Cycle de Krebs, chaîne respiratoire et phosphorylation oxydative

Le pyruvate pénètre dans la matrice mitochondriale où la pyruvate déshydrogénase (PDH) le convertit en acétyl-CoA (+ CO₂ + NADH). La PDH est inhibée par l'acétyl-CoA, le NADH et par phosphorylation (PDK) ; elle est activée par le calcium et par l'insuline. L'acétyl-CoA, aussi issu de la bêta-oxydation, entre dans le cycle de Krebs (cycle de l'acide citrique) en se condensant avec l'oxaloacétate (citrate synthase) pour donner du citrate.

Bilan du cycle

Pour un acétyl-CoA, un tour donne 3 NADH, 1 FADH₂, 1 GTP (ou ATP) et 2 CO₂. Les enzymes régulatrices sont la citrate synthase, l'isocitrate déshydrogénase et l'α-cétoglutarate déshydrogénase ; le calcium, l'ADP et le rapport NADH/NAD⁺ les contrôlent. Le cycle est amphibolique : source de précurseurs (citrate, succinyl-CoA, oxaloacétate) et lieu de catabolisme. Il est aussi alimenté par des réactions d'anaplérose (carboxylation du pyruvate, transamination du glutamate).

Chaîne respiratoire

Dans la membrane interne, quatre complexes transfèrent les électrons du NADH (complexe I) et du FADH₂ (complexe II, la succinate déshydrogénase du cycle de Krebs) vers l'oxygène (complexe IV), via l'ubiquinone et le cytochrome c. Les complexes I, III et IV pompent des protons vers l'espace intermembranaire (environ 10 H⁺ par NADH, 6 par FADH₂), créant le gradient électrochimique de la théorie chimiosmotique (Mitchell). Le retour des protons par l'ATP synthase (complexe V) fait tourner la partie F_o et active la synthèse d'ATP dans la partie F₁. Le cyanure et le monoxyde de carbone inhibent le complexe IV ; les découplants (protéines UCP, ou DNP, toxique) dissipent le gradient sous forme de chaleur.

Rendement

Le rapport P/O mesuré actuellement est d'environ 2,5 ATP par NADH et 1,5 par FADH₂ (anciennement 3 et 2). Ainsi, l'oxydation complète d'un glucose produit environ 30 à 32 ATP (et non 36-38 comme dans d'anciens manuels), la valeur dépendant de la navette utilisée pour le NADH cytosolique : malate-aspartate (foie, cœur, rein : environ 2,5 ATP par NADH, soit 32 ATP) ou glycérol-3-phosphate (cerveau et muscle selon les manuels : environ 1,5 ATP par NADH, soit 30 ATP). Les proportions exactes dans les fibres musculaires varient selon le type de fibre et l'entraînement. Ces valeurs sont des estimations, la stœchiométrie exacte de pompage et de synthèse n'étant pas entière.

Exemple sportif : à intensité modérée, la chaîne respiratoire fournit la quasi-totalité de l'ATP ; l'augmentation de la densité mitochondriale par l'entraînement augmente cette capacité (voir chapitre adaptations).

🎯 À retenir

PDH : pyruvate → acétyl-CoA + CO₂ + NADH ; irréversible.
Un tour de Krebs : 3 NADH, 1 FADH₂, 1 GTP, 2 CO₂.
Complexes I, III, IV pompent les protons ; complexe II n'en pompe pas.
P/O actuels ≈ 2,5 (NADH) et 1,5 (FADH₂) ; ≈ 30-32 ATP par glucose.
ATP synthase utilise le gradient de protons.

ATP ≈ 4 + 8·P/O(NADH) + 2·P/O(FADH₂) + 2·ATP(NADH cytosolique)

Bilan ATP d'un glucose (estimation)

4 = phosphorylations au niveau du substrat (2 glycolyse + 2 GTP)
8 NADH mitochondriaux (2 PDH + 6 Krebs)
2 FADH₂ (Krebs)
2 NADH cytosoliques (1,5 à 2,5 ATP selon la navette)

📌 4 + 8 × 2,5 + 2 × 1,5 + 2 × 2,5 = 32 ATP (30 avec la navette glycérol-3-phosphate).

⚠️ Erreurs fréquentes

Citer encore 36 à 38 ATP comme valeur « certaine » : elle est obsolète.
Penser que l'oxygène intervient dans le cycle de Krebs : il n'est accepteur d'électrons qu'à la fin de la chaîne.
Confondre phosphorylation au niveau du substrat et phosphorylation oxydative.

Pour s'entraîner

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