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2016-2017 Biochimie La chaîne respiratoire – UE 7: Sciences biologiques– Semaine: n°3 (du 19/09/16 au 23/09/16) Date: 23/09/2016 Heure: de 9h00 à 9h30 Binôme: n°56 Professeur: Pr. Tailleux Anne Correcteur: n°60 PLAN DU COURS I) INTRODUCTION II)LES RENDEMENTS DE LA CHAINE RESPIRATOIRE A) Les differents complexes de la chaîne respiratoire B) Agents découplants C) Inhibiteurs spécifiques de la translocase D) 2 exemples de transport: 1) Navette du glycérol3phosphate 2) Navette du Malate-Aspartate III) RENDEMENT EN ATP POUR L'OXYDATION D'UNE MOLECULE DE GLUCOSE 1/6 2016-2017 Biochimie On sait qu'il y a des électrons qui entrent et des protons qui sortent de la matrice mitochondriale, mais comment tout cela conduit à la formation d'ATP? I) INTRODUCTION Mitchell a mis en place en 1961 la théorie du mécanisme chimio-osmotique. Elle a mis en évidence le transfert d'électrons à travers les différents transporteurs, qui s'accompagne d'une sortie de protons vers l'espace intermembranaire. Cette sortie constitue un gradient de protons. On a un gradient de pH. De plus comme nous avons affaire à des molécules chargées on a également un gradient électrique. La combinaison de tous ces gradients donne un gradient électrochimique. Cela constitue la force protomotrice qui va être utilisée pour la synthèse de l'ATP. L'ATP est produit dans la matrice mitochondriale. Il faut une arrivée d'ADP. L'arrivée de l'ADP et la sortie de l'ATP sont couplées par l'ATP-ADP translocase mitochondriale. Cette protéine constitue 15 % des protéines membranaires inter mitochondriales. Elle a un site unique de laison ATP/ADP. C'est une protéine transmembranaire. De l'ATP provenant du cytoplasme va se fixer sur la protéine et ça va provoquer une éversion. C'est un renversement de la translocase à travers la membrane mitochondriale. L'ATP côté matrice va se fixer sur la translocase. Il va y avoir éversion et libération de l'ATP dans le cytoplasme. Puis la translocase va retrouver sa structure initiale et va pouvoir à nouveau fixer des molécules d'ATP. En résumé, on a : – un site unique – une éversion – un couplage d'activités Lorsqu'on regarde la structure de l'ADP et de l'ATP, on voit qu'elles n'ont pas le même nombre de charges. 3 charges - pour l'ADP et 4 pour l'ATP. En effet quand il y a sortie d'une molécule d'ATP contre une entrée d'ADP, il y a une charge négative en moins. On modifie un peu le potentiel de membrane et cela sera pris en compte pour la détermination du gradient électrique de la chaîne respiratoire. II) LES RENDEMENTS DE LA CHAINE RESPIRATOIRE Quel est le rendement en ATP de cette chaîne respiratoire? A) Les différents complexes de la chaine respiratoire Lorsqu'on a formation d'une molécule d'ATP par phosphorylation du substrat (ex: glycolyse) on a une réaction vraiment stœchiométrique. Pour la chaîne respiratoire c'est moins précis. Il est dur d'estimer précisément le nombre de protons qui va sortir au niveau de chacun des complexes. On estime qu'au: – complexe I : sortie de 4 protons – complexe II : 0 – complexe III : 4 protons – complexe IV : 2 protons 2/6 2016-2017 Biochimie Pour avoir une molécule d'ATP, il faut qu'il y ait environ 3 protons qui rentrent dans la motrice par l'ATP synthase. Pour une paire d'électrons transférés du NADH2 jusqu'à l'accepteur final (l'oxygène) dans la chaîne respiratoire, on va avoir 10 protons qui vont sortir de la matrice et donc 10 protons qui vont rentrer. Il en faut 3 pour fabriquer une molécule d'ATP. On aura donc 2,5 molécules d'ATP qui seront produites pour une molécule de NADH produite. Le FADH2 rentre au niveau du complexe 2 => 6 protons sortent et 6 entrent. 1,5 molécules d'ATP produites par le transfert des électrons d'une molécule de FADH2 jusqu'à l'oxygène final. Cette chaîne respiratoire peut être inhibée à différents niveaux. Il existe des inhibiteurs spécifiques du transport des électrons, et spécifiques d'un transporteur donné. Ex : La roténone (herbicide) ou l'amytal bloque le transfert des électrons vers le complexe I. Cependant les électrons peuvent rentrer dans le complexe II. On ne bloque donc pas totalement la production d'ATP. Antimycine (antibiotique) => bloque le complexe III Le cyanure (CN-), l'azoture (N3-), le monoxyde de carbone (CO) bloquent le complexe 4. → Blocage total de la production d'ATP. Utilisation thérapeutique : Antibiotiques bloquants la synthèse d'ATP de certaines bactéries. On a donc une action délétère sur ces agents infectieux. B) Les agents découplants: Ces agents découplants inhibent la synthèse d'ATP et découplent l'oxydation et la phosphorylation (oxydative). La phosphorylation oxydative c'est la phosphorylation de l'ATP grâce à un mécanisme d'oxydation qui a précédé. Ex : oxydation des acides gras => production de NADH et NADH2, transfert d'électrons dans la chaine respiratoire, sortie de protons. En revanche le retour des électrons ne va pas se faire par l'ATP synthase mais par un autre moyen. On n'aura donc pas de production d'ATP. Néanmoins on conserve la force protomotrice qui va être transformée en chaleur. Ce découplage peut dans certains cas être délétère mais participe également au maintient de la 3/6 2016-2017 Biochimie température corporelle. Il permet la thermogénèse. Sans découplage on aurait un peu plus d'ATP, mais un dysfonctionnement dans le maintien de la température corporelle. Ex : thermogénine ou UCP1 est une protéine très fortement exprimée dans les mitochondries du tissu adipeux brun. Dans notre organisme, on a du tissu adipeux blanc, sous-cutané ou viscéral mais également du tissu adipeux brun qui diffère par la taille de ces adipocytes plus petits et beaucoup plus foncés car gorgés de mitochondries. Il est présent chez le nouveau-né → très actif au niveau du thymus, des côtes, et des omoplates. Il lui permet de maintenir sa température corporelle. Sa présence diminue dans l'organisme avec l'âge, il en reste tout de même au niveau des côtes et des omoplates. C'est une piste de traitement contre l'obésité et peut-être du diabète de type II (complication fréquente du diabète de type II). Si on arrive à activer ce tissu adipeux brun ou pourrait oxyder des glucides, des AG et en thermogenèse on aurait une déperdition d'énergie qui se crée au niveau du tissu adipeux. Autre exemple d'agent découplant: la thyroxine → hormone thyroidienne Il y en a 2 types: T3 et T4. Chez les personnes en hyper thyroïdie (ont toujours chaud, des bouffées de chaleur etc...), la concentration en T3 est anormalement élevée. Elle a ainsi un effet découplant et va participer à une thermogenèse exacerbée. C) Inhibiteurs spécifiques de la translocase: – – L'atractyloside (glycoside végétal) Acide bongkrérique (antibiotique) Ils vont bloquer la translocase et empêcher la production d'énergie. Dans la chaîne respiratoire, le FADH2 est produit par le cycle de Krebs ou l'oxydation des AG mais a toujours lieu dans la matrice mitochondriale. Le NADH, produit dans la matrice mitochondriale lors du cycle de Krebs, peut facilement transférer ses électrons aux différents complexes grâce à leur proximité géographique. D) 2 exemples de transports: 1) Navette du glycérol3phosphate: En revanche pour le NADH produit dans le cytoplasme par la glycolyse (2 NADH produits), on aura un problème de compartimentation. Et il n'existe pas de navettes ou transporteurs. Cependant, ce n'est pas la molécule entière qui doit traverser jusqu'aux complexes mais seulement ses électrons. Il va donc y avoir une navette → le glycérol3phosphate. Les électrons du NADH vont être pris en charge par la DHAP qui va être transformée en G3P par la glycérol-3-phosphate déshydrogénase cytosolique. Ce G3P redonnera par la suite du DHAP en transférant ses électrons directement au FAD dans la membrane interne de la mitochondrie. (FAD qui se transformera en FADH2). 4/6 2016-2017 Biochimie Ces électrons arriveront donc au complexe II, III etc...et il y aura une perte d'énergie. Ce rendement va être le même que FAD. Un NADH cytosolique va donc conduire à la formation d'1,5 ATP par molécules. (navette payante → 1 ATP est le prix à payer pour que les électrons puissent traverser). Cette navette est particulièrement active dans le muscle en activité. 2) Navette du Malate-Aspartate: Il existe une deuxième navette → la navette Malate-Aspartate qui est plus active dans le foie que dans le muscle et qui va faire intervenir la malate déshydrogénase. Les électrons du NADH vont être transférés à l'oxalo acétate. Il va être donné au malate qui lui possède un transporteur membranaire. Il peut rentrer dans la mitochondrie. Et de l'autre côté de la matrice, il va y avoir une transformation du malate en oxalo acétate avec production de NADH. Les électrons du NADH vont rentrer dans la mitochondrie en restant sous forme NADH pour rejoindre le complexe I de la chaîne respiratoire. Il faut que l'oxalo acétate puisse repartir en transamination en aspartate car il n'a pas de canal. L'aspartate va remonter pour donner de l'oxalo acétate dans le cytoplasme par transaminase. On appelle cette deuxième navette « navette gratuite » : les électrons du NADH cytosolique vont rentrer dans la mitochondrie grâce au malate pour rejoindre le complexe I de la chaine respiratoire. 5/6 2016-2017 Biochimie III) RENDEMENT EN ATP POUR L'OXYDATION D'UNE MOLECULE DE GLUCOSE Quel est le rendement en ATP pour l'oxydation d'une molécule de glucose ? Une molécule de glucose va donner deux molécules de pyruvate par l'intermédaire de la glucolyse. Bilan => deux molécules d'ATP et deux NADH cytosoliques. Les deux molécules de pyruvate vont être transformées par le pyruvate déshydrogénase en deux molécules d'AcétylcoA et cette transformation va produire deux molécules de NADH mitochondrial. Ensuite l'AcétylCoA rentre dans le cycle de Krebs et à chaque tour, il y aura production de 3 NADH mitochondrial, 1 FADH2 (toujours mitochondrial) et 1 GTP qui pourra être tranformé en ATP. Comme on a deux AcétylCoA, on va avoir deux fois réduction de tout ceci. 2 NADH cytosolique → 2x1,5 = 3 ATP 2 NADH mitochondrial → 2x2,5 = 5 ATP 3 NADHmitochondrial → 2x3x2,5 = 15 ATP 1 FADH2 → 2x1,5 = 3ATP 1GTP → 2x1 = 2ATP +2 ATP phosphorylés dès le début de la réaction. On a donc environ 30 molécules d'ATP produites par l'oxydation complète d'une molécule de glucose. Ces 30 molécules d'ATP sont à comparer avec ce qui se passe dans des cellules en anaérobiose ou dépourvues de mitochondries. Le Glc va donner deux molécules de pyruvate. On aura donc deux molécules d'ATP produites. Le pyruvate pourra ensuite donner du lactate mais ne produira plus d'énergie. Les deux ATP sont produits par phosphorylation du substrat, donc très rapidement. En revanche, lorsqu'on a une oxydation complète du Glc, on a un rendement beaucoup plus élevé, mais aussi un peu plus lent. Notion de compartimentation : la transformation du Glc en pyruvate se déroule dans le cytoplasme et tout le reste se passe dans la mitochondrie. 6/6
