1. Introduction

2. Translocation du pyruvate : la pyruvate translocase

3. Le complexe de la pyruvate déshydrogénase

a. Conversion du pyruvate en acétyl CoA

b. Détail du mécanisme de la réaction catalysée par le complexe de la pyruvate déshydrogénase

c. Régulation allostérique de l'activité de la pyruvate déshydrogénase

1. Introduction

Au laboratoire, on peut oxyder complètement en CO₂ et H₂O les substances organiques composées de carbone, d'hydrogène et d'oxygène en les brûlant dans l'air. Cependant, on libère l'énergie sous forme de châleur.

Dans les cellules des organismes aérobies, le pyruvate formé à l'issue de la glycolyse est oxydé en CO₂ et H₂O par une série de réactions enzymatiques au cours desquelles une partie de l'énergie est stockée sous forme d'une molécule "riche" en énergie :

• cette partie de l'énergie ainsi stockée et utilisable par la cellule (au contraire de l'énergie dissipée sous forme de châleur) s'appelle l'énergie libre de Gibbs
• la forme chimique (molécule "riche" en énergie) ultime sous laquelle elle sera stockée (à l'issue de la chaîne respiratoire) est la molécule d'ATP

La première étape enzymatique dans la conversion du pyruvate en CO₂ et H₂O est une décarboxylation (formation de CO₂) oxydante qui nécessite l'acétyl coenzyme A (CoASH).

Cette réaction forme de l'acétyl CoA qui est une molécule constituée d'un groupe bicarboné attaché à un groupe porteur appelé coenzyme A.

L'oxydation qui s'en suit du groupe acétyle de l'acétyl CoA s'effectue dans un cycle qui s'appelle le cycle de Krebs ou cycle du citrate ou cycle des acides tricarboxyliques (intermédiaires de ce cycle).

L'énergie issue des réactions d'oxydation de ce cycle est convertie sous forme de coenzymes réduits (pouvoir réducteur).

Chez les Eucaryotes, les 2 étapes préalables au cycle de Krebs sont donc :

• l'entrée du pyruvate (formé à l'issue de la glycolyse dans le cytosol) dans les mitochondries assurée par la pyruvate translocase
• la conversion du pyruvate en acétyl CoA catalysée par la pyruvate déshydrogénase

2. Translocation du pyruvate : la pyruvate translocase

La membrane interne de la mitochondrie est imperméable aux petites molécules comme le pyruvate.

Le pyruvate issu de la glycolyse pénètre dans la mitochondrie (de l'espace intermembranaire dans la matrice) via la pyruvate translocase (protéine de la membrane interne).

Ce transport est un symport avec H⁺. Ces protons sont ceux qui sont concentrés dans l'espace intermembranaire par la chaîne respiratoire.

3. Le complexe de la pyruvate déshydrogénase

a. Conversion du pyruvate en acétyl CoA

Ces groupes sont liés au coenzyme A par des liaisons thioester, liaisons à haut potentiel énergétique (ΔG°' = - 9 kcal/mol).

Le coenzyme A est un dérivé de l'acide pantoténique, vitamine de la famille des vitamines B.

Remarque : l'adénosine 3', 5' -diphosphate n'est pas à confondre avec l'ADP = adénosine 5' -diphosphate.

La PDH est l'un des plus gros complexes multi-enzymatiques connus (chez Escherichia coli : 60 sous-unités - 5 10⁶ à 1 10⁷ Daltons !) :

• 24 sous-unités de pyruvate déshydrogénase (dimères E1 en bleu)
• 24 sous-unités de dihydrolipoamide acétyltransférase (dimères E2 en vert)
• 12 sous-unités de dihydrolipoamide déshydrogénase (E3 - en rose ?)

Source : "Principes de Biochimie"

Horton et al. (1994)

b. Détail du mécanisme de la réaction catalysée par le complexe de la pyruvate déshydrogénase

1ère étape : La sous-unité de pyruvate déshydrogénase catalyse la décarboxylation du pyruvate et transfère le fragment dicarboné restant à E2.

Le pyruvate réagit avec le groupe prosthétique de E1 : le pyrophosphate de thiamine (TPP).

Après le départ du CO2, il reste un intermédiaire : le pyrophosphate d'hydroxyéthylthiamine (HETPP).

2ème étape : La sous-unité de dihydrolipoamide acétyltransférase : le transfert du fragment dicarboné hydroxyéthyle de E1 au groupe prosthétique lipoamide de E2 ferait d'abord intervenir l'oxydation de HETPP par la forme disulfure du groupe lipoamide pour former de l'acétyl TPP.

Cette étape serait suivie d'un transfert du groupe acétyle à la forme dihydro du lipoamide.

Ensuite, le coenzyme A (CoASH) réagirait avec le groupe acétyle pour former l'acétyl CoA et la forme réduite (sulfhydryle - SH) du lipoamide.

Source : "Principes de Biochimie" - Horton et al. (1994)

3ème étape : La sous-unité de dihydrolipoamide déshydrogénase (E3) catalyse la réoxydation du lipoamide réduit et E2 peut ainsi participer à un nouveau cycle catalytique.

Le groupe prosthétique de E3 est la flavine adénine dinucléotide (ou FAD) réduite en FADH2.

La réoxydation en FAD est couplée à la réduction du NAD+ en (NADH + H+).

En conséquence, l'étape de formation de l'acétyl-CoA contribue aussi à la synthèse finale d'ATP via le NADH formé (chaîne respiratoire ==> gradient de protons ==> force proton motrice).

La flavine adénine dinucléotide (FAD)

De nombreuses protéines appelées flavoenzymes comportent un groupe prosthétique qui participe au mécanisme catalytique :

• la flavine adénine dinucléotide ou FAD (l'ensemble de la molécule ci-contre)

• la flavine mononucléotide ou FMN (la partie en noir)

Le centre réactionnel est un noyau aromatique tricyclique, l'isoalloxazine (la partie en rouge):

• la partie de ce centre impliqué dans le déplacement des électrons au sein du complexe I de la chaîne respiratoire est colorée en rouge
• l'isoalloxazine est liée au ribitol, un ose dérivé du ribose
• l'ensemble de ces deux molécules constituent la riboflavine

Source : "Principes de Biochimie" - Horton et al. (1994)

c. Régulation allostérique de l'activité de la pyruvate déshydrogénase

Cette régulation contrôle la quantité d'acétyl CoA produite à partir du pyruvate.

Elle établit donc un lien avec le flux de la glycolyse.

Elle concerne les sous-unités :

• dihydrolipoamide acétyltransférase (E2)
• dihydrolipoamide déshydrogénase (E3)

En général, les substrats de la PDH sont des activateurs et les produits sont des inhibiteurs.