deverneuil4oxydphosnb

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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
I – RAPPELS SUR L’OXYDO-REDUCTION (1)
Oxydant + n e- réducteur
E = E0 - RT
nF ln [red]
[ox]
Réaction d!’oxydo-réduction : 2 couples rédox (couple 1 est l!’oxydant)
ox1 + red 2 red1 + ox2
Un agent oxydant donné ne peut oxyder que certains systèmes
Un agent réducteur donné ne peut réduire que certains systèmes:
Potentiel de réduction
Référence standard: H+ (1M) : H2 (1 atm) où E0 = 0
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
I – RAPPELS SUR L’OXYDO-REDUCTION (2)
ΔE = E1 - E2 = ΔE0 - RT
nF ln [red1] [ox2]
[ox1] [red2]
( E01 - E02 )
Différence de potentiels de réduction :
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
nF ln [red1] [ox2]
[ox1] [red2]
La loi de Nernst relie la valeur de ΔE et celle de ΔG :
ΔG = - n FΔE ou ΔG0’ = - n FΔE0’
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.
I – RAPPELS SUR L’OXYDO-REDUCTION (3)

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Potentiels de réduction standard des transporteurs d’électrons
impliqués dans la chaîne respiratoire
Réaction redox (demi-réaction) E0’ (V)
2H+ + 2e- H2 - 0,42
NAD+ + H+ + 2e- NADH - 0,32
NADH déshydrogénase (FMN) + 2H+ + 2 e-
NADH 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
Cytochrome a (Fe3+) + e- cytochrome a (Fe2+) 0,29
Cytochrome a3 (Fe3+) + e- cytochrome a3 (Fe2+) 0,55
1 O2 + 2H+ + 2e- H2O 0,81
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I
III
IV
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 ».
MME
MMI
- complexes I à IV
- ATP synthase
- Translocases
Matrice mitochondriale
- pyruvate deshydrogénase
- enzymes du cycle de Krebs
- enzymes de la β-oxydation
EIM
Canaux de porine
MITOCHONDRIE ET COMPLEXES ENZYMATIQUES
III - ORGANISATION DE LA CHAINE
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

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III - ORGANISATION DE LA CHAINE
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
Hème d’un cytochrome : Fe2+ ou Fe3+
(Rappel: hème de l’hémoglobine : Fe2+)
N
N
N
N
Fe
α
β
δ
γ
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
Cys–S
Cys S
Fe S–Cys
S
Cys
Exemple:
fer tétracoordonné
avec 4 atomes de S
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
Un transporteur non protéique, l’ubiquinone ou coenzyme Q

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Ubiquinone (état oxydé)
UQ
Ubiquinol (état réduit)
UQH2
O
O
H3CO
H3CO CH3
(R)
2 H + + 2 e
OH
OH
H3CO
H3CO CH3
(R)
Un transporteur non protéique, l’ubiquinone ou coenzyme Q
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 ox2 red1
ubiquinone ubiquinol
La réaction de transfert d’é est couplée au transfert de 4 protons
de la matrice (N) vers l!’EIM (P):
NADH + H+ + UQ NAD+ + UQH2
Nouvelle réaction exprimant ce transfert :
+
NADH + 5 HMa + UQ NAD+ + UQH2 + 4 H+Cy
+
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
Potentiels de réduction standard des transporteurs d’électrons
impliqués dans la chaîne respiratoire
Réaction redox (demi-réaction) E0’ (V)
2H+ + 2e- H2 - 0,42
NAD+ + H+ + 2e- NADH - 0,32
NADH déshydrogénase (FMN) + 2H+ + 2 e-
NADH 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
Cytochrome a (Fe3+) + e- cytochrome a (Fe2+) 0,29
Cytochrome a3 (Fe3+) + e- cytochrome a3 (Fe2+) 0,55
1 O2 + 2H+ + 2e- H2O 0,81
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I
III
IV
4 H+Glycérol-3-
Phosphate
( du cytosol)
FAD
Espace
Intermembranaire
Glycérol-3-P
deshydrogénase
Fe–S
(FAD)
ETFP
(FAD)
FAD
Acyl-CoA
Acyl-CoA
déshydrogénase
Matrice
Fe–S
FMN
CI
CII
FAD
Fe–S
Succinate Fumarate
NAD+
NADH
+ H+
MMI UQ

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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
Réaction (2 étapes) :
red2 ox1 ox2 red1
FADH2 + UQ FAD + UQH2
ΔE0’ = 0,04 - (- 0,06) = 0,10 V
ΔG0’ = - 19 kJ/mol
* Deux autres systèmes enzymatiques injectent également des e-
au niveau de l’ubiquinone (sans passer par CI ni CII):
- acyl-coA deshydrogénase
- glycérol-3-P deshydrogénase
Succinate + FAD Fumarate + FADH2
4 H+Glycérol-3-
Phosphate
( du cytosol)
FAD
Espace
Intermembranaire
Glycérol-3-P
deshydrogénase
Fe–S
(FAD)
ETFP
(FAD)
FAD
Acyl-CoA
Acyl-CoA
déshydrogénase
Matrice
Fe–S
FMN
CI
CII
FAD
Fe–S
Succinate Fumarate
NAD+
NADH
+ H+
MMI UQ
3°- Complexe III (11 sous-unités)
- protéines Fe–S
- cytochromes b et c1
Réaction simple :
Ubiquinol - cytochrome c oxydoréductase
UQH2 + 2 cyt c (Fe3+)UQ + 2 cyt c (Fe2+) + 2 H+
Ce complexe fonctionne comme une pompe à protons :
UQ + 2 cyt c (Fe2+) + 4 H+
UQH2 + 2 cyt c (Fe3+) + 2H+Ma Cy
De UQH2 au cyt c : ΔE0’ = 0,25 - 0,04 = 0,21 V
ΔG0’ = - 41 kJ/mol
L’accepteur est le cytochrome c qui est mobile à la surface
externe de la MMI
Potentiels de réduction standard des transporteurs d’électrons
impliqués dans la chaîne respiratoire
Réaction redox (demi-réaction) E0’ (V)
2H+ + 2e- H2 - 0,42
NAD+ + H+ + 2e- NADH - 0,32
NADH déshydrogénase (FMN) + 2H+ + 2 e-
NADH 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
Cytochrome a (Fe3+) + e- cytochrome a (Fe2+) 0,29
Cytochrome a3 (Fe3+) + e- cytochrome a3 (Fe2+) 0,55
1 O2 + 2H+ + 2e- H2O 0,81
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