Phosphorylation oxydative

    .

  • ATP synthase
  • coenzyme Q (CoQ)
  • couplage chimiosmotique
  • cristaux
  • cytochrome b-.c
  • cytochrome c
  • cytochrome oxydase
  • chaîne de transport d’électrons (ETC)
  • sous-unité F0
  • sous-unité F1
  • intermembrane espace
  • matrice
  • NADH déshydrogénase
  • phosphorylation oxydative
  • force motrice du proton (PMF)
  • paire d’oxydoréduction
  • .

  • potentiel d’oxydoréduction
  • chaîne respiratoire
  • succinate déshydrogénase
  • ubiquinone

Introduction et objectifs

Ce tutoriel décrira les mécanismes impliqués dans la synthèse de l’ATP lors de la respiration cellulaire. La dernière étape de la respiration cellulaire se déroule dans la mitochondrie, où les transporteurs d’électrons réduits (NADH et FADH2) donnent leurs électrons à l’oxygène via une chaîne de transport d’électrons. Au fur et à mesure que les électrons se déplacent, un gradient électrochimique d’hydrogène est généré à travers l’une des deux membranes mitochondriales. L’énergie de ce gradient électrochimique de protons est utilisée pour synthétiser l’ATP.

À la fin de ce tutoriel, vous devriez savoir :

  • La nature du couplage chimiosmotique du transport des électrons et de la synthèse de l’ATP
  • Les caractéristiques d’une mitochondrie
  • La signification du potentiel redox et comment il détermine le flux d’électrons
  • Les mécanismes du transport des électrons (y compris le rôle des transporteurs d’électrons réduits NADH et FADH2, et de l’oxygène)
  • Comment se forme le gradient électrochimique d’hydrogène
  • Comment le gradient électrochimique d’hydrogène est utilisé pour synthétiser l’ATP

Le couplage chimiosmotique du transport des électrons et de la synthèse de l’ATP

La majorité de l’ATP cellulaire est synthétisée pendant la respiration cellulaire dans les mitochondries des cellules animales et végétales, et pendant la photosynthèse dans les chloroplastes des cellules végétales et algales. Le mécanisme de synthèse de l’ATP dans ces deux organites est très similaire et représente un mécanisme conservé au cours de l’évolution (que les bactéries utilisent également). Ce mécanisme se compose essentiellement de deux processus liés : le transport des électrons et la synthèse de l’ATP (tous deux sont médiés par des protéines liées à la membrane). Les électrons sont transférés le long d’une chaîne de transport d’électrons (ETC) qui est composée de complexes protéiques enchâssés dans une membrane. Lorsque les électrons passent d’une protéine à l’autre, des protons sont pompés à travers la membrane. Il en résulte un gradient électrochimique de protons, l’énergie libre libérée lors du déplacement des électrons étant capturée dans ce gradient. Les ions hydrogène retraversent ensuite la membrane (en descendant le gradient électrochimique) à travers un complexe protéique spécialisé appelé ATP synthase, qui capte l’énergie libre du gradient d’hydrogène pour conduire la synthèse d’ATP à partir d’ADP et de phosphate inorganique. Le lien entre le transport des électrons, le pompage des protons et la synthèse de l’ATP est appelé couplage chimiosmotique. Dans les mitochondries, ce processus constitue l’étape finale de la respiration cellulaire et est appelé phosphorylation oxydative. Dans les chloroplastes, ce processus est souvent appelé les réactions lumineuses de la photosynthèse. Ce tutoriel décrit en détail la phosphorylation oxydative. La photosynthèse sera décrite dans le prochain tutoriel.

La phosphorylation oxydative a lieu dans les mitochondries

Figure 1. La structure d’une mitochondrie. Une mitochondrie possède deux membranes : une membrane interne et une membrane externe. L’espace entouré par la membrane interne est appelé la matrice, et les invaginations de la membrane interne sont appelées cristaux. L’espace entre la membrane interne et la membrane externe est appelé espace intermembranaire. Les protéines qui assurent la médiation des processus de phosphorylation oxydative, notamment le transport des électrons et la synthèse de l’ATP, sont intégrées à la membrane interne.

L’oxydation complète du glucose en CO2 se produit au cours de la glycolyse et du cycle de l’acide citrique (tous deux décrits dans le tutoriel précédent) ; vous vous souvenez peut-être que très peu d’énergie, sous forme d’ATP, est réellement produite dans ces deux voies (voir la figure 5 ; dans le tutoriel Glycolyse, fermentation et cycle de l’acide citrique). La majorité de l’énergie, à ce stade, est stockée dans les porteurs d’électrons réduits NADH et FADH2. Ils seront utilisés dans la dernière étape de la respiration cellulaire, à savoir la phosphorylation oxydative, qui se produit dans les mitochondries. Une mitochondrie est un organite entouré de deux membranes (une membrane interne et une membrane externe ; figure 1). Ces deux membranes définissent l’espace intermembranaire, et la matrice (l’espace très intérieur de la mitochondrie) est définie par la membrane interne. La membrane externe est très perméable et permet à de nombreuses molécules d’entrer et de sortir de la mitochondrie. La membrane interne, qui est beaucoup moins perméable, est le site de la phosphorylation oxydative. Les protéines de l’ETC et de l’ATP synthase sont intégrées dans la membrane interne, qui présente de nombreux replis distincts (appelés cristaux). Les cristaux augmentent la surface de la membrane interne. La matrice est le site du cycle de l’acide citrique. Les mitochondries contiennent également leur propre génome et peuvent transcrire des ARNm et traduire des protéines.

Potentiel redox

Figure 2. La chaîne de transport d’électrons. Le transfert d’électrons d’un porteur d’électrons réduit à un autre porteur d’électrons dans la CTE est représenté en fonction de l’énergie libre de transfert d’électrons de ce porteur d’électrons à l’oxygène. Celle-ci est calculée comme la différence entre le potentiel redox du porteur d’électrons individuel (par exemple NADH) et le potentiel redox de l’oxygène. Le flux d’électrons se produit de manière progressive, libérant l’énergie libre de manière incrémentielle.

Dans la phosphorylation oxydative, les porteurs d’électrons réduits (NADH et FADH2) donnent leurs électrons aux protéines de l’ETC. Les électrons passent d’une protéine à l’autre de manière progressive, couplée au pompage des protons à travers la membrane mitochondriale interne, dans l’espace intermembranaire. Finalement, les électrons sont donnés à l’oxygène pour former de l’eau, d’où la nécessité de l’oxygène dans la respiration cellulaire. La direction du flux d’électrons le long de l’ETC est déterminée par l’affinité des différents transporteurs pour les électrons. Cette affinité peut être exprimée sous la forme d’un potentiel d’oxydoréduction, une mesure empirique de l’affinité de toute paire de composés oxydés et réduits (paire redox) pour les électrons. Par exemple, la réaction NAD+ + 2H+ + 2e- -> NADH (NADH et NAD+ constituent la paire redox) a un potentiel redox de -320mV ; cette valeur négative indique que NADH est un bon donneur d’électrons (il a une affinité relativement faible pour les électrons). En revanche, la réaction 1/2 O2 + 2H+ + 2e- -> H2O a un potentiel redox de +820mV, ce qui indique que l’oxygène est un excellent accepteur d’électrons (il a une grande affinité pour les électrons). Dans le CTE, le sens du flux d’électrons va des composés ayant un potentiel d’oxydoréduction plus faible vers les composés ayant un potentiel d’oxydoréduction de plus en plus élevé, c’est-à-dire qu’il commence par le NADH ou le FADH2 et se termine par l’oxygène (voir figure 2). Lorsque des électrons passent d’un donneur d’électrons (par exemple, NADH) à un accepteur d’électrons (par exemple, O2), l’énergie libre libérée peut être calculée à partir de la différence entre le potentiel redox d’une paire redox (par exemple, NADH et NADH2).par exemple NADH et NAD+) et l’autre paire redox.

La chaîne respiratoire

Figure 3. La phosphorylation oxydative : transport d’électrons et synthèse d’ATP. La chaîne respiratoire est composée de trois grands complexes protéiques fixés dans la membrane (colorés en orange) et de deux transporteurs d’électrons mobiles (colorés en noir). Les électrons sont donnés par le NADH à la NADH déshydrogénase, un grand complexe protéique qui pompe les protons à travers la membrane interne. Ensuite, les électrons sont transportés vers le complexe cytochrome b-c par l’intermédiaire de la petite molécule mobile coenzyme Q (Q), également appelée ubiquinon ; le complexe cytochrome b-c pompe également les protons à travers la membrane interne. Ces électrons sont délivrés au dernier complexe protéique, la cytochrome oxydase, par la protéine mobile cytochrome c (cyt c). La cytochrome oxydase donne les électrons à l’oxygène, et de l’eau est formée. La cytochrome oxydase pompe également les protons à travers la membrane. La concentration en hydrogène est beaucoup plus importante dans l’espace intermembranaire que dans la matrice, ce qui génère un gradient électrochimique de protons. Ce gradient repousse les protons à travers la membrane interne par l’ATP synthase (représentée en gris) qui catalyse la synthèse de l’ATP à partir de l’ADP et du phosphate inorganique (Pi).

La chaîne de transport d’électrons mitochondriale, également appelée chaîne respiratoire, est organisée en trois complexes multiprotéiques : La NADH déshydrogénase, le complexe cytochrome b-c et la cytochrome oxydase. Chaque complexe de la chaîne respiratoire est composé de plusieurs protéines différentes capables à la fois de transporter des électrons et de pomper des protons à travers la membrane interne, générant ainsi un gradient électrochimique de protons (illustré à la figure 3). Les protéines de ces complexes possèdent divers groupes prosthétiques (voir le tutoriel Propriétés des macromolécules 1-Protéines), notamment des centres fer-soufre, des hèmes, des flavines (les fragments à anneaux multiples des FAD) et du cuivre, qui sont tous capables d’accepter et de donner des électrons. Le transport d’électrons est initié lorsqu’une paire d’électrons et un proton sont libérés du NADH et acceptés par la NADH déshydrogénase, après quoi les électrons sont transportés d’une protéine à une autre au sein du complexe. Les électrons sont ensuite transportés de ce complexe au complexe du cytochrome b-c par le transporteur d’électrons mobile, le coenzyme Q (CoQ), également appelé ubiquinone, le seul transporteur d’électrons non protéique de la chaîne respiratoire. Les électrons se déplacent dans le complexe cytochrome b-c et sont transportés vers le complexe final par la petite protéine cytochrome c. Le complexe final, la cytochrome oxydase, catalyse le transfert des électrons vers l’oxygène. L’énergie libre de cette réaction complète (NADH + H+ + 1/2 O2 -> NAD+ + H2O) est de -52,6 kcal/mol. L’énergie libre est libérée de manière progressive au fur et à mesure que les électrons se déplacent dans l’ETC, et est capturée dans le gradient électrochimique de protons. Le FADH2 donne également ses électrons à la chaîne respiratoire, mais comme son potentiel redox est plus élevé que celui de la NADH déshydrogénase, il ne peut pas donner ses électrons à ce complexe protéique. Au lieu de cela, les électrons du FADH2 sont donnés à la succinate déshydrogénase, qui, à son tour, transmettra les électrons au CoQ et ils seront transportés dans le reste de la chaîne respiratoire. Le gradient électrochimique de l’hydrogène qui est généré pendant le transport des électrons initié par le FADH2 n’est pas aussi important que celui généré par le NADH. En effet, le FADH2 donne ses électrons à la succinate déshydrogénase, qui ne pompe aucun proton, et les électrons contournent la NADH déshydrogénase, qui pompe des protons.

Le gradient électrochimique de protons

Coordinairement au transport des électrons, les trois complexes protéiques respiratoires décrits ci-dessus pompent les protons de la matrice vers l’espace intermembranaire, ce qui entraîne un gradient électrochimique à travers la membrane interne. Lorsque les électrons se déplacent à travers ces complexes multiprotéiques, ils sont souvent couplés à un proton (H+) pour neutraliser leur charge lorsqu’ils passent d’un côté à l’autre de la membrane. Les changements allostériques dans les complexes protéiques peuvent également entraîner le pompage de protons à travers la membrane. Le pompage des protons génère un gradient à travers la membrane interne d’une différence d’une unité de pH (une différence de dix fois la concentration en ions hydrogène) entre la matrice et l’espace intermembranaire. En outre, un potentiel membranaire est généré en raison d’une charge positive dans l’espace intermembranaire et de la charge négative nette dans la matrice. Le gradient électrochimique à travers la membrane interne est composé à la fois du gradient de pH et du potentiel de membrane et constitue la force, souvent appelée force motrice protonique (FMP), qui va repousser les protons à travers la membrane interne vers la matrice et, ce faisant, favoriser la synthèse de l’ATP.

ATP synthase

Figure 4. La structure de l’ATP synthase.L’ATP synthase est composée de deux sous-unités : F0 et F1. Chacune de ces sous-unités est composée de plusieurs protéines. La sous-unité F0 est composée de protéines membranaires intégrales : 1 copie de la protéine a ; 2 copies de la protéine b ; et entre 12 et 14 copies de la protéine c, qui forme le canal permettant aux protons de traverser la membrane. La sous-unité F1 est composée de cinq protéines distinctes : 3 copies de la protéine alpha, 3 copies de la protéine bêta, 1 copie de chacune des protéines gamma, delta et epsilon. Lorsque les protons traversent la membrane, les sous-unités c et les sous-unités delta et epsilon qui y sont attachées tournent. Le reste des sous-unités est immobile. Lorsque les protons entrent, l’anneau formé par les sous-unités c et la tige (composée des sous-unités delta et epsilon) tournent. Cette rotation induit des changements de conformation dans les sous-unités bêta, catalysant la synthèse de l’ATP.

Le PMF est utilisé pour piloter la synthèse de l’ATP via l’ATP synthase, un complexe protéique qui convertit l’énergie du gradient de protons en liaisons chimiques. L’ATP synthase possède deux sous-unités distinctes : la sous-unité transmembranaire F0, qui contient un canal protéique pour le flux de protons, et la sous-unité F1, qui fait saillie dans l’espace matriciel et catalyse la synthèse de l’ATP à partir de l’ADP et du phosphate inorganique (figure 4). Une partie de la sous-unité F1, appelée tige, relie les deux sous-unités. Lorsque les protons circulent dans le canal de la sous-unité F0, ils font tourner la tige intégrée dans la sous-unité F1 stationnaire, convertissant ainsi l’énergie du gradient électrochimique en énergie mécanique. Lorsque la tige tourne dans un sens, elle induit des changements de conformation dans les protéines de la sous-unité F1, qui, à leur tour, catalysent la synthèse de l’ATP – convertissant ainsi l’énergie mécanique de la rotation de la tige en énergie de liaison chimique. Environ trois protons doivent traverser le complexe ATP synthase pour qu’une molécule d’ATP soit synthétisée.

Le gradient de protons comme lien entre le transport des électrons et la synthèse de l’ATP

Le gradient de protons est essentiel au couplage chimiosmotique du transport des électrons et de la synthèse de l’ATP. Lorsque les électrons sont déplacés le long de la chaîne respiratoire, les protons sont pompés à travers la membrane interne, de la matrice vers l’espace intermembranaire ; il en résulte un gradient électrochimique de protons. La force de ce gradient renvoie les protons à travers la membrane interne vers la matrice, à travers la sous-unité F0 de l’ATP synthase, ce qui entraîne l’activation des sous-unités F1 et la synthèse de l’ATP. En moyenne, pour chaque NADH, environ 3 ATP sont synthétisés, et pour chaque FADH2, environ 2 ATP sont synthétisés. Le rendement en ATP plus faible pour le FADH2 résulte du gradient de protons plus faible généré lorsque des électrons sont donnés par le FADH2. Dans ce cas, les électrons sont donnés à la succinate déshydrogénase, qui ne pompe pas de protons lorsque les électrons entrent dans l’ETC, contournant ainsi la NADH déshydrogénase et les protons qu’elle pomperait à travers la membrane.

Résumé

La phosphorylation oxydative est un mécanisme de synthèse de l’ATP dans les cellules végétales et animales. Elle implique le couplage chimiosmotique du transport d’électrons et de la synthèse d’ATP. La phosphorylation oxydative se produit dans la mitochondrie. La mitochondrie possède deux membranes : une membrane interne et une membrane externe. L’espace défini par la membrane interne est la matrice, et l’espace entre les deux membranes est l’espace intermembranaire. Le NADH et le FADH2, générés lors de la glycolyse et du cycle de l’acide citrique, sont oxydés dans la mitochondrie. Ils donnent leurs électrons à des complexes protéiques intégrés à la membrane interne de la mitochondrie, composés de nombreux polypeptides avec une variété de groupes prosthétiques capables d’accepter et de donner des électrons. Ces complexes sont des composants de la chaîne respiratoire. Les électrons donnés par le NADH et le FADH2 sont transportés le long de la chaîne respiratoire et ils seront finalement donnés à l’oxygène, générant ainsi de l’eau. La direction du transport des électrons est déterminée par le potentiel redox de chaque porteur d’électrons potentiel. Trois complexes protéiques majeurs participent à la chaîne respiratoire qui transporte les électrons et qui pompent les ions hydrogène à travers la membrane interne, ce qui entraîne un gradient électrochimique d’hydrogène. Ce gradient électrochimique génère une force motrice protonique (FMP) qui repousse les ions hydrogène à travers la membrane interne par l’ATP synthase. L’ATP synthase est composée de deux sous-unités : la sous-unité F0, qui fournit un canal pour le retour des ions hydrogène à travers la membrane interne, et la sous-unité F1, qui catalyse la synthèse de l’ATP à partir de l’ADP + Pi. Lorsque les ions hydrogène traversent la sous-unité F0, une partie de la sous-unité tourne dans la membrane. En tournant, elle induit des changements de conformation dans la sous-unité F1 qui activent l’activité de synthèse de l’ATP, convertissant ainsi l’énergie libre du gradient électrochimique de l’hydrogène (généré par les protéines de la chaîne de transport des électrons) en énergie d’une liaison chimique.

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *