La Chaine Respiratoire

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Dernière mise à jour : 2016-02-01

1. Présentation

A l'issue du cycle de Krebs, il faut extraire l'énergie contenue dans les coenzymes réduits NADH,H+ et FADH2.
Cela permettra de les rendre oxydés au cycle de Krebs et autres réactions mitochondriales et d'alimenter la pompe à protons en hydrogène pour phosphoryler de l'ADP en ATP.
La chaîne respiratoire sera donc à l'origine de la génération d'eau et d' ATP en utilisant les H des coenzymes et l'oxygène (indispensable) de la mitochondrie.
Ainsi on distingue deux phases dans la chaîne respiratoire :

2. La chaîne d'oxydoréduction

2.1. Fonctionnement

Elle transporte les équivalents réducteurs (H+ et e-) des coenzymes réduits NADH,H+ et FADH2 vers l'oxygène.
Ce transport s'effectue par des réactions d'oxydo-réduction se déroulant dans 4 éléments inclus dans la membrane interne de la mitochondrie :

2.1.1. Les éléments enchassés dans la membrane interne

Ce sont des complexes transmembranaires protéiques comportant :

Tous ces éléments sont nécessaires et participent au transport des électrons.

2.1.1.1. Le CI : NADH-coenzyme Q-oxydoréductase

Ce gros complexe de 45 protéines a pour substrat le NADH,H+.
celui-ci, grâce à la NADH-déshydrogénase, va céder ses électrons au FMN.

2.1.1.2. Le CII : succinate-ubiquinone-oxydoréductase

Le succinate-ubiquinone-oxydoréductase ou succinate-coenzyme Q-oxydoréductase, ce complexe comporte une des enzymes du cycle de krebs.
Rapellons que cette enzyme a pour coenzyme le FAD. Ici, le FADH2 reçoit donc ses électrons du succinate, substrat de la succinate-déshydrogénase.
Le CII comporte en plus deux variantes constituées par des enzymes :

  1. l'ETF-déshydrogénase : elle a reçu ses équivalents réduits du FADH2 de l'Hélice de Lynen permettant la transformation des acides gras en acétyl-CoA,
  2. la glycérol-3-P-déshydrogénase à FAD (catabolisme des lipides et fructose-1-P menant au glycérol-3-P qui, en réduisant le FAD, est oxydé en PDHA).
2.1.1.3. Le CIII : ubiquinole-cyto c-oxydoréductase

Cet ensemble d'environ 10 protéines comportent les cytochromes b et c1.
A la sortie du coenzyme Q, ce ne sont plus les paires H+,e- d'équivalents réducteurs qui sont transportées mais seuls les électrons.
Le cytochrome b est donc le premier à ne recevoir que les électrons, il les transmet ensuite au cytochrome c1.

2.1.1.4. Le CIV : cytochrome c-oxydase

Egalement constitué d'environ 10 protéines, il reçoit les électrons sur son cytochrome a et celui-ci les transfére au cytochrome a3 du même complexe.

Les CI, CII et variante ETF-déshydrogénase, le CIII contiennent des protéines à centre Fer-Soufre (Fe-S).
Le CIV contient la protéine à cuivre, et aussi du Zinc.

2.1.2. Les éléments mobiles

Ils assurent la continuité de la chaîne.

2.1.2.1. L'ubiquinone, coenzyme Q

C'est un lipide constitué : d'une benzoquinone, d'une chaîne isoprénoïde hydrophobe lui conférant sa mobilité sur la face externe de la membrane interne mitochondriale.
Réduit, l'ubiquinone devient ubiquinole.

2.1.2.2. Le cytochrome C

Tout aussi mobile que l'ubiquinone sur la face externe de la membrane interne, cette petite protéine hydrosoluble est située entre le CIII et le CIV.

2.2. Oxydoréductions

2.2.1. Généralités

Le transfert de protons et d'électrons est progressif et fragmenté.
Chaque élément de la chaîne constitue un système rédox comportant une forme réduite et une forme oxydée. Ainsi, chaque couple peut donner et recevoir un nombre déterminé de protons et d'électrons.
La chaîne comporte 10 éléments, soit autant de couples rédox. Ces 10 couples interviennent dans un ordre déterminé par leur potentiel rédox. La chaîne d'oxydo-réductions se déroule donc des couples les plus réducteurs vers les plus oxydants, des potentiels redox les plus négatifs vers les plus positifs.

Couple Réd-Ox Echange Potentiel Réd-Ox (E°)
NADH+/NADH,H+ H+ 2e- -0,32 V
FMN/FMNH2 2H+ 2e- -0,30 V
FAD/FADH2 2H+ 2e- -0,05 V
Q/QH2 2H+ 2e- +0,04 V
cyto b Fe3+/cyto b Fe2+ e- +0,07 V
cyto c1 Fe3+/cyto c1 Fe2+ e- +0,22 V
cyto c Fe3+/cyto c Fe2+ e- +0,25 V
cyto a Fe3+/cyto a Fe2+ e- +0,29 V
cyto a3 Fe3+/cyto a3 Fe2+ e- +0,55 V
½O2/H2O 2H+ 2e- +0,82 V

2.2.2. Première partie : transfert des protons et électrons à l'ubiquinone

L'ubiquinone reçoit les équivalents réducteurs de plusieurs substrats par des déshydrogénases flaviniques à FMN et FAD. L'ubiquinone est donc dite "carrefour" de la chaîne, elle est en excès. Elle est réduite par le FADH2 et le FMNH2 en QH2.

2.2.3. Deuxième partie : transfert des électrons, de l'ubiquinole à l'oxygène O2

Comme nous l'avons vu, suite au coenzyme Q, seuls les électrons poursuivent la chaîne. Les protons rentrent dans la matrice mitochondriale pour former de l'H2O en fin de chaîne.
Les électrons, eux, vont se fixer un à un sur l'hème de chaque cytochrome pour être transportés individuellement. L'atome de fer de chaque hème passe de l'état oxydé ferrique Fe3+ à l'état réduit ferreux Fe2+ et est alors transféré au cytochrome suivant (qui comporte une Fe3+...).
In fine, au sein du CIV, on observe la réduction d'une molécule d'oxygène par fixation simultanée et irréversible de 4 électrons (qui ont perdu leur énergie) sur 2 atomes de fer des cyto a et a3 et sur 2 atomes de la protéine à cuivre.
Par la disponibilité coordonnée de 4 H+, la réaction suivante peut se réaliser : O2 + 4e- + 4H+ --> 2 H2O.
Si cette réaction ne se produit pas, on risque de voir apparaitre des Radiacux Libres Oxygénés (RLO) comme l'anion superoxyde : O2 = 1e- --> O2- .

2.2.4. Les flux de protons, libération d'énergie osmotique

Nous avons vu que le transfert, donc la libération d'énergie, est progressif et fragmenté. Dès qu'il dépasse un certain seuil, il engendre un flux de protons de la matrice vers l'espace intermembranaire. Quand la différence de potentiel rédox est d'au moins 0,21v, cela correspond à une variation d'énergie libre suffisante (au moins -10Kcal) pour la synthèse d'une liaison phosphate (+7,5Kcal).
Il ya donc trois pompes à protons dans la chaîne : CI (NADH,H+ --> co Q), CIII (QH2 --> cyto c), CIV (cyto c --> O2).
Elles sont respectivement inhibées par la roténone (ou amytal), l'antimycine A, le cyanure ou l'oxyde de carbone.

3. La phosphorylation

3.1. La théorie chimio-osmotique

Selon Mitchell, l'énergie générée par les flux de protons et le mécanisme de phosphorylation reposeraient sur un gradient de protons à l'origine de la création d'énergie sous forme d'ATP.
L'énergie des transferts permet aux complexes I, III et IV de fonctionner comme des pompes à protons (libérant les H+ dans l'espace intermembranaire) créant un gradient électrochimique de protons, soit une différence de potentiel entre l'espace intermembranaire (+) et la matrice (-, pH plus élevé).
Les protons éjectés cherchent donc à renter dans cette matrice, à franchir la membrane interne mitochondriale sous la pression de ce gradient ou force proton-motrice. Etant donné l'imperméabilité de cette membrane, ils doivent passer par un volumineux canal, c'est celui de l'ATP-sytnhase ou complexe V.

3.2. Le mécanisme de l'ATP-synthase

C'est un complexe enzymatique étudié selon deux points de vue : un "géographique" de positionnement, et un fonctionnel.
Physiquement, on distingue deux parties :

Ce découpage physique explique la vision de "crêtes" au microscope électronique lorsqu'on étudie une mitochondrie : il s'agit des complexes V.

En fait l'ATP-synthase comporte un mouvement rotatif intra-moléculaire amenant à une étude fonctionnelle.
Le rotor est constitué des enzymes c, γ et ε. Ce nom est justifié du fait que c'est l'énergie du flux de protons traversant le canal qui met la protéine c en mouvement.
Le stator est constitué des protéines a, b, δ, α, β. La rotation du rotor entraîne un cycle de transconformations des sous-unités α et β.
β étant ainsi activée, les phosphorylations sont effectuées et l'ATP est libéré dans la matrice mitochondriale.
L'énergie du flux de protons est transférée au rotor puis convertie en énergie chimique par la phosphorylation de l'ADP.

3.3. Le transport de l'ATP

L'ATP mitochondrial tout juste produit va passer dans le cytosol par un transporteur mitochondrial, en échange d'ADP.
C'est l'ATP/ADP-translocase. Afin d'équilibrer les charges, existe en parallèle une phosphatase-translocase faisant entrer un proton et un ion phosphate.

4. Régulation de la chaîne respiratoire

Comme vu précédemment, le déroulement de la chaîne respiratoire nécessite une quantité suffisament importante d'oxygène, NADH,H+, ADP.
Plus les rapports NAD+/NADH,H+ et ATP/ADP,Pi sont faibles, plus la chaîne respiratoire est stimulée.
Les hormones thyroïdiennes (notamment le 2-4-dinitrophénol) exercent un effet découplant. La perméabilité aux H+ de la membrane est modifiée et l'ATP-synthase est alors court-circuitée. Il n'y a donc plus de lien entre chaîne d'oxydoréduction et phosphorylation, la thermogenèse s'effectue et explique l'augmentation du métabolisme de base.

5. Bilan en ATP

Rappelons que 3 ATP sont fournis par l'oxydation d'un NADH,H+ et 2 ATP pour le FADH2.

Reprenons les bilans pour une molécule de glucose (6 carbones) :

Soit, suite à la phosphorylation oxydative au sein d'une cellule aérobie, un total de 38 ATP.

C'est 19 fois plus que pour un glucose en cellule anaérobie. Il faudra retirer 2 ATP si la navette du glycérol-P est utilisée.

Un ose est une molécule relativement petite.
L'oxydation d'une molécule de palmitate à 16 carbones est beaucoup plus rentable puisqu'on obtient 131 ATP :

Il faut néanmoins retirer 1 ATP pour l'activation du palmitate.

L'oxydation de corps cétoniques (4C) donne 24 ATP pour l'acétoacétate oxydée, 27 ATP pour le 3-OH-butyrate.

L'oxydation de la glutamine (5C) donne 24 ATP et celle de l'éthanol (2C) produit 28 ATP.


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