III. Rôle et origine des coenzymes réduits

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LA CHAINE RESPIRATOIRE MITOCHONDRIALE
I. Définition
II. Localisation
III. Rôle et origine des coenzymes réduits
IV. Transporteurs d’électrons
V. Composant de la chaîne respiratoire
VI. Synthèse d’ATP
VII. Régulation de la chaîne respiratoire
VIII.Inhibition de la chaine respiratoire
IX. Maladies mitochondriales
I. Définition
-
La chaîne respiratoire est définie comme un ensemble de réactions de transfert d’électrons
permettant la réoxydation des coenzymes réduits.
Elle aboutit à la création d’un gradient transmembranaire de protons qui va servir à fabriquer
l’ATP (molécule énergétique universelle utilisable).
II. Localisation
-
Elle se situe dans la mitochondrie. C’est la centrale énergétique de la cellule (elle fournit 90 à
95% de l’énergie nécessaire au fonctionnement de la cellule).
La mitochondrie est séparée du cytoplasme par deux membranes : la membrane interne et
externe.
Elle convertit l’énergie provenant des molécules digérées en énergie utilisable par la cellule à
savoir l’ATP (par transfert d’électrons).
La présence des mitochondries caractérise la vie en présence d’oxygène (aérobie). En effet
l’oxygène est l’accepteur final des électrons transférés.
La chaîne respiratoire est localisée dans la membrane interne des mitochondries. Cette
membrane a la particularité d’être imperméable à la plupart des ions et des molécules.
Chaque mitochondrie contient des milliers d’exemplaires de la chaîne de transport d’électrons.
III. Rôle et origine des coenzymes réduits
-
-
-
Lors de la dégradation des nutriments, les carbones sont oxydés alors que les coenzymes de la
réaction sont réduits. Ce sont ces coenzymes réduits qui sont les substrats de la chaine, ils
initient la chaine respiratoire.
Les voies qui fournissent ces coenzymes réduits sont :
o La glycolyse.
o La β-oxydation des acides gras.
o Le cycle de Krebs.
Les deux dernières voies fournissent la majorité du NADH et du FADH2 (substrats réduits).
L’ATP est formé lors de la réoxydation des coenzymes par la chaîne respiratoire.
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-
Le glucose est une molécule à 6 carbones. Il subit d’abord une phosphorylation puis la formation
de deux trioses, et enfin la formation du pyruvate.
Ce pyruvate peut rentrer dans la mitochondrie et sera oxydé en Acétyl-CoA.
Les acides gras rentrent dans la mitochondrie pour subir la β-oxydation qui à chaque tour fournit
des coenzymes réduits : le NADH et le FADH2. Elle fournit également de l’Actyl-CoA (rentre dans
le cycle de Krebs).
Selon les types d’acides aminés, ils peuvent être :
o Soit dégradé en pyruvate pour rentrer ensuite dans le cycle de Krebs.
o Soit rentré directement dans le cycle de Krebs.
Le cycle de Krebs consomme :
o Du dioxygène.
o Du NAD+ et du FAD (coenzymes oxydés).
Et il fournit :
o Du NADH et du FADH2 (coenzymes réduits).
o Du dioxyde de carbone.
La chaîne respiratoire consomme :
o Ces coenzymes réduits.
o De L’ADP.
o De l’oxygène.
Pour fournir :
o De l’ATP.
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o
o
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Des coenzymes oxydés.
De l’eau.
L’énergie chimique des coenzymes est contenue dans les électrons qu’elles portent à l’état
réduit. Cette énergie est libérée lors de leur réoxydation.
Réaction d’oxydoréduction (rappel) :
o Le donneur réduit fournit un électron pour devenir donneur oxydé.
o L’accepteur oxydé récupère un électron pour devenir accepteur réduit.
IV. Transporteurs d’électrons
-
Il existe quatre types de transporteurs d’électrons :
o Nucléotides (NADH, FMN, FAD).
o Coenzyme Q ou ubiquinone.
o Cytochromes (contiennent un atome de fer qui transporte l’électron).
o Protéines Fer-Soufre.
1. Les nucléotides
-
Ce sont des transporteurs de protons et d’électrons. Ils subissent une perte d’hydrogène.
Cette famille est représentée par les coenzymes nicotiniques et flaviniques.
NADH (Nicotinamide Adénine Dinucléotide)
NADH,H+ –(oxydation)→ NAD+ + 2e- + 2H+
FADH2
FADH2 –(oxydation)→ FAD + 2e- + 2H+
FMNH2 (Flavine MonoNucléotide)
FMNH2 –(oxydation)→ FMN + 2e- + 2H+
2. Les coenzyme Q
-
-
La molécule présente une longue chaîne hydrophobe qui permet à son coenzyme d’être
liposoluble. Ainsi il peut avoir une situation membranaire qui lui permet de diffuser dans la
membrane.
L’ubiquinone (Q) oxydée prend un électron de l’oxydant pour donner une semiquinone (Q-1) qui
est un radical libre. Si l’oxydation continue elle devient une l’ubiquinol (QH2) correspondant à la
forme réduite.
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3. Les cytochromes
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-
Ce sont petites protéines avec un noyau héminique dont l’atome de fer sert de transporteur
d’électron.
En effet l’atome de fer peut osciller facilement entre sa forme réduite (Fe2+) et sa forme oxydé
(Fe3+).
Les cytochromes ne peuvent transporteur qu’un électron (tandis que l’ubiquinone pouvaient
transporter 2 ou 3 électrons).
Les cytochromes sont différenciés par rapport à :
o Leur partie protéique.
o Les chaînes latérales du noyau hémique.
Exemple du cytochrome C :
Il possède bien entendu un noyau hémique contenant un atome de Fer.
Il est soluble dans l’espace inter-membranaire : c’est le deuxième transporteur mobile (après
l’ubiquinone).
Il sert donc de navette d’électron entre le complexe III et IV.
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4. Les protéines Fer-Soufre
-
Ce sont des protéines ayant une forme en fer à cheval.
Contrairement aux cytochromes où le fer est pris dans un noyau hémique, ici le fer est libre non
hémique.
Cet atome de fer peut être lié à :
o Des atomes de soufre organique (S) appartenant à des résidus de cystéines.
o Des atomes de soufre libres (aussi appelés soufre-inorganiques).
-
Les protéines fer-soufre Fe présentent :
o 1 atome de fer.
o 4 atomes de soufres organiques.
o 0 atome de soufre inorganique.
-
Les protéines fer-soufre Fe2S2 présentent :
o 2 atomes de fer.
o 4 atomes de soufres organiques.
o 2 atomes de soufres inorganiques.
-
Les protéines fer-soufre Fe4S4 présentent :
o 4 atomes de fer.
o 4 atomes de soufres organiques.
o 4 atomes de soufres inorganiques.
V. Composants de la chaîne respiratoire
-
La chaine respiratoire (aussi appelé chaine d’oxydoréduction) comporte :
o Quatre complexes ancrés dans la membrane interne de la mitochondrie.
o Deux transporteurs mobiles : l’ubiquinone et le cytochrome C.
1. Caractéristiques des complexes
Complexe
Complexe I
Enzymes
NADH-déshydrogénase
Complexe II
Succinate-déshydrogénase
Complexe III
Ubiquinone-cytochrome-Coxydoréductase
Complexe IV
Cytochrome-C-oxydase
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Conenzymes
FMN
Protéine Fer-Soufre
FAD
Protéine Fer-Soufre
Cytochrome B
Cytochrome C1
Protéine Fer-Soufre
Cytochrome A
Cytochrome A3
Cuivre
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-
Ces complexes sont ancrés dans la membrane. Il faut avoir recours à un détergent pour
solubiliser les lipides de la membrane cellulaire afin de les récupérer et de les étudier.
2. Potentiel d’oxydoréduction standard (E0’)
-
Le potentiel d’oxydoréduction (E0’) définit la faculté de composants à perdre ou à gagner des
électrons.
La direction du flux des électrons le long de la chaine respiratoire est déterminée par la valeur
des potentiels d’oxydoréduction des composants de la chaine.
Les électrons se déplacent du plus faible E0’ au plus fort E0’.
Couple d’oxydoréduction
Complexe I
NAD+/NADH
FMN/FMNH2
Complexe II
FAD/FADH2
Q/QH2
Complexe III
Cyt-B (Fe3+)/Cyt-B (Fe2+)
Cyt-C1 (Fe3+)/Cyt-C1 (Fe2+)
Cyt-C (Fe3+)/Cyt-C (Fe2+)
Complexe IV
Cyt-B (Fe3+)/Cyt-B (Fe2+)
Cyt-A3 (Fe3+)/Cyt-A3 (Fe2+)
½ O2 / H2O
- Le transfert d’électron se fait de haut en bas du tableau.
E0’ (volts)
-0,32
-0,30
-0,30
0,045
0,077
0,220
0,254
0,290
0,550
0,816
3. Sens du transfert des électrons
4. Complexe I
-
Oxyde NADH (coenzyme réduit) en NAD+ (coenzyme oxydé) avec libération de deux électrons
riches en énergie.
Un des deux électrons va aller réduire le FMNH2 (coenzyme oxydé) en FMN (coenzyme réduit).
Cette réaction a pour but de repasser vers un flux d’un seul électron.
Il y a un système de pompage qui fait que le proton pris de la matrice va être envoyé dans
l’espace inter-membranaire.
2. Complexe II
-
On passe du fumarate (forme réduite) en succinate (forme oxydé) avec libération d’énergie.
De même façon qu’avec le complexe I, on a la fin le passe du coenzyme Q (oxydé) au conenzyme
QH2 (réduit).
La différence entre ces deux complexes est que dans le complexe I il y a un pompage des
protons. Dans le complexe II il n’y a pas de système de pompage.
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3. Complexe III ou Ubiquinone-cytochrome-C-réductase
-
L’ubiquinone réduite obtenue soit par le complexe I soit par le complexe II va être réoxydé au
niveau du complexe III.
Les électrons passent dans les complexes III qui contient des cytochrome-C, des cytochrome-C1
et des protéines fer-soufre.
Ce complexe permet de passer d’un cytochrome-C (Fe3+) à un cytochrome-C (Fe2+).
Comme dans le complexe I, il y a un pompage des protons de la matrice vers l’espace intermembranaire.
4. Complexe IV ou Cytochrome-C-oxydase
-
Le complexe III réduit le cytochrome-C. Ces électrons réduits du cytochrome C sont utilisés dans
ce complexe pour redonner un cytochrome-C-Fe3+ (oxydé).
A la fin du complexe IV l’oxygène est réduit en eau.
Comme pour les complexes I et III, il y a un pompage des H+ de la matrice vers l’espace intermembranaire.
5. Résumé de la chaîne respiratoire
-
-
L’énergie libre diminue lors du transfert des électrons.
Le transfert d’électrons entraine un pompage de protons de la matrice mitochondriale vers
l’espace inter-membranaire (pour les complexes I, III et IV).
Il est à l’origine de la création d’un gradient de protons : il y a plus de [H+] dans l’espace intermembranaire que dans la matrice.
La membrane interne est imperméable aux protons, ce qui permet l’établissement de ce
gradient.
Ce gradient de protons à deux conséquences :
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o
o
Création d’un gradient chimique entre la matrice et l’espace inter-membranaire
(diminution du pH dans l’espace inter-membranaire).
Création d’un potentiel de membrane positif (et l’espace inter-membranaire est chargé
négativement).
VI. La synthèse d’ATP
1. Couplage réactionnel
-
-
-
Cette synthèse se fait grâce un couplage réactionnel appelé phosphorylation-oxydative :
o La chaine d’oxydoréduction : transport d’électrons et de protons des coenzymes réduits
vers O2 (réaction exergonique).
o Cette chaine d’oxydoréduction est couplée à un mécanisme de phosphorylation :
synthèse d’ATP par l’ATP –synthase à partir de l’ADP (réaction endergonique).
La synthèse d’ATP est dépendante de la chaine respiratoire via le gradient de protons. Une fois
les protons passés dans l’espace inter-membranaire, ils ne peuvent pas repasser vers la matrice à
cause de l’imperméabilité de la membrane interne.
Ces protons vont donc passer au niveau de l’ATPase pour lui fournir de l’énergie permettant la
formation d’ATP à partir d’ADP : c’est la théorie chimio-osmotique.
2. L’ATP-synthase
-
L’ATP-synthase est constituée :
o D’une partie F0, présente dans la membrane interne, formée d’un canal à proton.
o D’une partie F1, présente dans la matrice, permettant la synthèse d’ATP.
-
L’ensemble permet la force protomotrice.
3. Bilan du rendement de la chaine respiratoire
-
-
Du NADH a l’oxygène via les complexes I, III et IV.
o ½ O2 + NADH + H+ ↔ H2O + NAD+
o Lors de ce transfert d’électrons il y a 10 protons qui sont expulses pour 2 électrons.
o Cela permet la création de 3 molécules d’ATP (par l’ATP-synthase).
Du succinate à l’oxygène via les complexes II, III, IV.
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o ½ O2 + succinate ↔ H2O + fumarate.
o Lors de ce transfert d’électrons il y a 6 protons qui sont expulses pour 2 électrons.
o Cela permet la création de 2 molécules d’ATP (par l’ATP-synthase).
Les rendements sont donc différents.
VII. Régulation de la chaîne respiratoire
-
Cette régulation dépend de l’apport en :
o NADH.
o Oxygène.
o ADP + Pi (facteur limitant).
-
Au repos, le rapport
-
A l’effort, le rapport
s’abaisse du fait de la consommation d’ATP, donc la vitesse
de phosphorylation s’accélère.
o L’oxygène (accepteur final) devient avec un facteur limitant.
o Le muscle fonctionne partiellement en anaérobie et envoie le NADH vers une autre voie
de réoxydation.
o Pyruvate – (NADH→ NAD)→ Lactate
Cette réaction se fait grâce à la lactate-déshydrogénase.
o L’accumulation de lactate provoque la fatigue musculaire et les crampes.
est élevé donc la phosphorylation tourne au ralenti.
1. L’ATP/ADP translocase
-
-
L’ATP/ADP translocase est une enzyme clé :
o Elle permet le passage d’un ATP4- de la matrice vers l’espace inter-membranaire.
o Et celui de l’ADP3+ de l’espace inter-membranaire vers la matrice.
Elle facilite le transport d’une molécule d’ADP en échange d’une molécule d’ATP : c’est une
molécule de transport antiport.
La vitesse de l’enzyme contrôle la vitesse de la chaine respiratoire.
Toute diminution du rapport ATP/ADP dans le cytoplasme est répercutée sur le rapport ATP/ADP
dans la matrice et donc la chaine respiratoire s’accélère.
VIII. Inhibition de la chaine respiratoire
1. Inhibiteurs du transfert d’électrons
-
-
L’inhibiteur du complexe I est la roténone :
o Elle se complexe avec la NADH-déshydrogénase entrainant l’accumulation de NADH.
o Le transfert des électrons peut quand même se faire par le complexe II
L’inhibiteur du complexe II est le malonate :
o C’est un compétiteur du succinate pour la succinate-déshydrogénase.
o Le transfert des électrons peut quand même se faire par le complexe I.
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L’inhibiteur du complexe III est l’antimycine :
o Il bloque le transfert des électrons à travers le complexe Cyt-B/Cyt-C1.
o Si on bloque le complexe III on bloque le transfert d’électrons et il n’y a donc pas de
synthèse d’ATP.
Les inhibiteurs du complexe IV est le cyanure ou le monoxyde de carbone.
o Le cyanure se lie au Fe3+ du cytochrome aa3.
o L’O2 ne peut pas recevoir d’électrons. La respiration est inhibée, la production d’énergie
est stoppée et donc cela entraine une mort rapide.
2. Inhibiteurs de la synthèse d’ATP
-
-
Cette inhibition de la synthèse d’ATP se fait au niveau de l’ATP-synthase.
L’oligomycine :
o Se lie au complexe de l’ATP –synthase.
o Elle empêche la conversion de l’ADP en ATP.
On peut diminuer l’apport d’ADP.
On peut également bloquer l’ATP/ADP-translocase.
3. Les agents découplants
-
-
Ils suppriment la transmission d’énergie entre la chaine d’oxydoréduction et l’ATP-synthase.
Ces agents découplants « court-circuitent » l’ATP-synthase en créant un canal à travers la
membrane interne. Cela permet d’augmenter la perméabilité aux protons ;
Le passage des protons de l’espace inter-membranaire vers la matrice entrainant un dégagement
de chaleur mais pas de synthèse d’ATP.
Les agents découplants :
o Ils peuvent être des composés chimiques (tels que le DNP).
o Des hormones thyroïdiennes.
o La thermogénine.
-
a. Le DNP (2,4 dinitrophénol)
Il est dissous dans les lipides de la membrane interne et la rend perméable aux protons.
Il y a donc une fuite de protons vers la matrice ce qui entraine la diminution du gradient de
protons.
Cela permet l’activation de la chaine respiratoire.
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b. Les hormones thyroïdiennes
Elles induisent l’expression de gènes qui codent pour des protéines découplantes.
-
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Les protons passent dans la matrice donc il y a diminution du gradient de protons.
c. La thermogénine
On la retrouve dans le tissu adipeux brun. Ce tissu adipeux multi-lobulé contient beaucoup de
mitochondries. Son rôle est de garder la température corporelle du nouveau né.
Les membranes des mitochondries possèdent des protéines de transport de protons noncouplées à des ATP-synthases : ce sont les thermogénines.
4. Corrélations cliniques
-
Hyperthermie maligne : anesthésiques inhalés chez des personnes sensibles.
Infarctus du myocarde :
o Il y a un défaut d’apport d’oxygène à l’origine d’une inhibition du transport des électrons
et de la phosphorylation oxydative.
o Il y a alors une diminution de la synthèse d’ATP qui fait que le muscle cardiaque reçoit
moins d’énergie (pour la contraction et l’intégrité de la membrane).
o Ces cellules lésées libèrent des enzymes retrouvées dans la circulation sanguine.
IX. Les maladies mitochondriales
1. Génétiques
-
-
Les mitochondries possèdent leur propre ADN.
La transmission des maladies mitochondriales est maternelle.
Les mutations sur des gènes de protéines mitochondriales :
o Les mutations sur ces gènes mitochondriaux vont entrainer des maladies génétiques
dont beaucoup sont des maladies avec un retentissement musculaire ou neurologique.
o Exemple de la neuropathie optique héréditaire de Leber (mutation du complexe I).
Les mutations sur des gènes de protéines non mitochondriaux mais affectant la fonction
mitochondrial :
o L’hémochromatose : surcharge en fer qui a des conséquences sur le complexe III.
o Maladie d’Huntington : mutation d’une protéine appelée huntingtine qui est à l’origine
d’une diminution de l’expression d’une des sous-unités du complexe II.
2. Associées parfois avec un dysfonctionnement mitochondrial (non génétiques)
-
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Divers facteurs peuvent les causer :
o Age.
o Diabète.
o Athérosclérose.
Des facteurs environnementaux :
o Empoisonnement au monoxyde de carbone (inhibiteur du complexe IV).
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X. A retenir
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La chaine respiratoire est l’étape finale de la respiration cellulaire et fournit l’ATP à tout
l’organisme.
C’est un ensemble de réactions de transfert d’électrons permettant la réoxydation des
coenzymes réduits.
Cette chaine respiratoire est localisée dans la membrane interne de la mitochondrie
(imperméable aux protons).
La chaine respiratoire est composée de 4 complexes ancrés dans la membrane interne de la
mitochondrie et de deux transporteurs mobiles (ubiquinone et cytochrome-C).
Le transfert d’électrons crée un gradient transmembranaire de protons qui va server à fabriquer
de l’ATP (molécule énergétique universelle utilisable) : théorie chimio-osmotique.
Le transport des électrons (réaction exergonique) et la synthèse d’ATP (réaction endergonique)
se font simultanément et son étroitement couplés.
L’oxydation d’un NADH produit 3 ATP (complexe I) tandis que l’oxydation d’un FADH2 produit 2
ATP (complexe II).
L’ATP est transportée de la matrice vers le cytosol en échange d’ADP via l’ATP-translocase.
Cours d’Inès Masmoudi. PCEM2 2009-2010.