CHAINE RESPIRATOIRE ET PHOSPHORYLATION OXYDATIVE

PLAN

I/Introduction II/ Vue générale de la chaine de transport mitochondriale 1/ Origine des H2 et O2 nécessaires à la chaine 2/ Localisation des coenzymes réduits 3/ Eléments de la chaine d’oxydoréduction mitochondriale

PLAN

III/ Les quatre complexe transporteurs de GREEN IV/ Bilan énergétique de la CRM V/ Complexe V VI/ Couplage entre la chaine de transport des é et l’ATP synthase: théorie chimiosmotique VII/ Régulation de la CRM

INTRODUCTION

- L’énergie emmagasinée dans les glucides, les lipides et les protéines doit être convertie en ATP (énergie rapidement utilisable) qui est produit dans les mitochondries à partir de la CRM et la phosphorylation oxydative

VUE GENERALE SUR LA CRM

- Les é provenant de différentes réactions intracellulaires sont pris en charge - Parcourent une suite d’étapes redox en direction de l’O2 pour le réduire finalement en H2O - Abandonnent leur énergie pour constituer un gradient de protons à travers la membrane interne de la mitochondrie - Ce gradient permet la production d’ATP à partir d’ADP et de Pi

VUE GENERALE SUR LA CRM

VUE GENERALE SUR LA CRM

- Localisée dans la membrane interne des mitochondries où se trouvent les transporteurs d’é - Produit de l’ATP et de l’eau grâce à un processus constitué de 2 sous ensembles distincts:  La respiration cellulaire  La phosphorylation de l’ADP en ATP

VUE GENERALE SUR LA CRM

1/ Origine des H2 etO2 nécessaires à la chaine: - H2: provient des NADH,H+ et FADH2 (substrats de la CRM) - O2 moléculaire: provient de la respiration, la circulation sanguine et la diffusion dans les tissus 2/ Localisation des coenzymes réduits: - FADH2: mitochondries - NADH, H+:mitochondries et cytosol (nécessité de navettes pour traverser la membrane mitochondriale)

VUE GENERALE SUR LA CRM

3/ Eléments de la chaine respiratoire: - Le transport des é est progressif et utilise une série de systèmes redox au sein de complexes protéiques fixes et d’éléments mobiles  Quatre complexes de GREEN ( de I à IV): fixes, multi protéiques et transmembranaires  Deux transporteurs mobiles (ubiquinone et cytochrome C) qui assurent la continuité de la chaine en reliant les éléments fixes.

VUE GENERALE SUR LA CRM

- Le transport d’é du complexe I au complexe IV est séquentiel: I – UQ – III – cyt – IV OU II – UQ – III – cyt - IV

LES QUATRE COMPLEXES TRANSPORTEURS DE GREEN

1/ Complexe I: NADH – coenzyme Q oxydoréductase: - Catalyse le transfert de l’hydrogène du NADH, H+ vers l’ubiquinone.

- Contient la FMN et des protéines fer-soufre - L’entrée du NADH, H+ dans la chaine se fait au niveau du complexe I - Le substrat du complexe I est le NADH, H+ (E° = - 0,32 V) et l’accepteur de H+ et é est le coenzyme Q (E° = 0,06 V) NADH, H+ + UQ NAD+ + UQH2 Ubiquinone Ubiquinol

LES QUATRE COMPLEXES TRANSPORTEURS DE GREEN

- L’ubiquinol formé est très mobile dans la membrane et migre vers le complexe III - Cette réaction d’oxydoréduction est exergonique et libère suffisamment d’énergie pour déplacer des protons de la matrice vers l’espace intermembranaire: le complexe I est donc un site de pompage de H+

LES QUATRE COMPLEXES TRANSPORTEURS DE GREEN

2/ Complexe II: succinate – coenzyme Q oxydoréductase - Contient des protéines fer-soufre et du cytochrome b - L’entrée du FADH2 se fait au niveau du complexe II - Substrats du complexe II: FADH2 et succinate, l’accepteur de H+ et é est le coenzyme Q - Le complexe II:  Oxyde le succinate en fumarate et réoxyde le FADH2 (la réaction a un E° = 0,03 V)  Réduit le Co Q en QH2 (E° = 0,06 V) - L’ubiquinol formé migre vers le complexe III

LES QUATRE COMPLEXES TRANSPORTEURS DE GREEN

- La réaction ne libère pas suffisamment d’énergie pour qu’il y ait un pompage de H+ - En conséquence moins d’ATP est formé par l’oxydation du FADH2 que par le NADH,H+ - Deux autres enzymes à FAD constituent des variantes du complexe II:  La glycérol 3P déshydrogénase  L’acyl CoA déshydrogénase (β oxydation)

LES QUATRE COMPLEXES TRANSPORTEURS DE GREEN

3/ Complexe III: coenzyme Q – cytochrome C oxydoréductase - Un cytochrome est une protéine héminique (Fer), assure le transport des e- entre les complexes III et IV - Le rôle du complexe III est le transfert des e- de QH2 au cytochrome C et en même temps pomper les H+ à travers la membrane mitochondriale interne.

LES QUATRE COMPLEXES TRANSPORTEURS DE GREEN

- La cytochrome C oxydoréductase contient 2 types de cytochrome : b et c1 ainsi qu’une protéine Fe-S.

UQH2 + 2 cyt C fe+++ UQ + 2 cyt C fe++ - Site de pompage de H+ car la réaction est exergonique

LES QUATRE COMPLEXES TRANSPORTEURS DE GREEN

4/ Complexe IV: cytochrome C oxydase - Dernière enzyme de la CRM - Contient deux noyaux hèmes a et a3 , chacun d’entre eux étant associé à un atome de cuivre - Les é qui sont le substrat de l’enzyme sont apportés par le cytochrome C de l’espace intermembranaire et transférés par l’enzyme vers l’oxygène de la respiration qui diffuse des vaisseaux vers la matrice - Réaction exergonique: c’est donc un site de pompage de H+

OXYDATION BIOLOGIQUE ET CRM

BILAN ENERGETIQUE DE LA CRM

NADH + H+ + ½ O2 H2O + NAD+ ΔG° = - 220 KJ/ mole (- 52,6 Kcal/mole) ADP + Pi + H+ ATP + H2O ΔG° = + 30,5 KJ/ mole (+ 7,3 Kcal/mole) La synthèse d’ATP est proportionnelle au gradient de protons Trois sites de production d’ATP car la variation d’énergie est suffisante: complexe I, III et IV

QUELQUES EXEMPLES DE POTENTIELS REDOX DANS LES SYSTEMES D’OXYDATION

NAD+/NADH H+ SYSTEME Fumarate/Succinate Cytochrome b Fe+++/Fe++ E° (VOLTS) - 0,32 + 0,03 + 0,08 Ubiquinone oxydée/réduite Cytochrome c1 Fe+++/Fe++ Cytochrome a Fe+++/Fe++ Oxygène/eau + 0,10 + 0,22 + 0,29 + 0,82

COMPLEXE V: ATP SYNTHASE

- Constitué de 2 éléments:  S/U F1 (corpuscule de GREEN): située du côté de la matrice et constituée de plusieurs S/U polypeptidiques différentes qui produisent l’ATP dans la mitochondrie  S/U F0 transmembranaire: canal constitué de 4 chaines polypeptidiques différentes, à travers lequel les protons regagnent la matrice (canal protonique)

COMPLEXE V: ATP SYNTHASE

L’ATP synthase pompe les protons de l’espace intermembranaire vers la matrice - Parallèlement, elle récupère l’énergie que les autres enzymes de la CRM utilisent pour accumuler les protons dans l’espace intermembranaire.

- Cette énergie est couplée à la phosphorylation de l’ADP par un Pi en présence de Mg++ - L’ATP translocase et la porine sont des protéines qui permettent au coenzyme ATP/ADP de traverser la membrane mitochondriale

THEORIE CHIMIOSMOTIQUE

• La synthèse d’ATP dans la chaine respiratoire mitochondriale : - Ne se fait pas directement lors des étapes d’oxydation • - Est liée au transport des H+ de la matrice vers l’espace intermembranaire L’arrivée des H+ dans l’espace intermembranaire entraine : - Une baisse du pH de l’espace intermembranaire / matrice - Une accumulation de charges + sur la face externe de la membrane et de charges - dans la matrice (différence de potentiel membranaire)

THEORIE CHIMIOSMOTIQUE

• Le pompage des H+ dans l’espace intermembranaire entraine un retour dans la matrice - A travers le canal protonique F0 du complexe V (car la membrane interne est imperméable aux H+) - Le flux de H+ fait alors tourner F1 du complexe V: synthèse d’ATP

THEORIE CHIMIOSMOTIQUE

REGULATION DE LA CRM

 Le contrôle de la CRM dépend de la disponibilité de l’ADP - A l’état basal ATP>>> ADP - Si l’ADP augmente, la vitesse de la CRM augmente très rapidement et de façon très intense  Contrôle respiratoire: - Une inhibition du transfert d’é à l’O2 bloque la synthèse d’ATP - Réciproquement, une inhibition de l’ATP synthase bloque le transfert des électrons

REGULATION DE LA CRM

 Découplage: Normalement la chaine respiratoire et la phosphorylation oxydative sont associées. Mais le gradient de protons formé peut être dégradé sans que les protons traversent l’ATP synthase: il n’y aura pas d’ATP produit mais seulement de la chaleur