondrie et le cytoplasme des cellules. Son rôle est de détoxifier l’organisme en synthétisant l’urée à partir de l’ammoniac, une molécule neurotoxique.

Le Prix Nobel de médecine lui a été décerné en 1953 pour l’ensemble de ses découvertes. En 2015, 34 ans après sa disparation et selon la volonté de sa famille, la médaille du Prix Nobel a été vendue aux enchères 384.000 euros. Les profits de cette vente ont été remis à la Sir Hans Krebs Trust, organisation qui soutient les jeunes chercheurs en sciences biomédicales.

Cycle de Krebs - Hans Krebs

Un rôle essentiel dans le métabolisme de la cellule

Le cycle de Krebs est également appelé cycle de Szent-Györgyi et Krebs, cycle du citrate, cycle de l’acide citrique, cycle des acides tricarboxyliques ou encore cycle tricarboxylique. Il participe au métabolisme des glucides, des lipides et des protéines.

Cette voie métabolique produit des substrats énergétiques qui assurent l’essentiel des besoins en énergie de la cellule. En effet, la série de réactions biochimiques qui la compose produit des intermédiaires énergétiques qui permettent la fabrication d’ATP (adénosine tri-phosphate) dans la chaîne respiratoire qui suit le cycle de Krebs.

Découvert en 1929, l’ATP assure le stockage et le transport de l’énergie dans la cellule. Cette molécule possède des liaisons phosphoriques très riches qui sont génératrices d’énergie lors de leur hydrolyse. Cette énergie est indispensable à la synthèse des protéines à partir des acides aminés et à la replication de l’acide désoxyribonucléique (ADN). Le cycle de Krebs joue donc un rôle essentiel au sein de la cellule.

Cycle de Krebs - ATP

Une succession de réactions biochimiques

Le cycle de Krebs repose sur la modification d’une molécule de citrate par l’intermédiaire d’enzymes et de cofacteurs. Il comporte huit réactions enzymatiques décomposables en réactions simples. Le cycle génère ainsi huit molécules différentes dont un nouveau citrate à la fin du cycle. Dans l’ordre, il produit du citrate au départ, de l’isocitrate, de l’alphacétoglutarate, du succinyl CoA, du succinate, du fumarate, du malate, de l’oxaloacétate et du citrate régénéré à l’arrivée. Le citrate étant reformé, il s’agit donc bien d’un cycle. Un tour complet du cycle de Krebs permet de fournir à la cellule 11 ATP + 1 GTP, soit un total de 12 ATP.

Schéma du cycle de Krebs simplifié

Le schéma ci-dessous indique de manière succincte l’enchainement des différentes étapes qui interviennent au cours du cycle de Krebs dans la mitochondrie.

Cycle de Krebs, le schéma simplifié

Cycle de Krebs : le schéma simplifié des différentes réactions

Les réactions enzymatiques intermédiaires du cycle de Krebs sont les suivantes :

  • Synthèse du citrate à partir de l’oxaloacétate et de l’acétyl-CoA
  • Isomérisation du citrate qui permet l’obtention de l’isocitrate
  • Décarboxylation et déshydrogénation de l’isocitrate pour donner l’alpha-cétoglutarate
  • Décarboxylation et déshydrogénation de l’alpha-cétoglutarate. On obtient le succinylCOA.
  • Formation d’une liaison phosphate donnant le succinate
  • Déshydrogénation du succinate qui donne le fumarate
  • Hydratation du fumarate donnant le malate
  • Déshydrogénation du malate et régénération de l’oxaloacétate. L’oxaloacétate ainsi formé permet de retrouver le citrate présent au début du cycle de Krebs.

Consultez le schéma détaillé du cycle de Krebs pour en savoir plus sur les différentes réactions et sur les enzymes impliquées dans chaque catabolisme.