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La phosphorylation oxydative...

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UE1 – Dr. Mosser

Chapitre 14 – La phosphorylation oxydative I – Généralités – synthèse de l’ATP Oxydation des substrats carbonés = unique source d’énergie animale. L’essentiel de l’énergie libérée est conservée sous la forme d’énergie chimique = l’ATP. Au cours de la glycolyse, du cycle de Krebs et de l’oxydation des AG, il y a réduction de coenzymes nucléotidiques (FAD et NAD) qui seront réoxydés au cours de la respiration mitochondriale.

Au cours de la chaîne respiratoire, il y a transfert d’électrons jusqu’à l’O 2 moléculaire par une chaine de réactions exergoniques (OxRed) pour produire de l’eau. Cela permet la mise en place d’un gradient de proton entre la matrice mitochondrie et l’espace intermembranaire. La formation de ce gradient permet la libération d’énergie nécessaire à la production d’ATP à partir d’ADP par l’ATP synthase. ADP + Pi  ATP : appelée phosphorylation oxydative car : ● Réaction d’oxydation qui permet le transfert d’électrons ● Formation et maintien d’un gradient de proton ● Se termine par l’utilisation d’oxygène moléculaire

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L’ATP constitue le réservoir d’énergie cellulaire, dans lequel puise la cellule pour réaliser l’ensemble de ses activités, chimiques (synthèse) et mécaniques (mouvements).

II – Réaction fondamentale

d’oxydation

A – L’oxydation de l’hydrogène L’oxydation de l’hydrogène (ou réduction de l’oxygène) est la réaction finale et fondamentale de la chaîne respiratoire. Elle produit environ 300 mL d’eau par jour. Réaction exergonique : H2 + ½ O2  H2O + Énergie ⟹ Energie importante utilisée pour la phosphorylation de l’ADP. Oxygène = accepteur des électrons et de l’hydrogène. Ces atomes d’hydrogènes proviennent du catabolisme des substrats carbonés (glucides, AA, lipides) qui permettent de former des coenzymes nucléotidiques réduits (NADH, H + et FADH2) qui sont les substrats de chaîne respiratoire. NADH, H+ + ½ O2  H2O + Energie + NAD+ (Oxydation du NADH, H+) FADH2 + ½ O2  H2O + Energie + FAD (Oxydation du FADH2)

B – Origine et rôle des coenzymes réduits Origine : ● Essentiellement mitochondriale (NADH, H+, FADH2), et ce par : o Oxydation des AG (FADH2 et NADH, H+) o Décarboxylation du pyruvate en acétyl-CoA (NADH, H+) o 4 réactions de déshydrogénation du cycle de Krebs (produit 6 NADH, H+ et 2 FADH 2 à partir d’un glucose) ▪ Isocitrate  α-cétoglutarate ▪ α-cétoglutarate  succinyl-CoA ▪ Succinate  fumarate ▪ Malate  oxaloacétate ● Cytoplasmique pour le NADH, H+ seulement : système navette aspartate/malate qui permet son transport dans la matrice mitochondriale. Il vient de la glycolyse .

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Rôle : Ce sont des composés réducteurs électronégatifs, substrats initiateurs de la chaine respiratoire à laquelle ils cèdent des électrons. ➢ Le NADH, H+ est le coenzyme mobile substrat du complexe I d’oxydoréduction. ➢ Le FADH2 est le groupement prosthétique substrat du complexe II.

III – Composants et organisation fonctionnelle de la chaîne respiratoire Mitochondrie = centrale énergétique de la cellule. Possède deux membranes (MI et ME). Membrane interne : contient tous les constituants de la chaîne respiratoire et l’ATP synthase qui participent à : ● La chaîne de transfert des e- et des H+ jusqu’à l’oxygène moléculaire ● La production d’eau ● Production d’un gradient de protons ● La synthèse d’ATP par l’ATP synthase C’est un mécanisme chimio-osmotique combinant réactions chimiques (RedOx) et gradients osmotiques. Réactions exergoniques : ● Production et transfert de protons et d’électrons pour la réduction de l’O 2 en H2O ● Gradient osmotique de protons : énergie nécessaire à la synthèse de l’ATP

A – Composants respiratoire

de

la

chaîne

4 composants sont fixes, ancrés dans la membrane interne mitochondriale : complexes d’oxydo-réduction (I à IV) dont 3 (I, III, IV) sont des pompes à proton qui permettent la translocation des protons de la matrice vers l’espace intermembranaire à chaque réaction d’oxydation. 2 composants sont mobiles : coenzyme Q et cytochrome c : transportent les électrons entre les complexes d’oxydo-réduction donneurs et accepteurs. Présents au niveau de la MI Eléments constitutifs :

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● Coenzymes nucléotidiques : FMN lié au complexe I et FAD lié au complexe II ● Centres fer/ souffre présents dans les complexes I, II, III et le cytochrome c : permettent le transfert d’électrons ● Élément cuivre présent dans le complexe IV : permet aussi le transfert d’électrons

Complexe I : NADH déshydrogénase ou NADH ubiquinone oxydoréductase ➢ Coenzyme : FMN (groupement prosthétique fixe) ➢ Substrat : NADH  NAD+ + H+ + e- : réduction du FMN puis du CoE Q ➢ Pompe à protons de la matrice vers l’espace IM : permet la translocation de 4 protons ➢ Inhibiteur : roténone : composé de pesticide qui pourrait avoir une neurotoxicité ou éventuellement une association avec la maladie de Parkinson Complexe II : succinate DSH ou succinate ubiquinone oxydoréductase ➢ Coenzyme : FAD (lié) ➢ Substrat : succinate + FAD  fumarate + FADH2 puis réduction du Coenzyme Q ➢ Inhibiteur : malonate (analogue du succinate) : poison très dangereux CoE Q ou ubiquinone ➢ Lipide diffusible mobile qui se déplace du donneur (I ou II) à l’accepteur (III) ➢ Il existe sous deux formes : o Réduite : ubiquinol (UH2) ou CoE Q réduite (CoQH2) o Oxydée : ubiquinone (U) ou CoE Q (CoQ) Complexe III : cytochrome bc1 ou ubiquinol-cytochrome c oxydoréductase ➢ Transfert d’e- du CoQH2 vers le cytochrome c ➢ Pompe à protons de la matrice vers l’espace IM : permet la translocation de 4 protons ➢ Inhibiteur : antimycine A, poison produit par des bactéries de genre Streptomyces Cytochrome c ➢ Protéine légèrement hydrosoluble mais qui reste associée à la membrane ➢ Transfert d’e- du III (donneur) au IV (accepteur). Complexe IV : cytochrome aa3 ou cytochrome c oxydase L ➢ Transfert d’e- à O2 qui produit de l’eau : consomme 95% de l’O2, 300m/ d’ eauparj our ➢ Seul complexe qui interagit avec l’O 2 moléculaire ➢ Pompe à proton de la matrice vers l’espace IM : permet la translocation de 2 protons

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➢ Inhibiteurs : CN- (cyanide), N3- (azide), CO (monoxyde de carbone) : poisons, toxiques

B – Fonctionnement respiratoire

de

la

chaîne

Succession de réactions d’oxydo-réduction réalisées par plusieurs couples RedOx en fonction de leur potentiel de réduction standard. L’ordre d’intervention des systèmes RedOx qui transportent les e - se fait dans le sens de : ● L’accroissement du potentiel redox (E0’) du NAD/ NADH (couple le plus réducteur)  O2 / H2O (couple le plus oxydant) ● La réduction de l’énergie libre Systèmes donneurs exergoniques.

d’e-

et

de

H+

selon

une

succession

de

réactions

À chaque étape, il y a une diminution de l’énergie libre, à la dernière étape, il n’y a plus d’énergie libre, donc la réduction de l’hydrogène en eau est irréversible.

Au cours de ces réaction, le potentiel de réduction standard augmente et la valeur de l’énergie libre diminue pour atteindre 0 pour les électrons intervenant dans la réaction de l’eau. C’est pour cette raison que la réaction sera irréversible. Toute l’énergie libre potentielle à été consommée par la chaine respiratoire.

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Conclusion : 1) Les e- sont transférés via le CoQ et les cytochromes jusqu’à l’oxygène moléculaire. Le trajet du transfert est imposé par le gradient du potentiel RedOx des couples RedOx. Système le plus réducteur (NADH2, Eo’ = -0,33) → le plus oxydant ( O 2, Eo’ = +0,82) 2) Système favorable sur le plan thermodynamique : transmission de l’énergie à l’environnement. 3) Les protons passent vers l’espace intermoléculaire via I, III, et IV par les pompes à H+. → Gradient de protons électrochimique / ddp = 180mV → crée un gradient de pH. Réaction finale irréversible : 2e- + 2H+ + ½ O2 → H2O

Energie utilisée par les réactions d’oxydo-réduction utilisé pour transférer les électrons de la matrice vers l’EI. Ce mécanisme va permettre de créer un gradient de protons, et également formation d’un gradient de pH

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IV - Couplage de la réoxydation des CoE et phosphorylation de l’ADP A – Expériences 1/ L’addition d’ADP à des mitochondries stimule la consommation d’O 2 : contrôle positif de la respiration par l’ADP. Contrôle du niveau de la respiration mitochondriale. 2 / L’action de l’ oligomycine (inhibiteur de l’ATP synthase) abolit l’effet de l’ADP sur la chaîne respiratoire. C’est donc la phosphorylation de l’ADP en ATP qui stimule la respiration mitochondriale. Il y a un couplage entre respiration mitochondriale et phosphorylation de l’ATP. L’un ne se fait pas sans l’autre. 3 / L’action du DNP (2-4 dinitrophénol) abolit la phosphorylation de l’ADP (en ATP), c’est un agent de découplage des transports , il perméabilise la

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membrane interne aux protons, ce qui permet la disparition du gradient de protons → La formation et le maintien du gradient de protons est indispensable à la phosphorylation. ⟹ La phosphorylation de l’ADP en ATP est dite oxydative car elle est couplée à la respiration mitochondriale exergonique. ⟹ L’énergie nécessaire à la phosphorylation est apportée par la constitution du gradient de protons. ⟹ L’ADP est phosphorylé par l’ATP synthase en ATP.

B – Rôle de la translocation de protons Réactions exergoniques de la chaîne respiratoire : transfert des protons de la matrice vers l’espace intermembranaire. Création et maintenance d’un gradient électrochimique de protons. Molécule chargée : - Gradient de concentration de protons (ΔpH) - Différence de potentiel électrique (ΔΨ) = 180 mV Ce gradient crée une force proton motrice (gradient électrochimique : ΔµH+ = ΔpH + ΔΨ), utilisée par l’ATP synthase  source d’énergie.

C – ATP synthase mitochondriale ATP synthase mitochondriale : enzyme mitochondriale localisée au niveau de la membrane interne. Elle synthétise de l’énergie apporté par la force à protons motrice. Complexe enzymatique volumineux (MI) en deux parties : ➢ F0 : partie membranaire, globulaire, multimérique avec canal à H + qui permet le retour des protons dans la matrice. Elle est ancrée dans la MI de la mitochondrie. ➢ F1 : protubérance multimérique dans la matrice qui est attachée à F 0, elle contient 3 sites de fixation de l’ADP elle porte l’ activité enzymatique (ATP synthase) de phosphorylation de l’ADP en ATP.

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Bilan :

→ Le retour de 3 protons est nécessaire pour synthétiser une molécule d’ATP, c’est pour ça qu’à partir du NADH, H + on peut produire 3 molécules d’ATP et 2 à partir du FADH2. Translocation de 10 protons lors des réactions d’oxydo-réductions.

La synthèse d’ATP se fait ainsi en fonction du nombre de protons qui retournent dans la matrice mitochondriale.

V – Régulation des oxydations phosphorylantes : gestion de l’ATP L’ATP (comme l’ADP) très peu stocké dans la cellule. Synthèse de l’ATP en flux tendu et continuelle en fonction des besoins (de manière rapide). Régulation fine et précise de la phosphorylation oxydative. Coordination entre production et utilisation de l’ATP libre. Explication

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Si on a une concentration importante d’ATP dans la cellule, ADP faible, alors activité de l’ATP synthase faible. Cela signifie que le retour des protons ne se fait que très faiblement (faible gradient en protons). Cela provoque une répression de la chaine respiratoire. Si en revanche la concentration d’ATP est faible alors la résorption du gradient de protons se fait de manière rapide et efficace. On a donc une régulation active, et une stimulation de la respiration mitochondriale.

1/ Quand la cellule n’utilise pas l’ATP, cet ATP n’est pas hydrolysé donc il y a peu d’ADP dans la mitochondrie. L’ADP ne pourra alors pas être phosphorylé par l’ATP synthase qui elle-même ne pourra pas résorber le gradient de proton → Effet feed-back qui va ralentir la chaîne respiratoire et la réoxydation des coenzymes nucléotidiques. 2 / À l’inverse, si l’ATP est utilisée par la cellule, grande quantité d’ADP qui est réutilisé de manière efficace par l’ATP synthase pour resynthétiser l’ATP, la turbine à protons marche à plein régime et chaine respiratoire est extrêmement active, pour permettre la recréation du gradient de protons. Si excès d’ATP : activité ATPase de l’ATP synthase pour hydrolyser l’excès d’ATP qui n’est pas utilisé.

VI – Troubles énergétiques pathologies associées

et

Production normale de radicaux libres en très faible quantité. Radicaux libres : molécules hautement réactives qui peuvent être toxiques  super anions, superoxyde… Défaut de la fonction énergétique → production excessive de radicaux libres → toxicité mitochondriale, peuvent endommager les lipides, les protéines et les acides nucléiques. Il y a deux classes de maladies : ● Causes connues : maladies mitochondriales (=cytopathie mitochondriales), souvent héréditaires o Troubles de la chaine respiratoire o Altérations de gènes mitochondriaux ou nucléaires qui codent pour les constituants de la chaine respiratoire. o Cela donne lieu à des maladies polymorphes, très grande variabilité d’expression et de manifestations cliniques (atteintes ophtalmiques, musculaires, cardiaques…) en fonction des gènes endommagés

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o

Gravité et sévérité variable

● Corrélation avec dysfonctionnement énergétique : o Diabète de type II (insulino resistant) o Alzheimer (accumulation de peptides β amyloïde) - Parkinson o Majorité de cancers (souvent dues à une activation d’oncogènes) : hyperfonctionnement de la chaîne respiratoire. Mais on ne sait pas si ce dysfonctionnement est une cause ou une conséquence de la maladie = on observe uniquement les corrélation à ce stade.

Coenzyme = cofacteur organique non thermostable.

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