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DeVerneuil4OxydPhos .pdf



Nom original: DeVerneuil4OxydPhos.pdf
Titre: Aucun titre de diapositive
Auteur: Hubert de Verneuil

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LES OXYDATIONS PHOSPHORYLANTES
(PHOSPHORYLATION OXYDATIVE)
I – Rappels préliminaires sur l’oxydo-réduction
II – Introduction
III – Organisation de la chaîne respiratoire
IV – Mécanisme de formation de l’ATP
V – Bilan énergétique
VI – Régulation
VII – Formation et élimination des dérivés toxiques de
l’oxygène
VIII – Cytopathies mitochondriales

I – RAPPELS SUR L’OXYDO-REDUCTION (1)
Réaction d ’oxydo-réduction : transfert d’électrons entre 2 entités
chimiques ou biochimiques: un oxydant et un réducteur.
L’oxydant est l’espèce qui capture 1 ou 2 électrons
Le réducteur est l’espèce qui cède 1 ou 2 électrons
Oxydant + n eréducteur
Un agent oxydant donné ne peut oxyder que certains systèmes
Un agent réducteur donné ne peut réduire que certains systèmes:
RT ln [red]
nF
[ox]
Référence standard: H+ (1M) : H2 (1 atm) où E0 = 0
Potentiel de réduction

E = E0

-

Réaction d ’oxydo-réduction : 2 couples rédox (couple 1 est l ’oxydant)

ox1 + red 2

red1 + ox2

I – RAPPELS SUR L’OXYDO-REDUCTION (2)
Différence de potentiels de réduction :
DE = E1 - E2 = DE0 -

RT ln
nF

[red1] [ox2]
[ox1] [red2]

( E01 - E02 )

Etat standard en biochimie: H+ = 10-7 M (pH=7) au lieu de 1M (pH=0)
Les valeurs de E0 , notées E0’ sont décalées de - 0, 42 volt.

DE = DE0’ -

RT
ln
nF

[red1] [ox2]
[ox1] [red2]

I – RAPPELS SUR L’OXYDO-REDUCTION (3)

La loi de Nernst relie la valeur de DE et celle de DG :
DG = - n FDE ou DG0’ = - n FDE0’
Les électrons vont passer du couple rédox 2 (le réducteur)
de bas potentiel standard E0’2 vers le couple rédox 1
( l’oxydant) de plus haut potentiel standard E0’ 1.

DE0’ = E0’ 1 - E0’ 2 est positif et donc DG0’ est négatif.

Potentiels de réduction standard des transporteurs d’électrons
impliqués dans la chaîne respiratoire
Réaction redox (demi-réaction)
2H+ + 2eH2
NAD+ + H+ + 2e-

I

III

IV

E0’ (V)

NADH

NADH déshydrogénase (FMN) + 2H+ + 2 eNADH déshydrogénase (FMN H2)
ubiquinol
Ubiquinone + 2H+ + 2e-

- 0,42
- 0,32

- 0,30
0,04

Cytochrome b (Fe3+) + e-

cytochrome b (Fe2+)

0,08

Cytochrome c1 (Fe3+) + e-

cytochrome c1 (Fe2+)

0,22

Cytochrome c (Fe3+) + e-

cytochrome c (Fe2+)

0,25

Cytochrome a (Fe3+) + e-

cytochrome a (Fe2+)

0,29

Cytochrome a3 (Fe3+) + e-

cytochrome a3 (Fe2+)

0,55

1O
2 2

+ 2H+ + 2e-

H2O

0,81

II - INTRODUCTION
Les mitochondries sont le lieu essentiel de la production
d’énergie chimique qui est stockée sous forme d’ATP:
elles consomment plus de 90% de l’oxygène utilisée par la cellule.
Les oxydations cellulaires impliquent majoritairement
des deshydrogénations où l’énergie chimique est conservée
sous forme de coenzymes réduits:
AH2 + FAD
A + FADH2 (lié à son apoenzyme)
BH2 + NAD+
B + NADH + H+ (coenzyme mobile)
Le transfert d’électrons se fait sous la forme:
2 H+ + 2 e- ou H- + H+ : Équivalents réducteurs

La chaîne respiratoire est formée de catalyseurs en ligne
qui transportent les électrons jusqu’à O2 pour former H2O.
Cette suite de réactions d’oxydation est couplée à la
formation d’ATP: « Oxydations phosphorylantes ».

MITOCHONDRIE ET COMPLEXES ENZYMATIQUES
MME

MMI

- complexes I à IV
- ATP synthase
- Translocases

Canaux de porine

EIM

Matrice mitochondriale
- pyruvate deshydrogénase
- enzymes du cycle de Krebs
- enzymes de la b-oxydation

III - ORGANISATION DE LA CHAINE

Succession de complexes multiprotéiques:
dont les sous-unités dépendent du génome nucléaire (64)
et du génome mitochondrial (13)
- protéines fonctionnant avec le coenzyme soluble NAD+
- flavoprotéines : coenzymes FMN ou FAD
- cytochromes : protéines à fer héminique
- protéines fer-soufre : fer non héminique lié à des S de CYS
- un transporteur non protéique, l’ubiquinone ou coenzyme Q

III - ORGANISATION DE LA CHAINE

Succession de complexes multiprotéiques:
dont les sous-unités dépendent du génome nucléaire (64)
et du génome mitochondrial (13)
- protéines fonctionnant avec le coenzyme soluble NAD+
- flavoprotéines : coenzymes FMN ou FAD
- cytochromes : protéines à fer héminique
- protéines fer-soufre : fer non héminique lié à des S de CYS
- un transporteur non protéique, l’ubiquinone ou coenzyme Q

a

N

N
d

b

Fe
N

N
g

Hème d’un cytochrome : Fe2+ ou Fe3+
(Rappel: hème de l’hémoglobine : Fe2+)

III - ORGANISATION DE LA CHAINE

Succession de complexes multiprotéiques:
- protéines à coenzyme NAD+
- flavoprotéines : coenzymes FMN ou FAD
- cytochromes : protéines à fer héminique
- protéines fer-soufre : fer non héminique lié à des S

Exemple:
fer tétracoordonné
avec 4 atomes de S

S–Cys
Fe
Cys
Cys
S
S

Cys–S

III - ORGANISATION DE LA CHAINE

Succession de complexes multiprotéiques:
- protéines à coenzyme NAD+
- flavoprotéines : coenzymes FMN ou FAD
- cytochromes : protéines à fer héminique
- protéines fer-soufre : fer non héminique lié à des S

Un transporteur non protéique, l’ubiquinone ou coenzyme Q

Un transporteur non protéique, l’ubiquinone ou coenzyme Q
O

H3 CO

(R)

H3 CO

Ubiquinone (état oxydé)
UQ

CH3
O

2H++2e

OH
(R)

H3 CO

UQH2
H3 CO

CH3
OH

Ubiquinol (état réduit)

Groupes transporteurs d ’électrons
1°- Complexe I (46 sous-unités): NADH deshydrogénase
- plusieurs protéines Fe–S
- 1 flavoprotéine à FMN : FP1
L’accepteur est l’ubiquinone
Réaction simple :
red2
ox1

NADH + H+ + UQ

ubiquinone

ox2

red1

NAD+ + UQH2

ubiquinol

DE0’ = E0’ 1 - E0’ 2 = 0,04 - (- 0,32) = + 0,36 V
DG0’ = -nFDE0’ = -2 x 96500 x 0,36 = - 69480 J/mol = - 69 kJ/mol
La réaction de transfert d’é est couplée au transfert de 4 protons
de la matrice (N) vers l ’EIM (P):
Nouvelle réaction exprimant ce transfert :
+
+

NADH + 5 HMa + UQ

NAD + UQH2 + 4+ H+Cy

Potentiels de réduction standard des transporteurs d’électrons
impliqués dans la chaîne respiratoire
Réaction redox (demi-réaction)
2H+ + 2eH2
NAD+ + H+ + 2e-

I

III

IV

E0’ (V)

NADH

NADH déshydrogénase (FMN) + 2H+ + 2 eNADH déshydrogénase (FMN H2)
ubiquinol
Ubiquinone + 2H+ + 2e-

- 0,42
- 0,32

- 0,30
0,04

Cytochrome b (Fe3+) + e-

cytochrome b (Fe2+)

0,08

Cytochrome c1 (Fe3+) + e-

cytochrome c1 (Fe2+)

0,22

Cytochrome c (Fe3+) + e-

cytochrome c (Fe2+)

0,25

Cytochrome a (Fe3+) + e-

cytochrome a (Fe2+)

0,29

Cytochrome a3 (Fe3+) + e-

cytochrome a3 (Fe2+)

0,55

1O
2 2

+ 2H+ + 2e-

H2O

0,81

4 H+

Espace
Intermembranaire

Glycérol-3Phosphate
( du cytosol)

Glycérol-3-P
deshydrogénase
FAD

CI
Fe–S

MMI
FMN

CII

+
NADH NAD
+ H+

UQ
Fe–S

FAD

Fe–S
(FAD)

Succinate Fumarate

Matrice

ETFP
(FAD)

Acyl-CoA
déshydrogénase

FAD

Acyl-CoA

2°- Complexe II (4 sous-unités): Succinate – Q réductase
- succinate deshydrogénase (fait aussi partie du cycle de Krebs)
- protéines Fe–S
- flavoprotéine à FAD : FP2
Réaction (2 étapes) :

Succinate + FAD
red2

ox1

FADH2 + UQ

Fumarate + FADH2
ox2

red1

FAD + UQH2

DE0’ = 0,04 - (- 0,06) = 0,10 V
DG0’ = - 19 kJ/mol
* Deux autres systèmes enzymatiques injectent également des eau niveau de l’ubiquinone (sans passer par CI ni CII):
- acyl-coA deshydrogénase
- glycérol-3-P deshydrogénase

4 H+

Espace
Intermembranaire

Glycérol-3Phosphate
( du cytosol)

Glycérol-3-P
deshydrogénase
FAD

CI
Fe–S

MMI
FMN

CII

UQ
Fe–S

FAD
NADH
+ H+

Matrice

Fe–S
(FAD)

NAD+

Succinate Fumarate

ETFP
(FAD)

Acyl-CoA
déshydrogénase

FAD

Acyl-CoA

3°- Complexe III (11 sous-unités)

Ubiquinol - cytochrome c oxydoréductase
- protéines Fe–S
- cytochromes b et c1

L’accepteur est le cytochrome c qui est mobile à la surface
externe de la MMI
Réaction simple :
UQH2 + 2 cyt c (Fe3+)

De UQH2 au cyt c :

UQ + 2 cyt c (Fe2+) + 2 H+

DE0’ = 0,25 - 0,04 = 0,21 V
DG0’ = - 41 kJ/mol

Ce complexe fonctionne comme une pompe à protons :
+
UQH2 + 2 cyt c (Fe3+) + 2HMa

UQ + 2 cyt c (Fe2+) + 4 H+Cy

Potentiels de réduction standard des transporteurs d’électrons
impliqués dans la chaîne respiratoire
Réaction redox (demi-réaction)
2H+ + 2eH2
NAD+ + H+ + 2e-

I

III

IV

E0’ (V)

NADH

NADH déshydrogénase (FMN) + 2H+ + 2 eNADH déshydrogénase (FMN H2)
ubiquinol
Ubiquinone + 2H+ + 2e-

- 0,42
- 0,32

- 0,30
0,04

Cytochrome b (Fe3+) + e-

cytochrome b (Fe2+)

0,08

Cytochrome c1 (Fe3+) + e-

cytochrome c1 (Fe2+)

0,22

Cytochrome c (Fe3+) + e-

cytochrome c (Fe2+)

0,25

Cytochrome a (Fe3+) + e-

cytochrome a (Fe2+)

0,29

Cytochrome a3 (Fe3+) + e-

cytochrome a3 (Fe2+)

0,55

1O
2 2

+ 2H+ + 2e-

H2O

0,81

4

H+

Espace
Intermembranaire

4 H+

2H+
Cyt c

MMI

UQ
CI

CIII

CIV
2e-

II

C
NADH
+ H+

NAD+

Matrice
Mitochondriale

Succinate Fumarate

1 O + 2 H+
2 2

H2 O

4°- Complexe IV (13 sous-unités)
Cytochrome oxydase
- cyt a et a3
- 2 ions CuA et CuB cruciaux pour le transfert d’électrons
- Réduction de 1/2 O2 en H2O implique l’intervention de 2 électrons
- Le flux de chaque électron entraîne le mouvement d’1 proton
de la matrice vers l ’EIM :
2 H+
+ 1/2 O
* 2 cyt c (Fe2+) + 4 HMa
+
2

+ + HO
2 cyt c (Fe3+) + 2 HCy
2

Du cyt c à O2 : DE0’ = 0,81 - 0,25 = 0,56 V
DG0’ = - 108 kJ/mol

4

H+

Espace
Intermembranaire

4 H+

2H+
Cyt c

MMI

UQ
CI

CIII

CIV
2e-

II

C
NADH
+ H+

NAD+

Matrice
Mitochondriale

Succinate Fumarate

1 O + 2 H+
2 2

H2 O

5°- Organisation générale
Trois pompes à protons (I, III, IV) unies par 2 transporteurs
d’électrons mobiles (UQ et le cyt c)

Ordre des transporteurs:
a) détermination des E0’
b) suivi de la vitesse de réoxydation des transporteurs
c) utilisation d’inhibiteurs

Potentiels de réduction standard des transporteurs d’électrons
impliqués dans la chaîne respiratoire
Réaction redox (demi-réaction)
2H+ + 2eH2
NAD+ + H+ + 2e-

I

III

IV

E0’ (V)

NADH

NADH déshydrogénase (FMN) + 2H+ + 2 eNADH déshydrogénase (FMN H2)
ubiquinol
Ubiquinone + 2H+ + 2e-

- 0,42
- 0,32

- 0,30
0,04

Cytochrome b (Fe3+) + e-

cytochrome b (Fe2+)

0,08

Cytochrome c1 (Fe3+) + e-

cytochrome c1 (Fe2+)

0,22

Cytochrome c (Fe3+) + e-

cytochrome c (Fe2+)

0,25

Cytochrome a (Fe3+) + e-

cytochrome a (Fe2+)

0,29

Cytochrome a3 (Fe3+) + e-

cytochrome a3 (Fe2+

0,55

1O
2 2

+ 2H+ + 2e-

H2O

0,82

5°- Organisation générale
Trois pompes à protons (I, III, IV) unies par 2 transporteurs
d’électrons mobiles (UQ et le cyt c)

Ordre des transporteurs:
a) détermination des E0’

b) suivi de la vitesse de réoxydation des transporteurs
c) utilisation d’inhibiteurs

b) suivi de la vitesse de réoxydation des transporteurs:
expériences sur mitochondries isolées
100
Ensemble des
transporteurs

Addition
d’O2

50

Addition de
Succinate
(sans O2)

0

cyt b

cyt c1
cyt c
cyt (a+a3)

Temps

Ordre des transporteurs
Succinate

UQH2

Cyt b

Cyt c1

Cyt c

Cyt a/a3

O2

5°- Organisation générale
Trois pompes à protons (I, III, IV) unies par 2 transporteurs
d’électrons mobiles (UQ et le cyt c)

Ordre des transporteurs:
a) détermination des E0’
b) suivi de la vitesse de réoxydation des transporteurs

c) utilisation d’inhibiteurs

c) Utilisation d’inhibiteurs du transfert d’ é en présence d’oxygène
Roténone

NADH

X

UQ

Cyt c1

Cyt b

Cyt c

Cyt a/a3

Cyt c

Cyt a/a3

Antimycine A

NADH

UQH2

Cyt b

X

Cyt c1

CN–
NADH

UQH2

Cyt b

Cyt c1

Cyt c

Cyt a/a3

X

Ex: l’antimycine A bloque le transfert des e- du cyt b vers le cyt c1 au
niveau du complexe III: NADH, UQH2 et le cyt b sont sous forme

réduite, les autres composés sous forme oxydée

IV- MECANISME DE FORMATION DE L’ATP
1°- Le transfert d’é à l ’O2 est fortement exergonique
* 2 couples rédox : NAD+/NADH et O2/H2O
NADH + H+ + 1/2O2
H2O + NAD+
0’
DE0’ = E0’ O /
E
= + 0,82 - (- 0,32) = + 1,14 V
HO
NAD+ / NADH
2

2

D ’où DG0’ = - nF DE0’
DG0’ = -2 x 96 500 x 1,14 = - 220 000 J/mol = - 220 kJ/mol
Conclusion : une grande partie de cette énergie est utilisée
pour le pompage de protons à travers la MMI.
NADH + 11H+ + 1/2O2
Ma

NAD+ + 10H+ + H2O
Cy

*A partir du succinate : DG0’ = - 152 kJ/mol
FADH2 + 6H+

Ma

+ 1/2 O2

FAD + 6H+ + H2O
Cy

2°- Le transfert d ’e- à l ’O2 est étroitement couplé
à la synthèse d ’ATP
Expériences avec mitochondries isolées :
• ajouts de différents S et I en présence d’ O2
mesure de la consommation d ’O2

mesure de la S d ’ATP

O2 consommé

Mitochondries isolées en présence d’O2

ATP synthétisé

Addition de
CN-

Addition
d‘ADP et de Pi

Addition de
succinate

Temps

O2 consommé
ATP synthétisé
Addition
d’oligomycine
(inhibiteur de
l’ATP synthase)

Addition
d‘ADP et de Pi
Addition de
succinate

Temps

Certains composés permettent à la respiration de continuer,
mais il y a absence de synthèse d’ATP:

O-

OH

NO2

NO2

NO2

NO2

Agent découplant : dinitrophénol

+ H+

O2 consommé
ATP synthétisé
Addition
d’oligomycine
(inhibiteur de
l’ATP synthase)

Addition
de DNP

Découplage

Addition
d‘ADP et de Pi
Addition de
succinate

Temps

Système physiologique de découplage :
thermogénine
Production de chaleur

Graisse brune
* abondante chez le nouveau-né des mammifères et
les animaux hibernants
* présente aussi chez l’adulte et augmente avec le froid
 La richesse en mitochondries +++ (cyt) donne cette coloration
aux adipocytes

Espace
intermembranaire
Cyt c

Matrice
IV

III

II

H+

F0

Protéine de
découplage
(thermogénine)

H+

I

F1

Chaleur

3° Complexe enzymatique de l’ATP synthase (complexe V)
Deux composants F0 et F1
F0 : canal transmembranaire
F1 = 6 sous-unités formant une protubérance
dans la matrice

Espace
intermembranaire
Cyt c

Matrice
IV

III

II

H+

I

ADP+Pi
ATP

F0

Protéine de
découplage
(thermogénine)

F1

Chaleur

H+

4°- Théorie chimio-osmotique de formation de l’ATP
Ancienne hypothèse :
Couplage de nature chimique (comme 3PGA est transformé en 1,3-BPG et
l’énergie emmagasinée dans ce composé est utilisée pour la synthèse d’ATP).
Mais dans le cas de la chaîne respiratoire, intermédiaires chimiques ?

Hypothèse chimio-osmotique de Mitchell :
Le transport d’électrons et la synthèse d’ATP sont couplés
par un gradient de protons à travers la MMI.
Succession de 2 couplages:
L’un chimio-osmotique puis l’autre osmo-chimique

4°- Théorie chimio-osmotique de formation de l’ATP (suite)

Premier couplage de nature chimio-osmotique:
Oxydation du NADH et transport actif de protons vers l’EIM.
L’élément de couplage est la chaîne membranaire de transfert
d’électrons

Deuxième couplage de nature osmo-chimique:
Transport des protons de l’EIM vers la matrice
et phosphorylation d’ADP en ATP.
L’élément de couplage est l’ATP synthase
La force proton-motrice qui entraîne l’écoulement des protons
à travers F0 vers la matrice fournit l’énergie nécessaire
à la synthèse d’ATP catalysée par le complexe F1

MME

4 H+

4 H+
I
II
NADH
+ H+

UQ

2H+

Espace
Intermembranaire

Cyt c

2e- IV

III

1 O2 + 2 H+ H2O
2

NAD+

Matrice
Synthèse d’ATP
dirigée par
la force proton-motrice

F0

ADP+ Pi
H+
ATP

F1

5°- Transports actifs indispensables aux oxydations
phosphorylantes
- ADP et Pi vers la matrice
- ATP vers le cytosol
Deux systèmes de transport:
• Adénine nucléotide translocase
• Phosphate translocase

Espace
Intermembranaire
(cytosol)
Adénine
4ATP
nucléotide
translocase
ADP3(antiport)

ATP
synthase

Phosphate
Translocase
(symport)

Matrice

ATP4ADP3-

3 H+

3 H+

H2PO4-

H+

H2PO4-

H+

V- BILAN ENERGETIQUE
• Nombre de protons traversant la MMI :
10 à partir de NADH
6 à partir du succinate
• Nombre de H+ nécessaires pour la synthèse d ’une molécule
d’ATP : 4 dont 1 pour le transport de Pi, ATP et ADP

1°- Bilan énergétique
- NADH mito :
- FADH2 mito :
- NADH cyto :

2,5 ATP
1,5 ATP
1,5 ATP (navette du glycérol-3-phosphate)
ou 2,5 ATP (navette du malate/aspartate)

Les oxydations phosphorylantes fournissent la majeure partie
de l’ATP synthétisé dans les cellules

VI - Régulation:
L’intensité de la respiration cellulaire dépend étroitement
de la concentration intracellulaire en ADP et ATP
D’une façon plus générale: l’utilisation des substrats énergétiques
est contrôlée par le besoin énergétique de la cellule.

Ex : Lorsque la cellule musculaire est au repos,
sa consommation en glucose est fortement ralentie:
* ATP/ADP élevé: la phosphorylation ralentit
* NADH/NAD+ élevé: le cycle de Krebs ralentit
* La PDH est inhibée (sous forme phosphorylée)
* L ’ATP cytosolique inhibe PK et PFK-1
* Le Glc-6-P s’élève et inhibe l ’HK
Inhibition de l’utilisation du Glc

VII - FORMATION ET ELIMINATION DES DERIVES
TOXIQUES DE L’OXYGENE MOLECULAIRE
- L’O2 est l’accepteur terminal d’électrons au niveau
de la chaîne respiratoire selon la réaction:
O2 + 4 H+ + 4 e-  2 H2O
Mais une réduction partielle d’ O2 génère des composés dangereux:
- Transfert d’un seul e-  anion superoxyde O2- Transfert de deux e-  peroxyde O22L’anion superoxyde, le peroxyde d’hydrogène et les intermédiaires
qui peuvent être générés (tels que le radical OH.) sont connus sous
le nom d’espèces actives de l’oxygène (EOS ou ROS en anglais)
Différentes stratégies de défense de la cellule, en particulier 2 enzymes:
* 2 O2- + 2 H+  O2 + H2O2 Superoxyde dismutase ou SOD
* 2 H2O2  O2 + 2 H2O Catalase
NB: la glutathion peroxydase joue le même rôle que la catalase.

VIII - CYTOPATHIES MITOCHONDRIALES
Maladies très polymorphes neurologiques ou neuromusculaires
Mutations de protéines de la chaîne respiratoire
dont l’origine provient du génome nucléaire ou bien
du génome mitochondrial
Génome mitochondrial : ADN double brin circulaire de 16,5 kpb
13 gènes
!

13 protéines mitochondriales (complexes I à V)

Transmission maternelle !

Ex : La Neuropathie Optique de Leber:
- mutation au niveau du gène ND4 du complexe I
- transfert des e- du NADH à UQ défectueux
- retentissement au niveau des neurones


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