PHOSPHORYLATION OXYDATIVE

LES NAVETTES
&
LA PHOSPHORYLATION
OXYDATIVE
LA RESPIRATION CELLULAIRE AÉROBIE
La respiration cellulaire aérobie comprend 3 stades
métaboliques:
1.
La glycolyse
2.
Le cycle de Krebs
3.
CYTOSOL
MATRICE MITOCHONDRIALE
La chaîne de transport d’électrons
et phosphorylation oxydative
MEMBRANE
INTERNE DE LA
MITOCHONDRIE
LA RESPIRATION CELLULAIRE AÉROBIE
Glycolyse
Phase d’
d’investissement
d’é
nergie
d’énergie
‰ Le glucose entre dans la cellule par
une perméase.
‰ Deux phosphorylation se succèdent.
‰ La molécule résultante est scindée en
2.
‰ On obtient 2 molécules de
phosphoglycéraldéhyde (PGAL)
qui vont prendre part à la deuxième
phase.
Phase de libération d’énergie
‰ Il y a une réaction d’oxydation qui
réduit le NAD+ en NADH + H+ (x2).
‰ On attache du Pi au PGAL.
‰ Il y a création de 2 molécules d’ATP.
‰ On réarrange les électrons du substrat.
‰ Il y a création de 2 autres molécules
d’ATP.
Bilan total de la glycolyse
Glucose Æ 2 PGAL Æ 2 Pyruvate
+ 2 ATP
+ 2 NADH + 2 H+
LA RESPIRATION CELLULAIRE AÉROBIE
DECARBOXYLATION OXYDATIVE
Le pyruvate entre dans la mitochondrie grâce à une
perméase
‰ Les groupements carboxyles des pyruvates sont éliminés et
libérés sous forme de CO2.
‰ Les fragments restants sont oxydés et le NAD+ est réduit en
NADH + H+ (x2).
‰ La coenzyme A s’unit avec les molécules formées.
‰ On obtient 2 molécules d’acétyl-CoA qui peuvent entrer
dans le cycle de Krebs.
Cycle de Krebs
‰ L’acétyl-CoA entre dans le
cycle en se liant à
l’oxaloacétate pour former
du citrate.
‰ Il y a 3 oxydations qui
réduisent le NAD+ en
NADH + H+ (x2).
‰ Il y a 1 oxydation qui
réduit le FAD en FADH2
(x2).
‰ Il y a création de 2 ATP.
Bilan total du cycle de Krebs
2Pyruvates Æ2acétyl-CoA + 2oxaloacétates Æ 2citrates Æ 2oxaloacétates
+ 2 ATP
+ 8 NADH + 8 H+
+ 2 FADH2
+ 6 CO2
LA RESPIRATION CELLULAIRE AÉROBIE
Chaîne de transport d’électrons
et phosphorylation oxydative
‰ La majeure partie de l’énergie extraite des nutriments est
libéré par le NADH + H+ et la FADH2.
‰ le NADH + H+ et la FADH2 relient la glycolyse et le cycle
de Krebs à la machinerie de la phosphorylation oxydative,
qui alimente la synthèse de l’ATP avec l’énergie libérée
par la chaîne de transport d’électrons.
L'oxydation d'une substance organique consiste
dans la plupart des cas en une perte d'hydrogène
(déshydrogénation).
Un atome d'hydrogène (H) extrait d'une molécule
organique peut être imaginé comme décomposé en
un ion hydrogène,
un proton (H+) et un électron (e-).
C'est pour cette raison qu'une molécule qui perd
de l'hydrogène perd un électron, et donc
s'oxyde.
Au cours de la respiration, l'hydrogène finit
toujours par se lier à l'oxygène pour former de
l'eau.
NADH2 ou FADH2 sont des donneurs
d'hydrogènes.
L'hydrogène cédé passe avec son électron le
long d'une chaîne d'au moins cinq composés, les
transporteurs d'électrons, à travers une
succession de réactions d'oxydoréduction, avant
de se lier à l'oxygène.
Chacune de ces réactions de déshydrogénation
libère une certaine quantité d'énergie, qui est
utilisée pour former l'ATP, une molécule qui
fonctionne comme une réserve d'énergie.
NADH + ½ O2 + H+ → NAD+ + H2O
NADH et FADH2 formés au cours de la
glycolyse et le cycle de Krebs sont des
molécules « riches en énergie » car elles
possèdent une paire d’électrons à haut
potentiel de transfert.
Quand ces électrons sont donnés à une
molécule d’oxygène, une grande quantité
d’énergie libre est libérée.
L’énergie libre de la réoxydation des
coenzymes est utilisable pour créer de l’ATP.
Le NADH (ou le
FADH2) cède ses
électrons riches en
énergie à un
transporteur
d'électrons de la
membrane interne
de la mitochondrie.
Les électrons
passent d'un
transporteur à
l'autre. À
chaque
transfert, ils
perdent de
l'énergie.
L'oxygène
accepte les
électrons à la fin
de la chaîne et se
combine aux 2 H+
pour former de
l'eau.
•Des atomes d’hydrogènes sont arrachés à NADH, H+
ou (FADH2).
•Ces atomes pénètrent dans la chaîne respiratoire où
ils sont dissociés en protons et électrons.
• Des coenzymes à l’oxygène, les protons et électrons
sont transportés à travers une chaîne d’oxydoréduction constituée par les composants de la chaîne
respiratoire.
•Les électrons sont transférés via le Coenzyme Q et
une série d’enzymes, les cytochromes, jusqu’à
l’oxygène moléculaire. Ils réagissent avec l’oxygène et
les protons pour former de l’eau.
•Les protons passent de la membrane interne à
l’espace intermembranaire via les complexes 1, 3 et 4
fonctionnant comme des pompes.
La CRM et phosphorylation oxydative
Espace IntermbR
Navette Glycérol 3P
4H+
Gly3‐P
DHAP
2H+
4H+
Cyt c (Fe2+)
FADH2
FeS
Cyt c (Fe3+)
CoE Q
FeS
FADH2
Cyt a
Cu2+
FeS
FMN
NADH+H+
Cyt C1
FeS
FADH2
CoE QH2
Cyt a3
Cyt b
Cu2+
FeS
α β
NAD+ Succinate Fumarate Acyl‐ Δacyl‐coA
coA
2H+ + ½ O2 + 2e‐ H2O
ADP + Pi
H+
ATP
C1 C2 Acyl‐CoA DH C3 C4 C5
Matrice mito
+
+
H+,H+ H ,H
2Fe 3+
FMNH2
Q
2Fe
2+
QH2 QH2 QH2
FMN
4H+
NADH+H+
NAD+
COMPLEXE I
H+,H+
cytc
cytbL
+
e-,eH+,H
H+e-,e,H+
e-,eQH2
QH
cytbH
QH2 2
QH2
cytc1
FeS
COMPLEXE III
H+,H+
H+,H+
cytc cytc cytc cytc cytc cytc
cytbL
cytc1
QH2
cytbH
FeS
H+,H+
COMPLEXE III
H+ +
H
cytc cytc cytc
Cyta
cytbH
Cyta3
H+
1/2 O
H+1/2
22
H+
4H+
H22O
COMPLEXE IV
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+ H+
NADH + H+
I
H+
H+
III
IV
1/2
H+
O2
3H+
F0
matrice
F1
ADP
Pi
ATP
L'énergie provenant des électrons transférés sert à
"pomper" des ions H+ dans l'espace intermembranaire
de la mitochondrie (entre la membrane externe et
l'interne)
Le pH dans l’espace intermembranaire est de 7, et celui dans la matrice mitochondriale est de 8.
Formation d'un gradient électrochimique
Accumulation d'ions
H+ dans l'espace
intermembranaire
Gradient de
concentration :
l'espace
intermembranaire
devient plus
concentré en ions H+
(plus acide).
Gradient électrique : un côté de la membrane
devient positif (accumulation d'ions +) et
l'autre, négatif (déficit en ions + par rapport aux
ions -).
Gradient électrochimique ==> les ions H+ ont tendance à
diffuser vers la matrice (= force protomotrice).
Ils le font en passant par des ATP synthétases.
¤ Le réel potentiel énergétique pour la synthèse
d'ATP provient de la FORCE PROTON MOTRICE
¤ C'est le retour des protons vers la matrice, qui
est le moteur de la machinerie de la synthèse de
l'ATP.
¤ Il faut 3 protons pour synthétiser une
molécule d'ATP et lors de ce transfert :
10 protons sont expulsés pour deux électrons
fournis par le (NADH + H+) réoxydé
6 protons sont expulsés pour deux électrons
fournis par le (FADH2) réoxydé.
‰ Chaque NADH + H+ libère assez d’énergie
pour la formation de 3 ATP.
ATP
‰ Chaque FADH2 libère assez d’énergie pour la
formation de 2 ATP.
ATP
La CRM et phosphorylation oxydative
But:
-
Réoxydation de NADH+ et FADH2
Utilisation du pouvoir réducteur de ces co-Enzymes pour la
synthèse d’ATP
La synthèse d’ATP se fait grâce:
-
Force proton motrice du au passage des protons à travers F1
Gradient de pH ( pH(Espace intermembranaire) < pH(matrice) )
Potentiel électrique (accumulation de charges + dans l’espace
intermembranaire)
La vitesse de phosphorylation oxydative dépend:
-
De l’apport en NADH
De l’apport en oxygène
Réoxydation des NADH,H+ cytosoliques /
Régénération du pouvoir oxydant de la glycolyse :
les navettes
Le NADH,H+ a deux origines :
• cytosolique : Il est formé essentiellement dans la réaction
d'oxydoréduction de la glycolyse, par consommation de NAD+
(pouvoir oxydant de la glycolyse).
•Mitochondriale : Il est formé dans les réactions d'oxydation du
pyruvate, des acides gras et du cycle de Krebs.
Le NADH,H+ formé dans ces conditions est déjà à l’intérieur de
la mitochondrie et sa réoxydation est assurée par le transport
des électrons jusqu’à l’oxygène par la chaîne respiratoire.
La réoxydation de NADH,H+ en NAD+, indispensable
au maintien de l’activité glycolytique, n’est pas assurée
dans le cytosol des organismes aérobies et n’est possible
que si ses électrons sont transportés dans la
mitochondrie et jusqu’à l’oxygène.
La difficulté vient du fait que le NADH,H+ cytosolique
ne peut pas traverser la membrane mitochondriale
interne qui ne dispose pas de transporteur pour les
coenzymes nicotiniques (NADH,H+ et NAD+).
Pour contourner ces difficultés, la cellule a développé
des navettes qui assurent le transport des électrons et
des protons du cytosol dans la matrice à travers la
membrane mitochondriale.
Le principe est simple. La navette est assurée par des
composés qui peuvent être transportés, sous forme
oxydée ou réduite, à travers la membrane
mitochondriale interne grâce à des transporteurs
spécifiques.
Elle utilise l’interconversion des fonctions cétone et
alcool secondaire.
secondaire
Le composé transporteur oxyde, dans le cytosol, le
NADH,H+ en récupérant les électrons et les protons.
Il traverse la membrane interne et restitue, en se
réoxydant, les électrons et les protons à NAD+ ou FAD
mitochondrial. Il retourne ensuite dans le cytosol.
Navette
3-P Glycérol/3-P dihydroxyacétone
La navette utilise l’interconversion du 3-P
dihydroxyacétone et du 3-P glycérol. La
réaction est catalysée par la 3-P glycérol
déshydrogénase à NADH,H+/NAD+ dans le
cytoplasme et à FADH2/FAD dans la matrice
mitochondriale.
Deux glycérol phosphate déshydrogénases différentes
participent à cette navette :
• une, cytosolique, coenzyme NAD+ ;
• l'autre, mitochondriale, située sur la face externe de la
membrane interne, coenzyme FAD.
Les équivalents réducteurs du NADH cytosolique se retrouvent
par le jeu de ces deux enzymes au niveau du FADH2 dans la
membrane interne mitochondriale. Puis, ces deux électrons
sont transférés, via l'ubiquinone, au complexe III de la chaîne
respiratoire. Donc, la réoxydation du NADH cytosolique par
cette navette a un coût énergétique ; elle ne permet la synthèse
que de 2 ATP au lieu des 3 produits par la réoxydation d'un
NADH mitochondrial.
Navette pour le NADH
Navette Aspartate/malate
La navette est plus compliquée car elle suppose
d’abord la formation de l’oxaloacétate par une
réaction de transamination entre l’aspartate et l’alphacétoglutarate.
L’oxaloacétate formé ne dispose pas de transporteur. Il
est réduit en malate par les électrons et les protons de
NADH,H+ cytosolique. Le malate, l’aspartate et
l’alpha-cétoglutarate sont capables de traverser la
membrane mitochondriale interne. L’interconversion
du malate et de l’oxaloacétate est catalysée par la
malate déshydrogénase.
Malate-Aspartate Shuttle (liver, kidney, heart)
α-ketoglutarate
Glutamate
52
Summary
Glucose
ATP
Fig. 16-9
A RETENIR
y • Le métabolisme est l'ensemble des réactions
y
y
y
y
chimiques de la cellule, il est composé du catabolisme
(dégradations) et de l'anabolisme (synthèses).
• La glycolyse est la transformation du glucose en deux
molécules d'acide pyruvique, elle se déroule dans le
cytoplasme.
• L'acide pyruvique est transformé en acétylcoenzyme
A, qui sera totalement dégradé dans la matrice de la
mitochondrie.
• La chaîne respiratoire oxyde les coenzymes réduits au
cours des réactions précédentes, et permet à l'ATPase
de produire de l'ATP, au niveau des crêtes
mitochondriales.
• Le bilan global de la combustion d'une molécule de
glucose est la production de 36 ou 38 molécules d'ATP
selon les navettes et de chaleur.
F
I
N