La chaîne respiratoire mitochondriale(CRM) et

oxydations phosphorylantes

1ière année Pharmacie, 2014-2015Biochimie métabolique

Pr Bouhsain Sanae

Plan I-Définition

II- La CRM et oxydation phosphorylante

III- Le bilan de la CRM et de l’oxydation phosphorylante

IV- La régulation de la CRM

V- Les anomalies de la CRM

Conclusion

I– Définition

• CRM ou oxydation phosphorylante (ou phosphorylation oxydative)

• Processus qui couple la réoxydation des NADH,H+ et FADH2 à la synthèse d’ATP par phosphorylation de l’ADP

• Utilise un ensemble d’enzymes et de coenzymes d’oxydoréductions(groupements prosthétiques)

• Transfert des équivalents réducteurs de couple redox en couple redox ( du plus négatif vers le plus positif) jusqu’à l’accepteur final: l’oxygène moléculaire

• Localisation: membrane interne de la mitochondrie

II- La CRM

Les substrats de la CRM: Le NADH,H+

• Origine mitochondriale:– Cycle de Krebs, oxydation du Pyruvate, β oxydation AG

• Origine cytosolique: – Oxydation de divers substrats: PGA, lactate…– Ne peut traverser membrane mitochondriale– Navette Malate-Aspartate– Navette Glycérol 3 Phosphate

• Les équivalents réducteurs du NADH,H+, issus de la 6ième réaction de la glycolyse sont transférés sur le FAD

Navette Malate-Aspartate

Bilan: +++1 molécule NADH+H+ cytosolique donne 1 molécule NADH,H+mitochondriale

Navette Glycérol-3-phosphate

Bilan: +++1 molécule NADH+H+ cytosolique donne 1 molécule FADH2 mitochondriale

Les substrats de la CRM: Le FADH2

• Origine mitochondriale– Oxydation des acyl CoA (métabolisme des acides gras)

– Oxydation succinate en fumarate (fait partie cycle de Krebs)

• Navette glycérol- 3- Phosphate

Description de la CRM

• 4 complexes fixes (I, II, III et IV)– Formés de protéines enchâssées dans la membrane interne ( le

complexe II étant sur la face matricielle),

– Liées à des groupements prosthétiaques d’oxydoréduction: FAD, FMN, protéines à centre Fer- Soufre et cytochromes;

• 2 transporteurs mobiles d’électrons:– Le coenzyme Q (CoQ ou ubiquinone): très hyrophobe et de petite

taille, mobilité membranaire entre les complexes I ou II et le complexe III;

– Le cytochrme C: hydrophile et de petite taille, mobilité sur face cytosolique de la membrane interne entre les complexes III et IV.

• Chaque complexe de la CRM est: – un système rédox: Forme réduite et forme oxydée– Capable de donner ou recevoir un nombre donné de H+ et d’e-

• Les systèmes rédox interviennent dans l’ordre croissant de leur potentiel rédox E°’: Des plus réducteurs vers les plus oxydants

• Chute d’énergie libre au long de CRM

• Formation d’un gradient transmembranaire de protons entre l’espace intermembranaire et la matrice

• Les complexes I, III et IV: pompe à protons,

– fournissent énergie nécessaire au pompage des protons de la face matricielle vers la face cytosolique de la membrane interne

– Par convention, le nombre de protons pompés par:

• le complexe I: 4H+

• le complexe III: 4H+

• le complexe IV: 2H+

• Le complexe II ne peut pas pomper de protons

Complexe I: NADH-ubiquinone réductase

• Assemble:

– Coenzyme FMN

– Plusieurs protéines à centre Fer-Soufre

• Reçoit les équivalents réducteurs du NADH,H+

– D’origine mitochondriale: β oxydation des acides gras, réaction pyruvate acétyl-CoA, cycle acide citrique

– D’origine cytosolique: glycolyse via navette malate- Aspartate

• Passe ses équivalents réducteurs au coenzyme Q, via les FMN et les protéines à centre Fer- Soufre.

• Pompe à protons: 4 H+

Réaction globale: NADH,H+ + CoQ NAD++ CoQH2

Complexe II: Succinate-ubiquinone réductase

• Assemble:– La succinate déshydrogénase, à coenzyme FAD: enzyme qui catalyse la

6ième réaction du cycle de Krebs

– Plusieurs protéines à centre Fer-Soufre

• Établit un lien direct entre cycle de Krebs et CRM: reçoit les équivalents réducteurs du FADH2 et les passe au coenzyme Q

• Pas de pompage de protons

Réaction globale: FADH2 + CoQ FAD+ CoQH2

Complexe III: Coenzyme Q-cytochrome c- réductase

• Assemble:– 2 cytochromes b

– Une protéine à centre Fer-Soufre

– Cytochrome c1

• Reçoit les équivalents réducteurs du coenzyme QH2 et les passe au cytochrome c, via les cytochromes et les protéines à centre fer-Soufre

• Pompe à protons: 4 H+

Réaction: CoQH2 + 2 cyt.c (Fe+++) CoQ + 2 cyt.c (Fe++) + 2H+

= 4 H+

Complexe IV: cytochrome c oxydase

• Assemble:– Le cytochrome a

– Le cytochrome a3

– Et 2 ions cuivre

• Reçoit les équivalents réducteurs du cytochrome c et les passe à l’oxygène moléculaire, via les cytochromes a et a3

• Pompe à protons: 2 H+

Réaction: 2 cyt.a (Fe+++) + ½ O2 + 2 H+ 2 cyt.a (Fe++) + 2 H+

Pompe à protons

= 2H+

Mécanisme du couplage de l’oxydation NADH,H+ et FADH2

à la phosphorylation de l’ADP en ATP

Théorie chimio-osmotique Mitchell (prix Nobel 1974)

• Principe: Couplage entre oxydation et phosphorylation par un gradient de protons à travers la membrane interne mitochondriale

• Modalités:

– Conversion énergie chimique (oxydation) en énergie osmotique (gradient de protons)

• Chute d’énergie libre

• Complexes I, III et IV : pompe à protons

• Les protons éjectés dans l’espace intermembranaire tendent à rentrer dans la matrice: mais membrane interne: imperméable

– Conversion de l’énergie osmotique (gradient de protons) en énergie chimique (phosphorylation)

• Utilisation du complexe V: ATP-synthase

Le complexe V: ATP synthase

• Forme d’une sphère pédonculée– Sphère: sous unité F1, sur membrane interne, douée d’activité ATPase

– Pédoncule: sous unité F0, transmembranaire, constitue un canal à H+

Complexe V: ATP- synthase

• Couplage entre:

– Dissipation du gradient de protons par la sous unités F0

– Synthèse d’ATP à partir d’ADP et de Pi par la sous unité F1

• Passage de 3 protons: nécessaire à la synthèse d’une ATP

Récapitulatif du processus de transport des électrons et de la phosphorylation oxydative

Devenir de l’ATP mitochondrial

• ATP mitochondrial exporté vers le cytosol grâce à un antiport: ATP-ADP translocase– Échange ATP contre ADP cytosolique

• Pi cytosolique: importé du cytosol vers la matrice grâce à un symport: la phosphate translocase qui fonctionne avec les H+ du gradient

• ADP et Pi dans la matrice: substrats de la phosphorylation

III- Bilan énergétique de la CRM

• La formation d’1 ATP:– Nécessite un flux de 3 H+– Transport de l’ATP hors mitochondrie nécessite un H+ (1/4)

• Oxydation d’1 NADH,H+ génère un flux de 10 H+ (Complexe I, Complexe III , Complexe IV)– 7.5 H+ permettent synthèse de 2.5 ATP et 2.5 H+

permettent l’exportation de ces 2.5 ATP– 1 NADH,H+ génère 2,5 ATP: traditionnellement 3 ATP

• L’oxydation d’1 FADH2 génère un flux 6 H+ (Complexe III et Complexe IV)– 4.5 H+ permettent synthèse de 1.5 ATP et 1.5 H+ permettent

l’exportation de ces 1.5 ATP– 1 FADH2 génère 1.5 ATP: traditionnellement 2ATP

Bilan énergétique de l’oxydation complète d’une molécule de glucose en aérobiose (1)

Bilan énergétique de l’oxydation complète d’une molécule de glucose en aérobiose (2)

Bilan total de la respiration cellulaire aérobie

Navette malate- aspartate: 38 ATPNavette glycérol-3 phosphate: 36 ATP

IV- Régulation de la CRM

• Concentration en 02: respiration –circulation

• Rapport ATP / ADP:– Faible: CRM stimulée– Élevé: CRM ralentie

• Rapport NAD+/NADH,H+:– Faible: CRM stimulée– Élevé: CRM ralentie

V- Anomalies de la CRM

Anomalies primaires: Cytopathies mitochondriales

• Déficits enzymatiques en complexe respiratoires:– Apparaît dès période néonatale

– Maladies graves, souvent mortelles

– Clinique: variable• Muscle; intolerance à l’exercice, myolyse…..

• Cerveau: épilepsie, démence….

• Organes de sens: rétinopathies, surdité…..

• Cœur: cardiomyopathie….

• Rein: tubulopathie, glomérulopathie, insuffisance rénale

• Foie: insuffisance hépatique, cirrhose

[Toutes les cellules de l’organisme dépendent de leur chaine respiratoire]

Anomalies secondairesLes inhibiteurs de la CRM

Conclusion