Chaêne Respiratoire Mitochondriale PDF

Paul Boyer John E. Walker Peter D. Mitchell LA CHAINE RESPIRATOIRE MITOCHONDRIALE: Chaîne de Transfert des Electrons et Phosphorylation Oxydative Introduction L’ATP est la réserve moléculaire d’énergie des organismes vivants. Ex: Un homme sédent...

Paul Boyer John E. Walker Peter D. Mitchell LA CHAINE RESPIRATOIRE MITOCHONDRIALE: Chaîne de Transfert des Electrons et Phosphorylation Oxydative Introduction L’ATP est la réserve moléculaire d’énergie des organismes vivants. Ex: Un homme sédentaire de 70 kg requiert 2000 kcal/j soit 83 kg d’ATP. Besoins supérieurs à la masse corporelle! Il y a donc un besoin important de recyclage de l’ADP en ATP pour satisfaire aux besoins. Recyclage effectué grâce à la Respiration Cellulaire. Elle est terminée par la chaîne respiratoire mitochondriale. La respiration cellulaire est une réaction d'oxydo-réduction entre des molécules organiques, (de transfert d’électrons), qui fournit l'énergie nécessaire à une cellule pour fonctionner. La respiration cellulaire se déroule à partir des produits d’oxydations des nutriments organiques (lipides, protéines, glucides +++) : – dans le cytosol en absence d’oxygène (anaérobiose) : fermentations lactique, propionique et alcoolique. Certaines bactéries et archées utilisent des accepteurs finaux d’électrons autres que l’oxygène (O 2) : NO3-, SO42-, CO32- – dans les mitochondries en présence d’O 2 (aérobiose) produisant beaucoup plus d’ATP Introduction Des exemples de produits de respiration cellulaire anaérobie Rappels historiques (1) En 1912, Otto Warburg suppose la présence d’une enzyme respiratoire dans les mitochondries En 1925, David Keilin découvre les cytochromes et émet l’hypothèse d’une chaine respiratoire. En 1937, Hans Krebs élucide le cycle de Krebs En 1945, Fritz Lipmann découvre le coenzyme A composant essentiel du métabolisme des glucides, des lipides et des acides aminés. Albert Claude (Nobel, 1974) fractionne les organites cellulaires, dont la mitochondrie, et les visualise par microscopie électronique. Rappels historiques (2) Rappels historiques (3)  Mise en évidence de la localisation des étapes de la respiration cellulaire Expliquer les résultats observés ! Les différents compartiments d’un homogénat cellulaires sont séparés (fractionnement) par centrifugation à froid. Les milieux sont enrichis soit en glucose, soit en pyruvate ou pas enrichi du tout. Les échanges gazeux sont alors mesurés en présence d’oxygène, Dans le deuxième tableau, on mesure le taux de glucose et de pyruvate dans chaque compartiment cellulaire après une incubation de 12 heures dans un milieu enrichi en glucose et dépourvu de pyruvate.  Mise en évidence de la localisation des étapes de la respiration cellulaire Expliquer les résultats observés ! Les différents compartiments cellulaires sont séparés (fractionnement) par centrifugation à froid. Les échanges gazeux sont alors mesurés en présence d’oxygène, selon que le milieu soit enrichi en glucose, en pyruvate ou ne soit pas enrichi du tout. Dans le deuxième tableau, on mesure le taux de glucose et de pyruvate dans chaque compartiment cellulaire après une incubation de 12 heures dans un milieu enrichi en glucose et dépourvu de pyruvate.  Mise en évidence de la localisation des étapes de la respiration cellulaire Aucun échange gazeux n’est observé au niveau de la fraction des noyaux et de la fraction riche en réticulum, quel que soit les molécules d’enrichissement. De plus, dans ces mêmes fractions, la concentration de glucose mesurée correspond à la quantité de glucose ajoutée à la solution d'incubation. Dans la fraction cytosol, on observe la production de CO 2, une baisse du taux de glucose et la production de pyruvate. Dans la fraction mitochondriale, on observe la production de CO 2 en présence de pyruvate, mais pas en présence de glucose. Consommation de O2 en présence de pyruvate mais pas en présence de glucose. Absence de consommation de glucose. Absence de production de pyruvate.  La respiration cellulaire La respiration cellulaire aérobie implique plusieurs voies métaboliques, qui sont localisés dans différents compartiments de la cellule (cytosol, mitochondrie). NADH,H+ et FADH2 Electron transport chain + oxidative phosphorylation Chaîne respiratoire Respiration cellulaire aérobie Localisation de la chaîne respiratoire La chaîne respiratoire est localisée dans la membrane interne des mitochondries de toutes les cellules. Les mitochondries : autrefois cellules bactériennes, internalisées par endocytose, devenues des organites cellulaires à part entière, possédant un génome autonome type procaryote effectuant sa propre biosynthèse protéique Coupe transversale d’une mitochondrie Définition de la chaîne respiratoire La chaîne respiratoire est la production d’ATP et de H2O à partir des protons H+ des coenzymes réduits (NADH,H+ et FADH2) et de l’oxygène (O2). Les coenzymes réduits sont générés par l’oxydation de molécules organiques telles le glucose et les acides gras (apportées par l’alimentation). Principe fonctionnel de la chaine respiratoire La chaîne respiratoire associe la chaine de transfert des électrons et la phosphorylation oxydative (oxydation phosphorylante). Elle produit de l’ATP et la regénération des coenzymes réduits (NADH,H+ et FADH2) en coenzymes oxydés. Tout au long de la chaîne respiratoire les électrons provenant du NADH,H+ et du FADH2, vont perdre de l’énergie qui sera utilisée pour former un gradient électrochimique de protons dans la mitochondrie pour produire de l’ATP. Molécules actrices de la chaîne respiratoire Source des NADH,H+ et FADH2 : oxydation du glucose (glycolyse), des acides gras (𝛽- oxydation) et de l’acétyl-CoA (cycle de Krebs) Des protons (H+) Les électrons riches récupérés par NADH,H+ et FADH2, seront transportés successivement par 4 complexes enzymatiques (protéiques), une quinone et un hème. ADP est phosphorylé en ATP par une ATP synthase. Molécules actrices de la chaîne respiratoire L’ATP : adénosine triphosphate L'ATP est un nucléotide constitué d'adénine liée à un ribose et à trois groupements phosphate. L’ATP fournit de l’énergie par hydrolyse qui libère un groupement phosphate et de l’ADP (∆G = −7.3 kcal/mol). Une cellule possède très peu d'ATP. Et comme elle en ATP : Adénosine triphosphate consomme en permanence, elle doit en synthétiser constamment. C'est la chaîne respiratoire qui fournit l'énergie nécessaire pour la synthèse de l'ATP en grande quantité en permettant une phosphorylation de l'ADP. Molécules actrices de la chaîne respiratoire Couple redox du nicotinamide adénine dinucléotide Molécules actrices de la chaîne respiratoire Couple redox du flavine adénine dinucléotide Les complexes de la chaîne respiratoire Les complexes enzymatiques sont protéiques, localisés au niveau de la membrane interne de la mitochondrie et immobiles. Protéines codées par l’ADN mitochondriale. Le complexe I (NADH coenzyme Q reductase) transfère les électrons du NADH et permet l’expulsion de 4 protons de la matrice dans l’espace inter-membranaire. Le complexe II (Succinate coenzyme Q reductase) transfère les électrons du FADH2 et ne permet l’expulsion d’aucun proton. Le complexe III (Coenzyme Q cytochrome C reductase) permet l’expulsion de 4 protons de la matrice dans l’espace inter-membranaire. Le complexe IV (Cytochrome C oxydase) permet l’expulsion de 2 protons de la matrice dans l’espace inter-membranaire.  Le coenzyme Q (ou ubiquinone ou coenzyme Q10) mobile au sein de la membrane interne, permet le transfert d’électrons entre le complexe I (ou II) et le complexe III. Non protéique! Le cytochrome C mobile au sein de la membrane interne, permet le transfert d’électrons entre le complexe III et le complexe IV. Héme du cytochrome C  Espace intermembranaire de la mitochondrie Matrice mitochondriale Les complexes enzymatiques de la chaîne de transport des électrons La chaîne respiratoire Les électrons de basses énergies libérés à la fin de la chaîne respiratoire réagiront ainsi avec les molécules d’oxygène et les protons présents dans la matrice mitochondriale afin de former des molécules d’eau. L’O2 est l’accepteur final des électrons. Le fonctionnement progressif de la chaîne respiratoire est nécessaire car les électrons libérés par le NADH et le FADH2 sont riches en énergie et de cette manière ne peuvent pas réagir d’emblée avec les molécules d’oxygène. Le NADH permet le transfert de 10 protons de la matrice mitochondriale à l’espace inter- membranaire, tandis que le FADH2 transfert 6 protons. En outre, le métabolisme général produit plus de NADH que de FADH2 (glycolyse, cycle Krebs, β-oxydation). Chaine de transfert d’électrons + phosphorylation oxydative Production de NADH,H + et de FADH2 Cycle de β-oxydation Glycolyse Krebs Transfert d’énergie au cours de la chaîne respiratoire Conséquences du transfert d’énergie au cours de la chaîne respiratoire Le transfert des électrons d’un complexe à un autre provoque un gradient de protons de part et d’autre de la membrane interne de la mitochondrie : concentration de H + en faveur de l’espace intermembranaire. Le complexe protéique de l’oxydation phosphorylante : ATP synthétase La dernière molécule dans cette série fonctionne comme une enzyme et est appelée F0 F1 ATP Synthase (ATPase). Le complexe F0 F1 ATP synthétase utilise le gradient électrique pour synthétiser des molécules d’ATP via la phosphorylation oxydative. ATP synthase est parfois considéré comme un ‘‘ complexe V ’’ de la chaîne de transport des électrons. La composante F0 joue le rôle d’un canal ionique permettant le retour des protons dans la matrice mitochondriale. Pendant ce retour des protons, l’énergie libérée par les électrons lors de la régénération de NAD+ et FAD est utilisé pour la synthèse d’ATP. La composante F1 joue le rôle d’un catalyseur de la réaction ADP + Pi → ATP. La phosphorylation oxydative est appelée chimio-osmose mitochondriale. Le complexe protéique de l’oxydation phosphorylante : ATP synthétase La chaîne de transport des électrons couplée à l’oxydation phosphorylante Régulation de la respiration cellulaire Le contrôle de la RC dépend de la disponibilité en NADH, en O2, et surtout en ATP. A l’état basal, repos : ATP>>> ADP ⟹ la RC tourne au ralenti Si besoin énergétique ➚, à l’effort ⟹ ADP ➚ ⟹ Vitesse de la RC ➚➚➚ (rapidement et de façon intense) Bilan moléculaire et énergétique 1 FADH2 génère 2 ATP 1 NADH,H+ génère 3 ATP 1 molécule de glucose génère environs 36 à 38 ATP : – par la glycolyse : 2 ATP – par le cycle de Krebs : 2 ATP, – par la chaîne respiratoire : 32 à 34 ATP L’utilisation du glucose par la respiration cellulaire aérobie est plus énergétique que les fermentations. Bilan moléculaire et énergétique de la respiration cellulaire Bilan calculé à partir d’une molécule de glucose Anomalies de fonctionnement de la chaîne respiratoire Détresse cardio-respiratoire ⟹ O2 ⟹ freine voire bloque métabolisme oxydatif mitochondrial ⟹ détournement vers lactate ⟹ acidose lactique Cytopathies mitochondriales : maladies mitochondriales dues à un défaut de la chaine des transfert d’électrons : - Maladies graves voire mortelles qui touchent tous les organes (muscles, coeur, cerveau, rein, foie, organs des sens, …) - Les mutations acquises du complexe I : soit empéchant oxydation du NADH,H+, soit bloquant transfert des électrons vers CoQ. Ce sont les plus nombreuses. - Défaut de la chaine des transferts d’électrons ⟹ Dérivés réactifs de l’oxygène (ROS) ⟹ Stress oxydatif ⟹ Apoptose Accumulation des mutations de l’ADN mitochondrial, avec les années de vie, pourrait contribuer au vieillissement, aux maladies dégénératives et aux cancers Inhibiteurs de la chaîne respiratoire Découpleurs CCCP 2,4-dinitrophénol Atractylate Malonate Carboxine Roténone Antimycine A Cyanure Oligomycine Chlorpromazine Dimercaprol Azide Rutamycine Amobarbital Naphtoquinone CO Piercidine H2S  Inhibiteurs de la chaîne respiratoire La roténone (isoflavone) et l'amobarbital (Amytal) inhibent le complexe I (NADH oxydase). Cependant, le transfert d'électrons du FADH2 au complexe II n'étant pas affecté, la phosphorylation oxydative peut toujours avoir lieu. La roténone est une molécule extraite de certaines légumineuses d'Asie Tropicale ou d'Amérique du Sud et utilisée comme insecticide. L’Amobarbital (Amytal) est un dérivé barbiturique de synthèse autrefois utilisé comme sédatif. Le malonate utilisé comme fongicides (SDHII) inhibe le complexe II (succinate déshydrogénase) par inhibition compétitive du succinate. L'antibiotique antimycine A inhibe le complexe III (cytochrome c réductase). Les fongicides de la classe des strobilurines inhibent le complexe III au point Qo. L'antimycine A produite par des bactéries du genre Streptomyces. Trouvés principalement dans le sol et la végétation en décomposition et sont connus pour leur odeur « terreuse » qui résulte de la production de géosmine.  Inhibiteurs de la chaîne respiratoire Les cyanures (CN-), les azides (N3-), le sulfure d’hydrogène (H2S) et le monoxyde de carbone (CO) inhibent le complexe IV (cytochrome c oxydase). Les dérivés cyanhydriques sont retrouvés dans les noyaux et grains de certains fruits (pomme, cerise, pêche, abricot, …) et dans les tubercules de manioc sous forme de glycoside cyanogène (amygdaline). L'oligomycine, un antibiotique, inhibe l'ATP synthase en se liant à sa partie Fo, ce qui entraîne une dégradation beaucoup plus lente du gradient de protons. En conséquence, le flux d'électrons pour maintenir ce gradient diminue considérablement et la consommation d'oxygène diminue. Autres inhibiteurs de la phosphorylation oxydative : Rutamycine, Atractylate, Bongkekrate (Pseudomonas cultivé sur pulpe de coco), 2,4-Dinitrophenol, Valinomycine, …  Inhibiteurs de la chaîne respiratoire Découpleurs de la chaine respiratoire : Ce sont des molécules qui dissocient la chaine de transport des électrons de la phosphorylation oxydative, et donc de la biosynthèse des ATP. Elles agissent soit sur le fonctionnement de l’ATP synthase, soit sur les échanges intermembranaires de la mitochondrie (=> perturbation du gradient de protons ou d’ATP). Les découpleurs physiologiques jouent un role dans les régulations métaboliques. Les découpleurs non-physiologiques jouent un rôle dans les expérimentations in vitro. Découpleurs non-physiologiques : oligomycine; Chloro-carbonyl-cyanide-phenyl hydrazone (CCCP); 2,4-dinitrophenol Découpleurs physiologiques : – Thyroxine (T4) en excès, – Acides gras essentiels (Acide α-linolénique (omega-3), acide linoléique (omega-6)) – Acides gras à longue chaine dans les tissus adipeux brun – Bilirubine non conjuguée en excès Conclusion La respiration cellulaire démarre avec l’oxydation des nutriments organiques et se termine, en présence d’oxygène, dans la mitochondrie avec la chaine de transfert des électrons et la phosphorylation oxydative. Elle génère de l’énergie sous forme de molécules d’ATP. Le rendement de la production d’énergie de la respiration cellulaire aérobie est plus important que celui de la respiration cellulaire anaérobie utilisée par des bactéries, des levures ou des champignons filamenteux. La connaissance des sites potentiels d’inhibition de la chaine respiratoire permet la mise au point de drogues médicamenteuses et d’anti-poisons. Le processus inverse de la respiration cellulaire est la photosynthèse. Conclusion