Respiration cellulaire

• Module 4 porte sur la respiration cellulaire et les maladies associées.
• Les objectifs incluent la compréhension des mécanismes de la respiration cellulaire et l'exploration des maladies dues au dysfonctionnement de la mitochondrie.

Notions de base

• La respiration cellulaire fournit l'énergie nécessaire aux diverses fonctions cellulaires.
• Cette énergie est stockée dans une molécule appelée adénosine triphosphate (ATP).
• La respiration cellulaire est essentielle pour la contraction musculaire, la transmission de l'influx nerveux et la synthèse des protéines.

Respiration Cellulaire

• La première étape de la respiration cellulaire est la glycolyse, conduisant à la formation de pyruvate.
• La respiration cellulaire peut être anaérobie ou aérobie.
• La respiration aérobie se déroule dans les mitochondries et nécessite la présence d'oxygène.
• La respiration anaérobie se déroule dans le cytoplasme et en absence d'oxygène, produisant de l'acide lactique.
• La respiration aérobie produit entre 36 et 38 ATP par molécule de glucose, comparativement à seulement 2 ATP pour la respiration anaérobie.
• Un apport insuffisant d'oxygène lors d'efforts intenses peut entraîner une respiration anaérobie.
• Les conditions pathologiques qui diminuent le flux sanguin peuvent causer une ischémie..

Respiration cellulaire aérobie

• C'est une réaction chimique d'oxydo-réduction.
• Les composés organiques réagissent avec le dioxygène pour produire du dioxyde de carbone, de l'eau, et de l'énergie (36 ATP).
• Le glucose est le réducteur, perdant des électrons et s'oxydant.
• L'dioxygène est l'oxydant, captant des électrons et se réduisant.
• Le glucose subit une dégradation en plusieurs étapes.
• Lors de ces étapes, les atomes d'hydrogène sont transférés vers les molécules de NAD+ ou FAD, formés d'accepteurs d'électrons.
• Les électrons parcourent un long chemin au cours de la respiration cellulaire aérobie.
• Le glucose est transformé en NADH et FADH2 puis transféré dans la chaîne de transport d'électrons, résultant en O2.
• NADH et FADH2 transfèrent des e- qui sont importants pour la production d'ATP lors de la phosphorylation oxydative.

Formation d'ATP

• Il existe deux façons de fabriquer de l'ATP : phosphorylation au niveau du substrat et phosphorylation oxydative.
• La phosphorylation au niveau du substrat représente 10 % ; l'adénosine diphosphate est phosphorylée.
• La phosphorylation oxydative représente 90 % de; le NAD+ est réduit en NADH, qui génère ensuite de l'ATP par le biais de la chaîne de transport d'électrons.

Respiration cellulaire aérobie

• La respiration cellulaire aérobie comprend trois stades métaboliques : la glycolyse, le cycle de Krebs et la phosphorylation oxydative.
• La glycolyse se produit dans le cytosol, le cycle de Krebs dans la matrice mitochondriale et la phosphorylation oxydative dans la membrane interne de la mitochondrie.

Glycolyse

• Il existe deux phases : une phase d'investissement énergétique et une phase de production d'énergie.
• La glycolyse se produit dans le cytosol.
• La glycolyse produit 2 pyruvates, 2 ATP et 2 NADH.
• Elle ne nécessite pas d'O2 et se déroule dans le cytoplasme.
• Les réactifs comprennent : 1 glucose, 4 ADP, 4 Pi, 2 ATP et 2 NAD+

Oxydation du pyruvate

• Avant de pénétrer dans le cycle de Krebs, le pyruvate issu de la glycolyse subit une oxydation.
• Le processus se déroule dans la matrice mitochondriale.
• Une molécule de CO2 est libérée de chaque molécule de pyruvate.
• Le pyruvate subit une décomposition par la pyruvate déshydrogénase.
• L'acétyl CoA est formé par la fixation du CoA au groupe acétyl.
• Une molécule de CO2, une molécule de NADH et une molécule d'acétyl-CoA sont créées par molécule de pyruvate.

Cycle de Krebs

• L'oxaloacétate (4C) se lie à l'acétyl-CoA (2C) pour former du citrate (6C).
• Le citrate est réagencé en isocitrate, qui est ensuite oxydé pour produire du NADH et libérer une molécule de CO2, formant ainsi l'α-cétoglutarate (5C).
• L'α-cétoglutarate est oxydé pour produire du NADH et libérer du CO2. Le succinyl-CoA est converti en succinate avec la libération d'ATP.
• Le succinate est oxydé en fumarate, produisant du FADH2, qui est transformé en malate par addition d'eau. Le malate est oxydé en oxaloacétate, générant du NADH.
• Le cycle de Krebs, une molécule de glucose produit 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH2 et 4 CO2. Chaque molécule de pyruvate produite lors de la glycolyse doit entrer dans le cycle de, qui se produit deux fois pour chaque molécule de glucose

Phosphorylation oxydative

• Les complexes protéiques sont au nombre de 5 (I à V) et le complexe V est l’ATP synthase.
• L'ubiquinone (Q) et le cytochrome C (C) sont deux transporteurs d'électrons mobiles.
• Le complexe I reçoit des électrons du NADH.
• Le complexe II reçoit des électrons du FADH2.
• Les protéines de la chaîne de transport d'électrons (CTE) transfèrent les électrons et utilisent l'énergie libérée pour déplacer les ions hydrogène de la matrice à l'espace intermembranaire.
• Un gradient électrochimique de protons se forme à travers la membrane mitochondriale interne.
• Les ions H+ (protons) se déplacent de l'espace intermembranaire à l'intérieur par l'intermédiaire de l'ATP synthase, ce qui permet de fabriquer de l'ATP par la phosphorylation de l'ADP.
• L'énergie libérée lors du passage des ions H+ sert à unir l'ADP au Pi pour produire de l'ATP.
• L'énergie éliminée : 1 NADH = 3 ATP ; 1 FADH2 = 2 ATP.
• L'oxygène est l'accepteur final d'électrons; il accepte les électrons, se combine aux protons et devient de l'eau.
• L'énergie du glucose oxydé est de 36 à 38 ATP.

Maladies mitochondriales

• Elles sont causées par un défaut de la chaîne des oxydations phosphorylantes.
• Les tissus utilisant beaucoup d'énergies sont plus affectés.
• Atteinte préférentielle des organes suivants : muscle, oreille, rein, cœur, foie, œil, cerveau.
• Les mutations affectent la chaîne respiratoire mitochondriale et entraînent la neuropathie optique héréditaire Leber ou le syndrome de Leigh.
• La chaîne respiratoire se trouve dans la membrane interne de la mitochondrie et est constituée de 5 complexes protéiques.
• Elle inclut aussi de l'ubiquinone et du cytochrome C.
• Anomalie du génome mitochondrial, anomalie du génome nucléaire.
• La mitochondrie a 13 protéines, plus de 900 protéines codées via le génome nucléaire.

Mitochondriopathies du génome mitochondrial

• Les mutations ponctuelles de l'ADNmt provoquent la neuropathie optique de Leber.
• Une diminution progressive de la vision et une perte de la vision nette sont des symptômes fréquents.
• Il existe une anomalie des mitochondriaux qui affecte les gènes codant pour le complexe I. NADH-coenzyme Q oxydoréductase.
• Mutations ponctuelles de l'ADNmt causent le syndrome de NARP (Neuropathie, Ataxie, Rétine pigmentaire).
• La neuropathie ataxie rétinite pigmentaire causée par une mutation du gène ATP6 (complexe V).

Mitochondriopathies du génome nucléaire

• Les mutations du gène SURF-1 (protéine assemblage du complexe IV) sont responsables du syndrome de Leigh.
• Ataxie de Friedreich causée par le gène Frataxine.
• Les mutations perturbent la concentration de fer dans les mitochondries, et les complexes III et IV sont affectés par un déficit en noyaux fer-soufre, ce qui diminue la production d'ATP
• Sclérose latérale amyotrophique (SLA) causée par une mutation du gène SOD1.
• Une mutation du gène SOD1 augmente la production de radicaux libres et engendre un stress oxydatif.
• Les radicaux superoxydes sont produits par complexes I et III chaînes de transport d'électrons.