deverneuil4oxydphosnb

I – RAPPELS SUR L’OXYDO-REDUCTION (1)
LES OXYDATIONS PHOSPHORYLANTES
(PHOSPHORYLATION OXYDATIVE)
I – Rappels préliminaires sur l’oxydo-réduction
II – Introduction
III – Organisation de la chaîne respiratoire
IV – Mécanisme de formation de l’ATP
V – Bilan énergétique
VI – Régulation
VII – Formation et élimination des dérivés toxiques de
l’oxygène
VIII – Cytopathies mitochondriales
Réaction d ’oxydo-réduction : transfert d’électrons entre 2 entités
chimiques ou biochimiques: un oxydant et un réducteur.
L’oxydant est l’espèce qui capture 1 ou 2 électrons
Le réducteur est l’espèce qui cède 1 ou 2 électrons
Oxydant + n eréducteur
Un agent oxydant donné ne peut oxyder que certains systèmes
Un agent réducteur donné ne peut réduire que certains systèmes:
RT ln [red]
nF
[ox]
Référence standard: H+ (1M) : H2 (1 atm) où E0 = 0
Potentiel de réduction
-
Réaction d ’oxydo-réduction : 2 couples rédox (couple 1 est l ’oxydant)
ox1 + red 2
I – RAPPELS SUR L’OXYDO-REDUCTION (2)
E = E0
red1 + ox2
I – RAPPELS SUR L’OXYDO-REDUCTION (3)
Différence de potentiels de réduction :
ΔE = E1 - E2 = ΔE0 -
RT ln
nF
[red1] [ox2]
[ox1] [red2]
( E01 - E02 )
ΔG = - n FΔE ou ΔG0’ = - n FΔE0’
Etat standard en biochimie: H+ = 10-7 M (pH=7) au lieu de 1M (pH=0)
Les valeurs de E0 , notées E0’ sont décalées de - 0, 42 volt.
ΔE = ΔE0’ -
RT
ln
nF
La loi de Nernst relie la valeur de ΔE et celle de ΔG :
[red1] [ox2]
[ox1] [red2]
Les électrons vont passer du couple rédox 2 (le réducteur)
de bas potentiel standard E0’2 vers le couple rédox 1
( l’oxydant) de plus haut potentiel standard E0’ 1.
ΔE0’ = E0’ 1 - E0’ 2 est positif et donc ΔG0’ est négatif.
1
Potentiels de réduction standard des transporteurs d’électrons
impliqués dans la chaîne respiratoire
E0’ (V)
Réaction redox (demi-réaction)
2H+ + 2eH2
NAD+ + H+ + 2e-
I
III
NADH déshydrogénase (FMN) + 2H+ + 2 eNADH déshydrogénase (FMN H2)
- 0,30
Ubiquinone + 2H+ + 2e-
ubiquinol
0,04
Cytochrome b (Fe3+) + e-
cytochrome b (Fe2+)
0,08
Cytochrome c1 (Fe3+) + e-
cytochrome c1 (Fe2+)
0,22
0,25
Cytochrome a (Fe3+) + e-
cytochrome a (Fe2+)
0,29
Cytochrome a3 (Fe3+) + e-
cytochrome a3 (Fe2+)
0,55
1O
2 2
(Fe3+)
+ e-
(Fe2+)
Cytochrome c
IV
- 0,42
- 0,32
NADH
+ 2H+ + 2e-
cytochrome c
H2O
0,81
MITOCHONDRIE ET COMPLEXES ENZYMATIQUES
MME
MMI
- complexes I à IV
- ATP synthase
- Translocases
Canaux de porine
II - INTRODUCTION
Les mitochondries sont le lieu essentiel de la production
d’énergie chimique qui est stockée sous forme d’ATP:
elles consomment plus de 90% de l’oxygène utilisée par la cellule.
Les oxydations cellulaires impliquent majoritairement
des deshydrogénations où l’énergie chimique est conservée
sous forme de coenzymes réduits:
AH2 + FAD
A + FADH2 (lié à son apoenzyme)
BH2 + NAD+
B + NADH + H+ (coenzyme mobile)
Le transfert d’électrons se fait sous la forme:
2 H+ + 2 e- ou H- + H+ : Équivalents réducteurs
La chaîne respiratoire est formée de catalyseurs en ligne
qui transportent les électrons jusqu’à O2 pour former H2O.
Cette suite de réactions d’oxydation est couplée à la
formation d’ATP: « Oxydations phosphorylantes ».
III - ORGANISATION DE LA CHAINE
Succession de complexes multiprotéiques:
dont les sous-unités dépendent du génome nucléaire (64)
et du génome mitochondrial (13)
EIM
Matrice mitochondriale
- protéines fonctionnant avec le coenzyme soluble NAD+
- flavoprotéines : coenzymes FMN ou FAD
- cytochromes : protéines à fer héminique
- protéines fer-soufre : fer non héminique lié à des S de CYS
- un transporteur non protéique, l’ubiquinone ou coenzyme Q
- pyruvate deshydrogénase
- enzymes du cycle de Krebs
- enzymes de la β-oxydation
2
III - ORGANISATION DE LA CHAINE
α
Succession de complexes multiprotéiques:
dont les sous-unités dépendent du génome nucléaire (64)
et du génome mitochondrial (13)
- protéines fonctionnant avec le coenzyme soluble NAD+
- flavoprotéines : coenzymes FMN ou FAD
- cytochromes : protéines à fer héminique
- protéines fer-soufre : fer non héminique lié à des S de CYS
- un transporteur non protéique, l’ubiquinone ou coenzyme Q
N
N
δ
β
Fe
N
N
γ
Hème d’un cytochrome : Fe2+ ou Fe3+
(Rappel: hème de l’hémoglobine : Fe2+)
III - ORGANISATION DE LA CHAINE
III - ORGANISATION DE LA CHAINE
Succession de complexes multiprotéiques:
- protéines à coenzyme NAD+
- flavoprotéines : coenzymes FMN ou FAD
- cytochromes : protéines à fer héminique
- protéines fer-soufre : fer non héminique lié à des S
Exemple:
fer tétracoordonné
avec 4 atomes de S
Cys–S
Cys
Fe
S
S–Cys
Cys
S
Succession de complexes multiprotéiques:
- protéines à coenzyme NAD+
- flavoprotéines : coenzymes FMN ou FAD
- cytochromes : protéines à fer héminique
- protéines fer-soufre : fer non héminique lié à des S
Un transporteur non protéique, l’ubiquinone ou coenzyme Q
3
Un transporteur non protéique, l’ubiquinone ou coenzyme Q
O
H 3CO
(R)
H 3CO
Ubiquinone (état oxydé)
UQ
CH3
O
Groupes transporteurs d ’électrons
1°- Complexe I (46 sous-unités): NADH deshydrogénase
- plusieurs protéines Fe–S
- 1 flavoprotéine à FMN : FP1
L’accepteur est l’ubiquinone
Réaction simple :
red2
ox1
2 H+ + 2 e
ox2
NADH + H+ + UQ
ubiquinone
OH
H 3CO
(R)
CH3
Ubiquinol (état réduit)
La réaction de transfert d’é est couplée au transfert de 4 protons
de la matrice (N) vers l ’EIM (P):
OH
Nouvelle réaction exprimant ce transfert :
+
+
NAD + UQH2 + 4+ H+Cy
NADH + 5 HMa + UQ
Potentiels de réduction standard des transporteurs d’électrons
impliqués dans la chaîne respiratoire
4 H+
- 0,42
- 0,32
NADH
Espace
Intermembranaire
Glycérol-3Phosphate
( du cytosol)
E0’ (V)
Réaction redox (demi-réaction)
2H+ + 2eH2
NAD+ + H+ + 2e-
ubiquinol
ΔE0’ = E0’ 1 - E0’ 2 = 0,04 - (- 0,32) = + 0,36 V
ΔG0’ = -nFΔE0’ = -2 x 96500 x 0,36 = - 69480 J/mol = - 69 kJ/mol
UQH2
H 3CO
red1
NAD+ + UQH2
Glycérol-3-P
deshydrogénase
FAD
CI
Fe–S
I
III
IV
NADH déshydrogénase (FMN) + 2H+ + 2 eNADH déshydrogénase (FMN H2)
- 0,30
Ubiquinone + 2H+ + 2e-
ubiquinol
0,04
Cytochrome b (Fe3+) + e-
cytochrome b (Fe2+)
0,08
Cytochrome c1 (Fe3+) + e-
cytochrome c1 (Fe2+)
0,22
Cytochrome c (Fe3+) + e-
cytochrome c (Fe2+)
0,25
+ e-
(Fe2+)
0,29
Cytochrome a
(Fe3+)
cytochrome a
Cytochrome a3 (Fe3+) + e1O
2 2
+
2H+
+
2e-
cytochrome a3 (Fe2+)
H2O
0,55
0,81
MMI
FMN
NADH
+ H+
CII
NAD+
UQ
Fe–S
FAD
Fe–S
(FAD)
Succinate Fumarate
Matrice
ETFP
(FAD)
Acyl-CoA
déshydrogénase
FAD
Acyl-CoA
4
2°- Complexe II (4 sous-unités): Succinate – Q réductase
- succinate deshydrogénase (fait aussi partie du cycle de Krebs)
- protéines Fe–S
- flavoprotéine à FAD : FP2
4 H+
Succinate + FAD
red2
Glycérol-3Phosphate
( du cytosol)
Fe–S
Fumarate + FADH2
ox1
ox2
FADH2 + UQ
Glycérol-3-P
deshydrogénase
FAD
CI
Réaction (2 étapes) :
Espace
Intermembranaire
MMI
red1
FMN
FAD + UQH2
ΔE0’ = 0,04 - (- 0,06) = 0,10 V
ΔG0’ = - 19 kJ/mol
CII
UQ
Fe–S
FAD
NADH
+ H+
Fe–S
(FAD)
NAD+
Succinate Fumarate
* Deux autres systèmes enzymatiques injectent également des eau niveau de l’ubiquinone (sans passer par CI ni CII):
- acyl-coA deshydrogénase
Matrice
ETFP
(FAD)
Acyl-CoA
déshydrogénase
- glycérol-3-P deshydrogénase
FAD
Acyl-CoA
Potentiels de réduction standard des transporteurs d’électrons
impliqués dans la chaîne respiratoire
3°- Complexe III (11 sous-unités)
2H+ + 2eH2
NAD+ + H+ + 2e-
- protéines Fe–S
- cytochromes b et c1
L’accepteur est le cytochrome c qui est mobile à la surface
externe de la MMI
I
Réaction simple :
UQH2 + 2 cyt c
De UQH2 au cyt c :
(Fe3+)
UQ + 2 cyt c
(Fe2+)
+ 2
H+
III
ΔE0’ = 0,25 - 0,04 = 0,21 V
ΔG0’ = - 41 kJ/mol
Ce complexe fonctionne comme une pompe à protons :
UQH2 + 2 cyt c (Fe3+) + 2H+Ma
E0’ (V)
Réaction redox (demi-réaction)
Ubiquinol - cytochrome c oxydoréductase
UQ + 2 cyt c (Fe2+) + 4 H+ Cy
IV
- 0,42
- 0,32
NADH
NADH déshydrogénase (FMN) + 2H+ + 2 eNADH déshydrogénase (FMN H2)
- 0,30
Ubiquinone + 2H+ + 2e-
ubiquinol
0,04
Cytochrome b (Fe3+) + e-
cytochrome b (Fe2+)
0,08
Cytochrome c1 (Fe3+) + e-
cytochrome c1 (Fe2+)
0,22
Cytochrome c (Fe3+) + e-
cytochrome c (Fe2+)
0,25
+ e-
(Fe2+)
0,29
Cytochrome a
(Fe3+)
cytochrome a
Cytochrome a3 (Fe3+) + e1O
2 2
+ 2H+ + 2e-
cytochrome a3 (Fe2+)
H2O
0,55
0,81
5
4°- Complexe IV (13 sous-unités)
4 H+
Espace
Intermembranaire
4 H+
2H+
Cytochrome oxydase
- cyt a et a3
- 2 ions CuA et CuB cruciaux pour le transfert d’électrons
Cyt c
MMI
UQ
CIII
CIV
CI
- Réduction de 1/2 O2 en H2O implique l’intervention de 2 électrons
- Le flux de chaque électron entraîne le mouvement d’1 proton
de la matrice vers l ’EIM :
2 H+
2e-
II
C
NAD+
NADH
+ H+
1 O + 2 H+
2
2
Succinate Fumarate
+ 1/2 O
* 2 cyt c (Fe2+) + 4 HMa
+
2
H2O
Du cyt c à O2 : ΔE0’ = 0,81 - 0,25 = 0,56 V
ΔG0’ = - 108 kJ/mol
Matrice
Mitochondriale
4 H+
Espace
Intermembranaire
4 H+
5°- Organisation générale
2H+
Trois pompes à protons (I, III, IV) unies par 2 transporteurs
d’électrons mobiles (UQ et le cyt c)
Cyt c
MMI
UQ
CI
CIII
Ordre des transporteurs:
a) détermination des E0’
CIV
2e-
b) suivi de la vitesse de réoxydation des transporteurs
c) utilisation d’inhibiteurs
II
NADH
+ H+
NAD+
C
Succinate Fumarate
+ + HO
2 cyt c (Fe3+) + 2 HCy
2
1 O + 2 H+
2
2
H2O
Matrice
Mitochondriale
6
Potentiels de réduction standard des transporteurs d’électrons
impliqués dans la chaîne respiratoire
E0’ (V)
Réaction redox (demi-réaction)
2H+ + 2eH2
NAD+ + H+ + 2e-
I
III
NADH
NADH déshydrogénase (FMN) + 2H+ + 2 eNADH déshydrogénase (FMN H2)
- 0,30
Trois pompes à protons (I, III, IV) unies par 2 transporteurs
d’électrons mobiles (UQ et le cyt c)
Ordre des transporteurs:
a) détermination des E0’
Ubiquinone + 2H+ + 2e-
ubiquinol
0,04
Cytochrome b (Fe3+) + e-
cytochrome b (Fe2+)
0,08
b) suivi de la vitesse de réoxydation des transporteurs
Cytochrome c1 (Fe3+) + e-
cytochrome c1 (Fe2+)
0,22
c) utilisation d’inhibiteurs
0,25
Cytochrome a (Fe3+) + e-
cytochrome a (Fe2+)
0,29
Cytochrome a3 (Fe3+) + e-
cytochrome a3 (Fe2+
0,55
1O
2 2
(Fe3+)
+ e-
(Fe2+)
Cytochrome c
+ 2H+ + 2e-
cytochrome c
H2O
0,82
b) suivi de la vitesse de réoxydation des transporteurs:
expériences sur mitochondries isolées
Cytochromes sous forme réduite
IV
- 0,42
- 0,32
5°- Organisation générale
100
Ensemble des
transporteurs
Ordre des transporteurs
Addition
d’O2
50
Addition de
Succinate
(sans O2)
0
cyt b
Succinate
cyt c1
cyt c
UQH2
Cyt b
Cyt c1
Cyt c
Cyt a/a3
O2
cyt (a+a3)
Temps
7
c) Utilisation d’inhibiteurs du transfert d’ é en présence d’oxygène
5°- Organisation générale
Trois pompes à protons (I, III, IV) unies par 2 transporteurs
d’électrons mobiles (UQ et le cyt c)
Roténone
X
NADH
UQ
Cyt c1
Cyt b
Cyt c
Cyt a/a3
Cyt c
Cyt a/a3
Antimycine A
Ordre des transporteurs:
E 0’
a) détermination des
b) suivi de la vitesse de réoxydation des transporteurs
c) utilisation d’inhibiteurs
NADH
UQH2
Cyt b
X
Cyt c1
CN–
NADH
UQH2
Cyt b
Cyt c1
Cyt c
Cyt a/a3
X
Ex: l’antimycine A bloque le transfert des e- du cyt b vers le cyt c1 au
niveau du complexe III: NADH, UQH2 et le cyt b sont sous forme
réduite, les autres composés sous forme oxydée
IV- MECANISME DE FORMATION DE L’ATP
1°- Le transfert d’é à l ’O2 est fortement exergonique
* 2 couples rédox : NAD+/NADH et O2/H2O
NADH + H+ + 1/2O2
H2O + NAD+
0
ΔE0’ = E0’ O /
- E ’ NAD+ / NADH = + 0,82 - (- 0,32) = + 1,14 V
HO
2
2
2°- Le transfert d ’e- à l ’O2 est étroitement couplé
à la synthèse d ’ATP
Expériences avec mitochondries isolées :
• ajouts de différents S et I en présence d’ O2
D ’où ΔG0’ = - nF ΔE0’
mesure de la consommation d ’O2
ΔG0’ = -2 x 96 500 x 1,14 = - 220 000 J/mol = - 220 kJ/mol
mesure de la Σ d ’ATP
Conclusion : une grande partie de cette énergie est utilisée
pour le pompage de protons à travers la MMI.
NADH + 11H+
Ma
+ 1/2O2
NAD+ + 10H+ + H2O
Cy
*A partir du succinate : ΔG0’ = - 152 kJ/mol
FADH2 + 6H+Ma + 1/2 O2
FAD + 6H+Cy+ H2O
8
O2 consommé
Mitochondries isolées en présence d’O2
ATP synthétisé
O2 consommé
ATP synthétisé
Addition
d’oligomycine
(inhibiteur de
l’ATP synthase)
Addition de
CN-
Addition
d‘ADP et de Pi
Addition
d‘ADP et de Pi
Addition de
succinate
Addition de
succinate
Temps
Temps
Certains composés permettent à la respiration de continuer,
mais il y a absence de synthèse d’ATP:
ATP synthétisé
Addition
d’oligomycine
(inhibiteur de
l’ATP synthase)
O-
OH
NO2
NO2
NO2
O2 consommé
NO2
Agent découplant : dinitrophénol
+ H+
Addition
de DNP
Découplage
Addition
d‘ADP et de Pi
Addition de
succinate
Temps
9
Espace
intermembranaire
Système physiologique de découplage :
thermogénine
Cyt c
Matrice
IV
III
Production de chaleur
II
Graisse brune
* abondante chez le nouveau-né des mammifères et
les animaux hibernants
* présente aussi chez l’adulte et augmente avec le froid
H+
H+
I
F0
à La richesse en mitochondries +++ (cyt) donne cette coloration
aux adipocytes
Protéine de
découplage
(thermogénine)
Espace
intermembranaire
3° Complexe enzymatique de l’ATP synthase (complexe V)
Cyt c
F1
Chaleur
Matrice
IV
III
Deux composants F0 et F1
II
F0 : canal transmembranaire
H+
F1 = 6 sous-unités formant une protubérance
dans la matrice
I
ADP+Pi
H+
ATP
F0
Protéine de
découplage
(thermogénine)
F1
Chaleur
10
4°- Théorie chimio-osmotique de formation de l’ATP
Ancienne hypothèse :
Couplage de nature chimique (comme 3PGA est transformé en 1,3-BPG et
l’énergie emmagasinée dans ce composé est utilisée pour la synthèse d’ATP).
Mais dans le cas de la chaîne respiratoire, intermédiaires chimiques ?
Le transport d’électrons et la synthèse d’ATP sont couplés
par un gradient de protons à travers la MMI.
Succession de 2 couplages:
L’un chimio-osmotique puis l’autre osmo-chimique
MME
4 H+
4 H+
Espace
Intermembranaire
Cyt c
I
Matrice
Synthèse d’ATP
dirigée par
la force proton-motrice
M
I
1 O2 + 2 H+ H2O
2
NAD+
5°- Transports actifs indispensables aux oxydations
phosphorylantes
- ADP et Pi vers la matrice
- ATP vers le cytosol
2e- IV
III
M
II
NADH
+ H+
UQ
Premier couplage de nature chimio-osmotique:
Oxydation du NADH et transport actif de protons vers l’EIM.
L’élément de couplage est la chaîne membranaire de transfert
d’électrons
Deuxième couplage de nature osmo-chimique:
Transport des protons de l’EIM vers la matrice
et phosphorylation d’ADP en ATP.
L’élément de couplage est l’ATP synthase
La force proton-motrice qui entraîne l’écoulement des protons
à travers F0 vers la matrice fournit l’énergie nécessaire
à la synthèse d’ATP catalysée par le complexe F1
Hypothèse chimio-osmotique de Mitchell :
2H+
4°- Théorie chimio-osmotique de formation de l’ATP (suite)
F0
ADP+ Pi
H+
Deux systèmes de transport:
• Adénine nucléotide translocase
• Phosphate translocase
F1
ATP
11
Espace
Intermembranaire
(cytosol)
Matrice
Adénine
4nucléotide ATP
translocase
ADP3(antiport)
ATP
synthase
• Nombre de protons traversant la MMI :
10 à partir de NADH
6 à partir du succinate
ATP4ADP3-
3 H+
3 H+
-
Phosphate
Translocase
(symport)
V- BILAN ENERGETIQUE
H2PO4
H+
H2PO4-
H+
VI - Régulation:
L’intensité de la respiration cellulaire dépend étroitement
de la concentration intracellulaire en ADP et ATP
D’une façon plus générale: l’utilisation des substrats énergétiques
est contrôlée par le besoin énergétique de la cellule.
Ex : Lorsque la cellule musculaire est au repos,
sa consommation en glucose est fortement ralentie:
* ATP/ADP élevé: la phosphorylation ralentit
* NADH/NAD+ élevé: le cycle de Krebs ralentit
* La PDH est inhibée (sous forme phosphorylée)
* L ’ATP cytosolique inhibe PK et PFK-1
* Le Glc-6-P s’élève et inhibe l ’HK
Inhibition de l’utilisation du Glc
• Nombre de H+ nécessaires pour la synthèse d ’une molécule
d’ATP : 4 dont 1 pour le transport de Pi, ATP et ADP
1°- Bilan énergétique
- NADH mito :
- FADH2 mito :
- NADH cyto :
2,5 ATP
1,5 ATP
1,5 ATP (navette du glycérol-3-phosphate)
ou 2,5 ATP (navette du malate/aspartate)
Les oxydations phosphorylantes fournissent la majeure partie
de l’ATP synthétisé dans les cellules
VII - FORMATION ET ELIMINATION DES DERIVES
TOXIQUES DE L’OXYGENE MOLECULAIRE
- L’O2 est l’accepteur terminal d’électrons au niveau
de la chaîne respiratoire selon la réaction:
O2 + 4 H+ + 4 e- à 2 H2O
Mais une réduction partielle d’ O2 génère des composés dangereux:
- Transfert d’un seul e- à anion superoxyde O2- Transfert de deux e- à peroxyde O22L’anion superoxyde, le peroxyde d’hydrogène et les intermédiaires
qui peuvent être générés (tels que le radical OH.) sont connus sous
le nom d’espèces actives de l’oxygène (EOS ou ROS en anglais)
Différentes stratégies de défense de la cellule, en particulier 2 enzymes:
* 2 O2- + 2 H+ à O2 + H2O2 Superoxyde dismutase ou SOD
* 2 H2O2 à O2 + 2 H2O Catalase
NB: la glutathion peroxydase joue le même rôle que la catalase.
12
MME
VIII - CYTOPATHIES MITOCHONDRIALES
13 gènes
I
NADH
+ H+
NAD+
Transmission maternelle !
Ex : La Neuropathie Optique de Leber:
- mutation au niveau du gène ND4 du complexe I
- transfert des e- du NADH à UQ défectueux
- retentissement au niveau des neurones
2H+
Espace
Intermembranaire
IV
III
FAD
FADH2
1 O + 2 H+ H2O
2
2
FADH2
F0
ADP+ Pi
13 protéines mitochondriales (complexes I à V)
β-oxydation
!
Cyt c
2e-
UQ
II
Génome mitochondrial : ADN double brin circulaire de 16,5 kpb
4 H+
4 H+
Maladies très polymorphes neurologiques ou neuromusculaires
Mutations de protéines de la chaîne respiratoire
dont l’origine provient du génome nucléaire ou bien
du génome mitochondrial
Cycle de
Krebs
H+
ATP
F1
AcCoA
MMI
Lipides
Pyruvate
MME
13