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Fiche explicative de la leçon : Décarboxylation du pyruvate et cycle de Krebs Biologie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les étapes de la réaction de décarboxylation du pyruvate et celles du cycle de Krebs, et rappeler les produits de chacune.

La respiration cellulaire est l’un des processus biologiques les plus importants au maintien de la vie sur Terre. La plupart des organismes vivants utilisent la respiration cellulaire pour produire de l’énergie et utilisent cette énergie pour le mouvement, la digestion, la reproduction et la croissance.

Définition: Respiration cellulaire

La respiration cellulaire est un processus des organismes vivants par lequel les composés contenant du carbone (tels que le glucose) sont décomposés pour produire de l’énergie sous forme d’ATP.

La respiration cellulaire fait référence à la série de réactions qui décomposent le « carburant », comme le glucose ou d’autres substrats de la respiration, en plus petites molécules, produisant de l’énergie au cours du processus. Cette énergie est contenue dans la molécule de transport d’énergie, l’ATP, qui est facilement disponible aux cellules quand elles en ont besoin.

La respiration cellulaire peut être divisée en quatre étapes consécutives principales:la glycolyse, la décarboxylation du pyruvate, le cycle de Krebs (également appelé cycle de l’acide citrique) et la phosphorylation oxydative (également appelée chaîne de transport d’électrons). Dans cette fiche explicative, nous allons examiner plus en détail les deux étapes intermédiaires.

La glycolyse se produit dans le cytoplasme en présence ou non d’oxygène. La décarboxylation du pyruvate et le cycle de Krebs se produisent tous deux dans les mitochondries des cellules. Les mitochondries sont des organites spécialisés qui agissent comme site des étapes aérobies de la respiration. Aérobie signifie « avec de l’oxygène ». Toutes les étapes de la respiration qui suivent la glycolyse sont qualifiées d’aérobies, car elles nécessitent la présence d’oxygène.

Exemple 1: Décrire l’organite cellulaire qui est le site de la respiration cellulaire aérobie

Chez les eucaryotes, quel organite cellulaire est le site de la décarboxylation du pyruvate et du cycle de Krebs?

  1. le réticulum endoplasmique lisse
  2. le ribosome
  3. les mitochondries
  4. le noyau
  5. l’appareil de Golgi

Réponse

La respiration cellulaire est le processus par lequel les composés contenant du carbone, comme le glucose, sont décomposés pour produire de l’énergie. Elle est constituée de quatre étapes principales:la glycolyse, la décarboxylation du pyruvate, le cycle de Krebs et la phosphorylation oxydative.

Rappelons la structure générale d’une cellule eucaryote type.

La première étape de la respiration cellulaire est la glycolyse, qui se déroule dans le cytoplasme des cellules. Il s’agit de la substance gélatineuse qui remplit la cellule et dans laquelle tous les autres organites sont en suspension.

Les produits de la glycolyse forment les réactifs de la décarboxylation du pyruvate. Ces produits sont transportés du cytoplasme vers les mitochondries. Les mitochondries sont de petits organites cellulaires qui sont le site de réaction de toutes les étapes aérobies de la respiration cellulaire. Cela signifie que la décarboxylation du pyruvate et le cycle de Krebs, ainsi que la phosphorylation oxydative, se produisent dans les mitochondries.

Par conséquent, l’organite cellulaire qui est le site de la décarboxylation du pyruvate et du cycle de Krebs est la mitochondrie.

La réaction de liaison désigne l’étape de la respiration qui « relie » la glycolyse au cycle de Krebs (acide citrique). Au cours de cette étape, les produits de la glycolyse sont convertis en réactifs du cycle de Krebs. Le produit final de la glycolyse est une molécule de pyruvate. La molécule de pyruvate est transportée du cytoplasme, lieu de la glycolyse, vers la mitochondrie pour le reste des processus de respiration cellulaire. Après avoir atteint la mitochondrie, le pyruvate est maintenant prêt à subir une série de modifications au cours de la réaction de liaison pour être prêt à entrer dans le cycle de Krebs. Un schéma simple montrant la réaction de liaison est représenté par la figure 1.

Figure 1 : Illustration de la décarboxylation du pyruvate. Le nombre d’atomes de carbone dans chaque composé est représenté par les cercles orange.

Lors de la décarboxylation du pyruvate, le pyruvate (ou acide pyruvique) à 3 atomes de carbone est transformé en composé à 2 atomes de carbone, l’acétyl-coenzyme A. Dans une série d’étapes, la molécule de pyruvate subit les changements suivants:

  1. Le pyruvate est oxydé et perd un atome de carbone pour devenir un composé à 2 atomes de carbone.
  2. Cet atome de carbone est libéré sous forme de dioxyde de carbone.
  3. Le composé à 2 atomes de carbone est oxydé et transfère des électrons au NAD.
  4. Le coenzyme NAD devient du NAD réduit (NADH) puisqu’il gagne un hydrogène et deux électrons.
  5. La coenzyme A se lie au composé à 2 atomes de carbone pour former de l’acétyl-coenzyme A.

Terme clé : Acétyl-coenzyme A (Acétyl-CoA)

L’acétyl-coenzyme A est un composé à deux atomes de carbone formé par l’oxydation du pyruvate et la fixation du coenzyme A. C’est un produit de la décarboxylation du pyruvate et un réactif du cycle de Krebs (acide citrique).

Exemple 2: Rappeler les réactifs et les produits de la décarboxylation du pyruvate

Le schéma fourni donne un aperçu de la décarboxylation du pyruvate, dans laquelle il manque les noms de deux composés.

  1. Quel composé a été remplacé par la lettre Y?
    1. le coenzyme A
    2. le triose phosphate
    3. l’acétyl-CoA
    4. l’ATP
  2. Quel composé a été remplacé par la lettre X?
    1. le triose phosphate
    2. l’acétyl-CoA
    3. le coenzyme A
    4. l’ATP

Réponse

La décarboxylation du pyruvate fait référence à une étape de la respiration cellulaire qui « relie » deux autres étapes. La décarboxylation du pyruvate prend les produits de la première étape, la glycolyse, et les convertit en réactifs qui entreront dans le cycle de Krebs.

Le principal produit de la glycolyse est le composé pyruvate à 3 atomes de carbone. Pour le transformer en un réactif du cycle de Krebs, une série de réactions a lieu.

Tout d’abord, une molécule de dioxyde de carbone est enlevée du pyruvate. Cela convertit le composé à 3 atomes de carbone en un composé à 2 atomes de carbone. Ensuite, le composé est oxydé et il transfère un hydrogène au coenzyme NAD pour former le NADH. Enfin, le coenzyme A se lie à ce composé à 2 atomes de carbone pour former de l’acétyl-coenzyme A. L’acétyl-coenzyme A entre ensuite dans le cycle de Krebs.

Partie 1

Si nous regardons notre schéma, « Y » indique un composé qui réagit avec une molécule à deux atomes de carbone pour le convertir en composé « X ». Si nous revoyons notre description de la décarboxylation du pyruvate, nous pouvons voir qu’une fois un carbone éliminé sous forme de dioxyde de carbone, le coenzyme A s’attache au composé à deux atomes de carbone.

Par conséquent, « Y » doit être le « coenzyme A. »

Partie 2

Dans le schéma de la question, « X » indique le produit final de la décarboxylation du pyruvate. Si nous reprenons notre description de la décarboxylation du pyruvate, nous savons que son objectif global est de convertir le pyruvate en acétyl-coenzyme A. L’acétyl-coenzyme A, ou l’acétyl-CoA, est le principal réactif de la prochaine étape de la respiration cellulaire, le cycle de Krebs.

Par conséquent, « X » doit être l’« acétyl-CoA ».

L’acétyl-coenzyme A, le produit final de la décarboxylation du pyruvate, entre maintenant dans le cycle de Krebs. Un schéma élémentaire du cycle de Krebs est donné dans la figure 2 ci-dessous.

Figure 2 : Schéma de base du cycle de Krebs, également appelé cycle de l’acide citrique. Le nombre de carbones dans chaque composé est indiqué par les cercles orange.

Lorsque l’acétyl-coenzyme A entre dans le cycle de Krebs, il se lie à un composé à 4 atomes de carbone, l’acide oxaloacétique (ou oxaloacétate). Cela forme un composé à 6 atomes de carbone connu sous le nom d’acide citrique (ou citrate). Ce composé donne au cycle de Krebs son autre nom de cycle de l’acide citrique.

L’acide citrique passe ensuite par une série de réactions, formant des composés intermédiaires.

Tout d’abord, l’acide citrique perd un carbone sous forme de dioxyde de carbone pour former un composé à 5 carbones. Il est également oxydé, et il transmet un hydrogène (ainsi que deux électrons) à NAD qui forme du NAD réduit, ou NADH. Le terme réduction est utilisé pour décrire les réactions où une molécule gagne des électrons. Le composé résultant est appelé acide cétoglutarique (ou cétoglutarate).

À partir de ce composé intermédiaire, l’acide cétoglutarique, à 5 atomes de carbone, un autre atome de carbone est perdu sous forme de dioxyde de carbone, et un autre NAD est réduit en acceptant un atome d’hydrogène. En parallèle, une molécule d’ADP est phosphorylée pour produire une molécule d’ATP. Cette série de réactions forme un composé intermédiaire à 4 atomes de carbone appelé acide succinique (ou succinate).

Terme clé : ATP (Adénosine triphosphate)

L’ATP, ou adénosine triphosphate, est la molécule qui stocke l’énergie chimique chez les organismes vivants.

L’acide succinique subit maintenant une série de réactions pour régénérer notre composé à 4 carbones mentionné précédemment, l’acide oxaloacétique. L’acide succinique est d’abord oxydé car il transfère deux hydrogènes au FAD pour former du FAD réduit ()FADH. Cela forme un autre intermédiaire, appelé malate (acide malique), qui transfère à nouveau un autre hydrogène et deux électrons à NAD pour former du NAD réduit, et ainsi former à nouveau de l’acide oxaloacétique.

Maintenant, nous avons terminé un cycle complet!L’acide oxaloacétique régénéré est maintenant prêt à rejoindre une autre molécule d’acétyl-coenzyme A et à recommencer le cycle.

Exemple 3: Identifier les réactifs et les produits du cycle de Krebs

Le schéma fourni illustre le cycle de Krebs.

  1. Quel réactif a été remplacé par la lettre X?
    1. le dioxyde de carbone
    2. le coenzyme A
    3. le NAD
    4. le NAD réduit
  2. Quel produit a été remplacé par la lettre Y?
    1. le NAD
    2. le NAD réduit
    3. le dioxyde de carbone
    4. le coenzyme A

Réponse

Le cycle de Krebs - également connu sous le nom de cycle de l’acide citrique - fait référence à une étape importante de la respiration cellulaire. Dans le cycle de Krebs, l’acétyl-coenzyme A produit par la décarboxylation du pyruvate se lie au composé à 4 atomes de carbone, l’acide oxaloacétique (ou oxaloacétate) pour former le composé à 6 atomes de carbone, l’acide citrique (ou citrate).

Ensuite, dans une série de réactions, l’acide oxaloacétique est régénéré à partir de l’acide citrique. Dans ces réactions, d’autres produits sont formés et libérés du cycle de Krebs. Ces produits comprennent deux molécules de dioxyde de carbone (CO)2 et une molécule d’ATP, comme le montre la figure.

En plus de ces molécules, il y a les coenzymes NAD et FAD qui sont réduits dans le cycle. La réduction est un terme utilisé pour décrire les réactions où une molécule gagne des électrons. Nous pouvons voir sur la figure du cycle de Krebs que la FAD est convertie en FAD réduite (ou FADH). Cependant, il manque le NAD et le NAD réduit dans le cycle.

Partie 1

La lettre X indique un réactif manquant qui entre dans le cycle de Krebs et génère le produit Y. Selon le schéma et l’explication fournie, nous pouvons voir que le réactif manquant du cycle qui a été remplacé par la lettre X est le coenzyme NAD.

Partie 2

La lettre Y indique un produit qui a été généré à partir du réactif X. D’après le schéma et l’explication fournie, nous pouvons voir que le produit manquant du cycle qui a été remplacé par la lettre Y est le NAD réduit.

Maintenant que la boucle est terminée, vous vous demandez peut-être à quoi sert le cycle de Krebs?Pour répondre à cette question, résumons les produits du cycle de Krebs.

Dans la figure 3, nous avons retiré les composés intermédiaires du cycle de Krebs pour mieux voir les produits.

Figure 3 : Réactifs et produits du cycle de Krebs, sans les composés intermédiaires.

Il est important de se rappeler que pour chaque molécule de glucose, deux molécules de pyruvate sont produites, ce qui signifie qu’elles sont converties en deux molécules d’acétyl-coenzyme A. Cela veut dire que le cycle de Krebs se produit deux fois pour chaque molécule de glucose. Donc, nous devons doubler les produits que nous voyons dans la figure 3.

Par conséquent, pour chaque molécule de glucose impliquée dans la respiration, le cycle de Krebs produit

  • quatre molécules de dioxyde de carbone;
  • six molécules de NAD réduit (NADH);
  • deux molécules de FAD réduite ()FADH;
  • deux molécules d’ATP.

Exemple 4: Rappeler le nombre de molécules d’ATP produites par tour du cycle de Krebs

Pour chaque tour du cycle de Krebs, combien de molécules d’ATP sont produites?

Réponse

Le cycle de Krebs est une étape cruciale dans la série de réactions biochimiques qui constituent la respiration cellulaire. Le but général de la respiration cellulaire est de décomposer les composés contenant du carbone pour produire de l’énergie qui peut être utilisée par les cellules pour effectuer des fonctions essentielles au maintien de la vie.

L’énergie produite dans ces réactions ne peut pas toujours être utilisée immédiatement. Dans ce cas, l’ATP agit comme une molécule de transport d’énergie car elle peut être facilement transportée dans la cellule et décomposée pour produire les quantités demandées d’énergie.

Le principal réactif du cycle de Krebs est une molécule d’acétyl-coenzyme A, qui est produite dans l’étape précédente de la décarboxylation du pyruvate. Celui-ci se joint à un composé à 4 atomes de carbone appelé acide oxaloacétique (ou oxaloacétate) pour former un composé à 6 atomes de carbone appelé acide citrique (ou citrate). L’acide citrique subit ensuite une série de réactions pour régénérer l’acide oxaloacétique.

Une de ces réactions convertit un composé à 5 atomes de carbone en un composé à 4 atomes de carbone. Parallèlement à la perte d’un atome de carbone sous la forme de dioxyde de carbone et d’un atome d’hydrogène au NAD, cette réaction est couplée (jointe) à la phosphorylation d’une molécule d’ADP. Lorsque l’ADP (adénosine diphosphate) est phosphorylée, elle obtient un groupe phosphate et forme de l’ATP (adénosine triphosphate).

Cette phosphorylation de l’ADP ne se produit que dans une seule des réactions qui constituent le cycle de Krebs.

Ainsi, pour un tour du cycle de Krebs, une molécule d’ATP est produite.

Nous savons que l’ATP est une molécule très utile aux cellules;l’ATP peut être facilement transportée au sein de la cellule et hydrolysée assez facilement pour produire rapidement de l’énergie. Les molécules de dioxyde de carbone sont les déchets de la respiration cellulaire, et celles-ci diffuseront hors des mitochondries et de la cellule et seront finalement éliminées de l’organisme par la sueur ou par les poumons.

Dans le cycle de Krebs, la FAD et le NAD agissent comme des accepteurs d’électrons et forment de la FADH et du NADH. La FADH et le NADH sont cruciaux pour la prochaine étape finale de la respiration cellulaire aérobie, qui est la phosphorylation oxydative. Ils transféreront les électrons qu’ils ont acceptés à ce stade à la chaîne de transport d’électrons.

Résumons ce que nous avons appris sur la décarboxylation du pyruvate et le cycle de Krebs.

Points clés

  • La décarboxylation du pyruvate transforme le pyruvate produit par la glycolyse en acétyl-coenzyme A, qui entre dans le cycle de Krebs.
  • L’acétyl-coenzyme A se joint à l’acide oxaloacétique pour former de l’acide citrique.
  • L’acide citrique subit une série de réactions pour reformer l’acide oxaloacétique.
  • Lors de ce processus, deux molécules de dioxyde de carbone et une molécule d’ATP sont libérées.
  • La FAD et le NAD agissent comme des accepteurs d’électrons dans le cycle de Krebs et forment la FAD réduite et un NAD réduit.

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