Chaîne respiratoire et oxydation phosphorylante La chaîne respiratoire Les composants de la chaîne La théorie chimiosmotique Structure et fonction de l’ATPase mitochondriale Systèmes navette de NAD/NADH Agents découplants

Formation de NADH et FADH2

Oxydation phosphorylante Synonymes Phosphorylation oxidative Phosphorylation couplée aux oxydo-réductions L ’oxidation phosphorylante se trouve exclusivement dans les mitochondries (un pareil mécanisme se trouve encore chez les procaryotes et les chloroplastes) Fonction: libérer l ’énergie d ’oxidation complète de pyruvate en CO2 et H2O pas d ’un seul coup, mais d ’une façon contrôlée, permettant la synthèse d ’ATP

Mitochondries Le nombre de mitochondrie par cellule varie énormément: Trypanosome: 1 Levure: 1-10 Muscle blanc: peu (glycolyse) Muscle rouge: nombreuses (oxidation phoshorylante) Foie: 5000 Dimensions: diamètre de 0.2-0.8 µm longueur de 0.5-1.5 µm Constituants: membrane externe membrane interne espace intermembranaire crêtes matrice

Mitochondries actives et passives

Caractéristiques des complexes protéiques de la chaîne respiratoire de transport d ’électrons dans la mitochondrie

Oxydation phosphorylante

Composants de la chaîne respiratoire Protéines avec un ou deux centres fer-soufre Protéines à FMN Ubiquinone Cytochromes

Ferrédoxine et le centre actif d ’une protéine fer-soufre Ferrédoxine est une protéine d ’une masse de 6000 dalton. La protéine contient 8 Fe et 8 S dans deux sites actifs [4 Fe - 4 S]. Le site actif a une structure en forme de cage. Les ferrédoxines sont des transporteurs à deux électrons. Un électron par site actif. La charge des électrons se répartit entre les atomes de soufre et de fer. La forme oxidée: 2Fe2+ + 2Fe3+ réduite: 3Fe2+ + 1Fe3+ High potential iron protein (HiPiP) oxidée: 1Fe2+ + 3Fe3+ réduite: 2Fe2+ + 2Fe3+ Ferredoxine de Peptococcus aerogenes

Composants de la chaîne respiratoire (2)

Composants de la chaîne respiratoire (3) Les cytochromes Cytochrome b (560 nm) Cytochrome c (550 nm) Cytochrome c1 (553 nm, complex III) Cytochrome a (600 nm, complex IV ou cytochrome oxidase) Cytochrome a3 (600 nm, complex IV ou cytochrome oxidase)

Quelques caractéristiques des cytochromes

Dans la chaîne respiratoire les porteurs d ’hydrogène et d ’électrons alternent porteur + 2H porteur -H2 Porteurs d ’électrons porteur - Fe3+ + H porteur -Fe2+ + H+ Quand des porteurs d ’électrons sont réduits par des porteurs d ’hydrogène, des protons sont libérés Par contre, pendant la réduction des porteurs d ’hydrogènes par des porteurs d ’électrons, des protons sont utilisés

Formation d ’ATP par la chaîne respiratoire

NADH:ubiquinone oxydoreductase (complexe I) Sazanov et al. 2006

Polypeptide -fold and electron transfer distances in QFR (similaire au Complexe II) Iverson, T. M. et al. J. Biol. Chem. 2002;277:16124-16130

Complexe III

Ubiquinone:cytochrome c oxydoreductase (complexe III) Cyt c Hème c1 FeS Hème bL Hème bH Lange and Hunte, 2002

Complexe IV Cytochrome c oxidase

Le potentiel de réduction Aréd Aox + 2 e- Box + 2 e- Bréd Aréd + Box Aox + Bréd ∆G°’ = -nF∆E°’ ∆E°’ = -2,3 log Kéq Equation de Nernst ∆E = ∆E°’ -2,3 log ∆E = ∆E°’ logQ RT nF RT [Aox] [Bréd ] nF [Aréd] [Box] 0,059 n

Potentiels de réduction standard Demi-réaction de réduction E°’(V) 1/2O2 + 2H+ + 2e- ---> H2O 0,82 Fe3+ + e- ---> Fe2+ 0,77 Cytochrome a, Fe3+ + e- ---> Fe2+ 0,29 Cytochrome c, Fe3+ + e- ---> Fe2+ 0,25 Ubiquinone (Q) + 2H+ + 2e- ---> QH2 0,10 Cytochrome b, Fe3+ + e- ---> Fe2+ 0,08 Fumarate + 2H+ + 2e- ---> Succinate 0,03 Oxaloacétate + 2H+ + 2e- ---> Malate -0,17 Pyruvate + 2H+ + 2e- ---> Lactate -0,18 FMN + 2H+ + 2e- ---> FMNH2 -0,22 FAD + 2H+ + 2e- ---> FADH2 -0,22 NAD + 2H+ + 2e- ---> NADH + H+ -0,32 Ferrédoxine, Fe3+ + e- ---> Fe2+ -0,43 2H+ + 2e- ---> H2 -0,42

Architecture de la chaîne respiratoire

Oxydation phosphorylante La théorie chimiosmotique (Peter Mitchell, 1960; Prix Nobel, 1978)

La force proton motrice ∆p est exprimé en volt ∆Gchim = 2.3 n RT (pHint-pHext) ∆Gélec =n F∆ Y ∆G = ∆ Gchim + ∆Gélec = 2.3 n RT (∆pH) + n F∆ Y ∆G / n F = ∆ Y + (2.3 RT (∆pH) / F) Z = 2.3 RT /F (Z = 59 mV à 25°C) ∆p = ∆ Y + Z ∆pH A pH 7 et 30°C

La force proton motrice ∆p DP consiste de deux composants: 1. Le potentiel de membrane (Dy) 2. Le gradient de protons (DpH) Les valeurs typiques pour les mitochondries sont: pH = 0,75 Dy = 0,14 V Dp = Dy + ZDpH = 0,14 V + (0,059 V)x (0,75) = 0,18 V = 180 mV Chez E.coli (à pH = 6) pHint = 7.8 Dy = 95 mV Dp = 200 mV

Mécanisme de synthèse d ’ATP par intermédiaire de ∆p H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ F1 ATPase ou ATP synthase H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+

Visibilité des particules F1

Structure de l ’ATPase mitochondriale

Formation d ’ATP par l ’ ATPase mitochondriale

Moteur moléculaire d’ATPase

An animation showing why the F1 motor is rotating counter clockwise and how the chemical reaction and the rotation are coordinated by two switches: switch 1 (red) controls the ATP binding; switch 2 (blue) controls the phosphate release.

A perspective view of alpha3 beta3 gamma in spacefill display with specular highlights.

A perspective view of alpha3 beta3 gamma in cartoon display (frames are generated using Molscript).

GRT video of ATP synthase Available from YouTube http://www.youtube.com/watch?v=uOoHKCMAUMc

Mode d’action de deux agents découplants Fig. 4.12, 4.13

Respiration par mitochondries isolées Inhibiteurs de la respiration mitochondriale Rotenone complex I Amytal ,, Malonate Complex II Antimycine Complex II Cyanure Complex IV Azide ,, CO ,, H2S ,, Oligomycine ATPase

Les systèmes navette assurant l ’oxydation du NADH du cytosol (1)

Les systèmes navette assurant l ’oxydation du NADH du cytosol (2)