La phosphorylation oxydative Flashcards
De quoi est composée la mitochondrie ?
La mitochondrie = constituée de 2 membranes : une externe = bicouche perméable aux petites molécules de taille < 5000 Daltons qui pénètrent la membrane via plein de petits pores.
A l’intérieur, il y a une membrane interne = aussi une bicouche mais elle est imperméable à toutes les molécules, pour la traverser il faut un transporteur. C’est dans la membrane interne qu’on va trouver la chaine de cytochromes ainsi que l’ATP-synthase.
Puis dans la mitochondrie, il y a la matrice où il y a plein de voies biologiques et biochimiques : ex : c’est là que le pyruvate produit par la glycolyse aboutit et est transformé en acétyl-CoA par la pyruvate déshydrogénase. C’est aussi dans cette matrice qu’ont lieu les 8 réactions du cycles de Krebs, ainsi que l’entièreté de la bêta-oxydation des AG et l’oxydation des squelettes carbonés des aa.
Au cours des réactions métaboliques, il y a des réactions d’oxydations qui arrachent des électrons et des protons à des métabolites et qui les chargent sur 2 transporteurs d’électrons = le NAD (qui accepte 2 électrons et 1 proton) et le FAD (qui accepte 2 électrons et 2 protons).
Comment le NADH + H+ joue un rôle dans la chaîne respiration et la synthèse d’ATP ?
Il arrive au niveau du complexe n°1 = molécule ancrée dans la membrane interne de la mitochondrie. Le NADH libère ses 2 électrons et protons, et devient ainsi NAD :
• Les 2 protons restent dans la matrice mitochondriale.
• Les 2 électrons voyagent au-travers du complexe n°1, au terme duquel ils seront transférés au
coenzyme Q = un accepteur et un donneur d’électron.
L’énergie libérée par ce transfert d’électron (= hyper exergonique) dans le complexe n°1 va servir à pomper 4 protons de la matrice mitochondriale vers l’espace inter-membranaire.
Il y a donc enrichissement de cet espace en charges positives.
Ensuite les 2 électrons transférés au coenzyme Q seront transférés au complexe n°3. Ces 2 électrons ont aussi un voyage complexe dans ce complexe ancré dans la membrane, ça va aussi libérer de l’énergie permettant de pomper 4 protons vers l’espace inter-membranaire.
Le cytochrome C se charge de faire la navette du complexe 3 au complexe 4 ; il ne peut pour cela transporter que 1 électron à la fois : il fera donc 2 allers-retours.
Le complexe n°4 (= lui aussi ancré dans la membrane) : en présence des 2 électrons & d’1/2 molécule d’O2, il y aura réduction de cette 1⁄2 molécule d’O2 avec 2 électrons et 2 protons, formant ainsi une molécule d’eau. Cette réaction de réduction de l’O2 libère de l’énergie permettant de pomper 2 protons de la matrice mitochondriale vers l’espace inter-membranaire.
L’espace membranaire s’enrichit en protons et donc en charges positives grâce à ces pompages membranaires.
Puisque la matrice mitochondriale s’appauvrit en protons (et donc en charges +) à cause de ce pompage, on représente des charges – sur le versant interne de la membrane interne de la mitochondrie.
Donc un gradient de protons s’établit.
Les protons auront donc tendance à s’écouler du compartiment le plus concentré vers le compartiment le moins concentré.
Il y a alors intervention de l’ATP-synthase = aussi ancrée dans la membrane interne mitochondriale. Elle possède 2 éléments :
- FO = ancré dans la membrane : «O» pour oligomycine (= AB qui quand il est administré à forte concentration, peut bloquer cette unité FO).
- F1 = fait protrusion dans la matrice mitochondriale.
Au vu de l’existence de ce gradient de concentration, les protons passeront spontanément de l’espace inter-membranaire (= le + concentré) à la matrice mitochondriale (= la - concentrée) au-travers de cette ATP-synthase générant ainsi des molécules d’ATP à partir de molécules d’ADP et de Pi.
Cette synthèse d’ATP au niveau de l’ATP-synthase = dirigée par :
▽ Un potentiel chimique = il y a + de protons dans l’espace inter-membranaire que dans la matrice,
▽ Un potentiel électrique = protons chargés +
La face externe de la membrane interne = chargée + ≠ charge interne = chargée -.
Il y a donc un gradient électrochimique = responsable de la synthèse d’ATP.
Pour chaque NADH + H+ venant libérer ses électrons : il y a pompage de 10 protons = 10 H+ qui sont du côté négatif (= dans la matrice) et qui vont passer du côté positif (= du côté de l’espace inter- membranaire).
Il y a un couplage entre le flux d’électrons et la synthèse d’ATP.
Que se passe-t-il si on interrompt la réaction de couplage entre le flux d’électron et la synthèse d’ATP ?
Si on interrompt :
◆ Le trajet des électrons dans chacun des complexes (avec par exemple du CO, du cyanure, …), on empêche le pompage de protons dans l’espace inter-membranaire, donc on abolit le gradient et s’il n’y a plus de gradient de protons ; ils ne pourront plus s’écouler spontanément du compartiment le + concentré vers le compartiment le - concentré : on bloque ainsi la synthèse d’ATP par blocage du transfert d’électrons.
◆ Et inversement, si on bloque la synthèse d’ATP, par exemple avec l’oligomycine qui agit sur l’ATP synthase, les protons vont s’accumuler dans l’espace inter-membranaire : le gradient va devenir énorme et l’énergie libérée par les électrons au cours de leur transfert dans les complexes 1, 3 & 4 ne sera plus suffisante pour vaincre ce gradient»_space;>.
Les électrons vont donc aussi s’arrêter dans la chaine des complexes.
Comment le FADH2 joue un rôle dans la chaîne respiration et la synthèse d’ATP ?
Il y a aussi un complexe n°2 = l’enzyme qui catalyse la 6ème réaction du cycle de Krebs = la transformation du succinate en fumarate par la succinate DH : pour cela elle capte 2 électrons et 2 protons sur un FADH2 et c’est ici qu’ils aboutissent.
Les FAD = libérés dans le complexe n°2 et sont directement transférés sur le coenzyme Q qui les transfèrent sur le complexe 3.
Pour chaque NADH + H+ qui libère ses électrons sur le complexe 1, il y aura 4 + 4 + 2 = 10 protons pompés de la matrice mitochondriale vers l’espace inter-membranaire.
Tandis que pour chaque FADH2 venant libérer ses 2 électrons au niveau du complexe n°2, il y aura uniquement 4 + 2 = 6 protons transférés de la matrice mitochondriale vers l’espace inter-membranaire.
Décris le complexe n°1 ?
Les 2 électrons libérés par le NADH+ + H+ vont effectuer un trajet complexe dans le complexe 1 avant de passer dans le coenzyme Q en présence de 2 protons libérés dans la matrice mitochondriale.
L’énergie créée par le transfert des électrons dans le complexe n°1 sert à pomper 4H+ de la matrice mitochondriale vers l’espace inter-membranaire.
Des poisons agissent à cet endroit : les barbituriques, certaines insecticides et certains AB à très forte dose.
Pour chaque NADH + H+ en présence de complexe Q, il y a libération de NAD+ + QH2 (= la forme totalement réduite du complexe Q).
Et pour les 2 électrons transférés du complexe 1 vers le coenzyme Q, il y a 4 protons passant du versant M (= matrice) vers le versant inter-membranaire.
Décris le coenzyme Q = ubiquinone ?
Il se trouve dans la membrane, c’est une molécule hydrophobe mobile dans la membrane. Il peut accepter 1 électron et 1 proton + un 2ème électron et un 2ème proton pour atteindre la forme QH2 = la forme réduite.
Il se trouve à l’extrémité du complexe n°1 et en acceptera les 2 électrons. Il reçoit les électrons à partir du complexe 1 et du complexe 2. + Il en reçoit également via :
• L’acyl-CoA DH = l’enzyme catalysant la 1ère étape de la bêta-oxydation des acides gras qui a lieu dans la matrice mitochondriale.
a) Cette enzyme arrache 2 électrons et 2 protons pour créer une double liaison avec 1 FAD, et elle charge ces protons & électrons sur ce FAD.
b) Cette enzyme sera transférée à une autre enzyme = ETF = possède aussi un FAD : les 2 électrons et 2 protons sont ainsi transférés.
c) Ensuite, l’ETF va transférer les 2 électrons et 2 protons de son FADH2 sur le FAD de l’ETF : Q-oxydoréductase, formant ainsi du FADH2.
d) Enfin, les 2 électrons et 2 protons de ce FAD seront transférés sur le coenzyme Q.
La glycérol-3P-DH mitochondriale = une enzyme ayant un FAD et étant capable de charger 2 électrons et 2 protons, elle s’occupe du glycérol-3P généré dans le cytosol.
Décris le complexe n°2 ?
C’est l’enzyme qui catalyse la 6ème réaction du cycle de Krebs et qui a lieu dans la matrice mitochondriale. Cette enzyme = la succinate DH = ancrée dans la membrane interne de la mitochondrie.
Elle est formée de plusieurs polypeptides : dont certains = insérés dans la membrane interne mitochondriale.
Cette enzyme = formée de 4 sous-unités : A, B, C & D.
Elle utilise un FAD comme accepteur & donneur d’électrons.
Les électrons cédés par ce FAD feront un trajet complexe dans ce complexe 2 menant au coenzyme Q.
Ce coenzyme Q va capter ces 2 électrons, ainsi que 2 protons à partir de la matrice pour former ainsi le GH2 = sa forme complètement réduite.
Il y a un hème qui n’intervient pas sur le trajet normal des électrons = l’hème b protecteur : en effet, c’est dans la mitochondrie qu’aboutit une grande partie de l’O2 inspiré pour être oxydé et former de l’H2O permettant de former de l’énergie en ATP.
La cellule = riche en O2 et en électrons qui voyagent et s’ils s’égarent en présence d’O2 ça peut former des espèces réactives et toxiques de l’O2 comme : le peroxyde d’hydrogène, l’anion super-oxyde et le radical hydroxyle.
Ces espèces réactives vont arracher des électrons aux différents éléments cellulaires ; aux lipides membranaires (altérant alors la composition lipidique et entrainant la création de lésions dans la membrane : induisant une lyse cellulaire), aux protéines (pouvant inactiver des enzymes) & aux nucléotides (ADN & ARN : ils pourront induire des mutations).
Il existe donc des hèmes protecteurs : quand un électron s’égare du chemin le menant au coenzyme Q, cet hème le capte et ainsi empêche la formation de radicaux dangereux.
Qu’est-ce qu’un hème ?
Ce sont des groupes prosthétiques de cytochromes : à partir d’un noyau porphyrine, une structure cyclique avec 4 atomes d’azote établit des liaisons avec un ion Fe+++ ou un ion Fe++.
Ces hèmes : il y en a 3 : ils établissent des liaisons covalentes avec des protéines :
- Ex : dans l’hémoglobine, l’hème établit une liaison avec la globine qui peut transporter de l’O2 ou du CO2.
- Ex : dans le cytochrome, l’hème peut établir des liaisons covalentes avec différentes protéines pour ainsi former différents cytochromes : A, B ou C.
Décris le complexe n°3 ?
Le coenzyme Q = réduit sous forme QH2, il va devoir transférer ses 2 électrons et 2 protons au complexe 3.
Ce complexe 3 = une grosse structure ancrée dans la membrane interne de la mitochondrie, il est composé de 2 unités identiques : une à G, une à D. Chacune comporte un cytochrome B = dans la membrane et les 2 cytochromes B des 2 sous-unités forment ensemble une « caverne membranaire » = va accueillir le coenzyme Q.
Il y a 2 sites de liaison au coenzyme Q :
- Un site de liaison côté + = côté espace inter-membranaire
- Un site de liaison côté - = côté matrice mitochondriale.
De plus, chaque sous-unité comporte des hèmes B ainsi qu’une protéine à centre Fer-Soufre.
Elles comportement aussi chacune un cytochrome C1 avec un hème C1 proche du cytochrome C qui effectue des allers-retours entre le complexe 3 et 4.
Quelles sont les étapes du coenzyme Q lors du complexe n°3 ?
a) Il y a donc un coenzyme Q réduit sous forme QH2 qui arrive au niveau du complexe 3 et qui va occuper le site QP +.
b) Les 2 protons sont évacués vers l’espace inter-membranaire : ils vont enrichir cet espace inter-membranaire en protons et donc en charge positive les 2 électrons.
c) Les 2 électrons eux, suivront un trajet différent :
~ Le 1er électron va passer sur le centre Fer-Soufre : sur l’hème C1, puis il sera chargé sur le cytochrome C (= un cytochrome libre dans l’espace inter-membranaire et qui fait la navette entre le complexe 3 et le 4, il ne peut transporter qu’un seul électron à la fois) : il amène ainsi ce 1er électron du complexe 3 au 4.
~ Le 2ème électron du QH2 passe sur l’hème BL, puis sur l’hème BH, puis il rencontre un coenzyme Q totalement oxydé = sous forme Q qui provient de la membrane et qui s’est placé sur le site QN (ce n’est donc pas le même que le cytochrome QH2 qui a amené ces électrons), on a ainsi une sorte de radical de coenzyme Q = ayant accepté un électron « célibataire » = Q-.
d) Quand ce coenzyme QH2 initialement réduit a libéré ses 2 électrons et 2 protons, il se retrouve oxydé et il sort du site QP et regagne la membrane interne de la mitochondrie.
e) Dans un 2nd temps, un second QH2 va arriver et va occuper le site QP.
f) Il se déroule alors la même chose que dans la 1ère phase : libération et pompage des 2 protons vers l’espace inter-membranaire
Donc au total on a 2 + 2 = 4 protons pompés.
g) Les 2 électrons = libérés et ils suivent des trajets différents :
~ 1er électron passe sur le centre Fer-Soufre : sur l’hème C1, chargé sur le cytochrome C qui fait la navette avec le complexe 4 où il libère ce 2ème électron.
~ 2ème électron suit un autre trajet = vers l’hème BL, puis l’hème BH, puis il retrouve, sur le site QN, le radical coenzyme Q = Q- qui avait accepté 1 électron lors de la 1ère phase, il accepte ainsi un 2ème électron et prend 2 protons de la matrice mitochondriale et forme un coenzyme Q totalement réduit.
h) Ce coenzyme Q = QH2 = réduit est libéré du site QM et regagne la membrane interne de la mitochondrie.
Qu’aura-t-on pour chaque QH2 arrivant au complexe 3 ?
- 2 cytochromes C1 sous forme oxydée qui passeront sous forme réduite
- 4 protons (2 + 2) qui seront pompés au niveau du complexe 3 vers l’espace inter-membranaire
C’est donc un transfert des électrons et protons du complexe QH2 au complexe 3 puis au cytochrome C pour faire la navette vers le complexe 4 et ça se fait en 2 temps.
Cela est possible grâce aux 2 sites : QP et QM = sites de liaison du coenzyme Q au niveau de cette structure.
Décris le complexe n°4 ?
On parle de 4 électrons mais c’est juste pour ne pas parler de 1⁄2 molécule d’O2.
Un cytochrome C a fait 2 allers-retours, amenant ainsi 2 électrons au complexe 4. Ces électrons ont un trajet vers un centre cuivre puis vers un centre fer = au niveau de l’hème A3 qui a aussi capté 1⁄2 O2.
a) Le 1er électron se lie à cette 1⁄2 molécule d’O2, puis le 2ème électron s’y lie aussi ensuite.
b) 2 protons sont pris dans la matrice mitochondriale.
1/2 O2 + 2 protons + 2 électrons = forme 1 molécule d’H2O.
L’énergie libérée par cette réaction de réduction de l’O2 sert à pomper 2 protons de la matrice vers l’espace inter-membranaire.
Enrichissement du gradient électrochimique de protons chargés +.
Quel est le bilan de la phosphorylation oxydative ?
➢ Pour le NADH + H+:
4 + 4 + 2 = 10 protons pompés du compartiment M (= +) au compartiment P (= -) pour chaque NADH qui libère ses 2 protons et 2 électrons au niveau du complexe n°1.
Et alors 1 molécule d’eau = générée pour chaque réduction d’un 1⁄2 O2 avec 2 protons et 2 électrons au niveau du complexe n°4.
➢ Pour le FADH2 :
En ce qui concerne le FAD, il donne directement ses 2 électrons et 2 protons au coenzyme Q (ça court-circuite le complexe 1) : pour chaque FAD libérant ses 2 électrons et ses 2 protons au niveau du coenzyme il n’y aura que 6 protons qui seront passés de la matrice mitochondriale vers l’espace inter-membranaire.
Quel est la problématique des radicaux d’O2 dans le cytoplasme ?
Dans le cytoplasme, des électrons circulent et il y a un peu d’O2 : une voie métabolique se déroule = la voie du pentose phosphate qui se déroule dans le cytoplasme.
Une des fonctions de cette voie = produire du NADPH + H+ = un donneur d’électrons et de protons.
En effet, ces électrons pouvant s’égarer dans le cytoplasme peuvent être captés par de l’oxygène et mener à la production d’espèces réactives de l’O2 = les anions superoxydes, le peroxyde d’hydrogène et le radical hydroxyle.
Ils ont tendances à arracher les électrons dans les structures qu’ils rencontrent : créant ainsi des lésions membranaires, des inactivations d’enzymes ou encore des mutations au niveau de l’ADN.
Quel est la problématique des radicaux d’O2 dans la mitochondrie ?
Au niveau de la mitochondrie, il y a le même risque de production d’espèces réactives.
Pour éviter cela, il existe un système de glutathion qui donne des électrons et des protons aux espèces réactives de l’O2 (ex : le H2O2) pour les transformer en H2O :
a) 2 molécules de glutathions (= 2GSH) réduites portent 2 électrons et 2 protons dans la matrice mitochondriale.
b) Elles seront capables de s’oxyder en créant un pont disulfure entre elles (= GSSG) et cédant ainsi 2 électrons et 2 protons à une molécule de H202
c) Ça transformera ainsi l’espèce réactive en H2O +
Au niveau de la mitochondrie, il y a un même système de production de NADPH par une enzyme ancrée dans la membrane interne de la mitochondrie = la nicotinamide nucléotide trans-hydrogénase.
d) Cette enzyme = utilise un NADH (= fortement présent dans la matrice mitochondriale puisque c’est là qu’ils sont essentiellement produits) pour en prendre ses 2 protons et ses 2 électrons et les transférer sur un NADP
e) Générant un NADPH + H+ = généré localement dans la matrice mitochondriale par cette enzyme.
f) Ce NADPH + H+ permettra de réduire les 2 glutathions (qui viennent de s’oxyder pour donner leurs 2 protons et leurs 2 électrons par formation d’un pont disulfure).
g) Le NADPH donne donc ses 2 protons et 2 électrons, et les 2 glutathions (ayant formé un pont disulfure après avoir donné leurs 2 électrons et leurs 2 protons) se retrouvent sous forme active = GSH ; ils peuvent alors à nouveau donner leurs 2 protons et leurs 2 électrons.
