Oxydations biologiques (1): Le transport des électrons dans la chaîne respiratoire et la phosphorylation oxydative.

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1 Oxydations biologiques (1): Le transport des électrons dans la chaîne respiratoire et la phosphorylation oxydative. Les différentes voies du catabolisme (ex: glycolyse) ne libèrent que peu d'énergie sous forme directement utilisable par les cellules (ATP). Le cycle du citrate, voie finale commune du catabolisme, ne permet pas de générer directement beaucoup d'atp. Cependant, ces voies permettent d'obtenir des réduits en grande quantité, et leur réoxydation au niveau de la chaîne respiratoire permet la synthèse d'atp. Aussi cette synthèse massive d'énergie sous forme d'atp est réalisée par un mécanisme particulier, c'est la phosphorylation oxydative Qu'est ce que la chaîne respiratoire? C'est l'étape finale de la respiration cellulaire (cellules aérobies), elle constitue un ensemble de réactions de transfert d'électrons permettant ainsi la réoxydation des coenzymes réduits ( ) où l'accepteur final d'électron est l'oxygène. Cette chaîne respiratoire est localisée dans la membrane interne des mitochondries (cas ces cellules eucaryotes) et dans la membrane... (procaryotes). 1-Un rappel sur les réactions d'oxydo-réduction. Une réaction d'oxydo-réduction est caractérisée par le transfert des électrons d'un donneur d'électrons ( ) vers un accepteur d'électrons ( ). Ainsi on considère que la force du réducteur du couple redox est donné par la valeur du potentiel standard d'oxydo-réduction E (en biochimie on utilise E ' car les mesures sont effectuées à ph=7). La mesure du potentiel standard redox: Un couple redox est caractérisé par son potentiel standard (E ') qui est relié à la valeur du potentiel d'oxydo-réduction (ou potentiel d'électrode E) Formule de Nernst: On détermine la valeur de E ' d'un couple redox par des mesures de la force électromotrice (fem) d'une pile.(voir cours de chimie) A ph=7 E 'H+/H2= - 0,42 v l'électrode à hydrogène est une électrode de référence pour lequel on a fixée arbitrairement une valeur de potentiel d'électrode E = 0 H + + é 1/2 H2 Par exemple le réducteur du couple redox à étudier est plus fort que H2, on peut écrire: 2H + + 2é H2 Red.. E électrode référence = E électrode indicatrice= La force électromotrice de la pile est égale: DE (fem) = E accepteur - E donneur page 1

2 2- Les couples redox en biochimie et leur valeur de potentiel standard 3- Le transport des électrons dans la chaîne Rôle des enzymes d'oxydo-réduction: elles permettent de catalyser les réactions d'oxydo-réduction qui sont habituellement lentes à évoluer. Sachant que les électrons sont transportés depuis un couple dont le potentiel est le plus négatif (réducteur fort) vers l'oxydant d'un autre couple de potentiel moins négatif, on peut déterminer l'ordre de transfert des électrons dans la chaîne respiratoire. Les coenzymes réduits pourront donc être réoxydés par cette chaîne. Chaîne respiratoire page 2

3 4- Deux types de transporteurs: les transporteurs de protons et d'électrons et les transporteurs d'électrons. Les coenzymes réduits doivent céder leurs protons à des accepteurs de protons; il en existe deux sortes: Le NADH,H + cède ses protons au niveau des Le FADH2 cède ses protons au. Le coenzyme Q libère donc les protons captés en cédant les électrons au niveau d'une série de transporteurs d'électrons: les cytochromes. 4-1-Les déshydrogénases de la chaîne respiratoire Ils permettent non seulement le transport de protons mais aussi celui des électrons. Déshydrogénase flaviniques: les flavoprotéines Le coenzyme ( FMN:.. ) ou FAD ) est fortement lié à l'apoenzyme, on dit que ce coenzyme est un... Il existe de nombreuses flavoprotéines dans la mitochondrie qui pourront donc délivrer des protons au coenzyme Q: La NADH-déshydrogénase elle catalyse la réoxydation du NADH. La succinate-déshydrogénase :entre dans le cycle du citrate, catalyse l'oxydation du succinate en... Rq: ces déshydrogénases sont associées à des protéines qui contiennent des atomes de fer dans leur structure, on parle de centre fer-soufre, permettant ainsi le transfert des électrons vers l'intermédiaire suivant de la chaîne; le coenzyme Q. page 3

4 L'ubiquinone ou Coenzyme Q: Ce coenzyme n'est pas associé à une protéine. Il établit la jonction entre les flavoprotéines et les cytochromes. 4-2-Les cytochromes, des transporteurs d électrons Ils constituent, dans les cellules aérobies, un groupe de protéines transporteuses d'électrons contenant comme partie non protéique:. Ces cytochromes subissent un changement réversible de valence au niveau de l'atome de fer au cours du cycle catalytique: On distingue habituellement 5 cytochromes clairement identifiés au niveau de la chaîne respiratoire: les cytochromes b, c, c1, a, a3. Ces différents cytochromes ont été identifiés grâce à la position de la bande a. Rq : seul le cytochrome c est facilement isolé des mitochondries alors que les cytochromes a et b sont difficilement solubilisés car fortement liés à la membrane. Mis à part les cytochromes comme transporteur d'électrons, on peut noter la présence de protéines fer-soufre permettant également le transfert des électrons. Dans la chaîne respiratoire il y a au moins 7 centres fer-soufre (4 localisés dans le complexe NADH-déshydrogénase; 2 associés au cytochrome b et 1 au niveau du cytochrome c1 ) Conclusion: La chaîne respiratoire est donc considérée comme une succession de complexes... dont les éléments sont regroupés au niveau de la crête mitochondriale. A ce niveau on peut voir qu'il existe une étroite localisation avec les enzymes du cycle de Krebs Ordre des transporteurs dans la chaîne respiratoire. Plusieurs paramètres ont permis d'identifier l'ordre des différents transporteurs: 1 ) la valeur de E ' des différents transporteurs. En effet, les électrons allant des couples les plus... vers ceux... 2 ) On a isolé des complexes dans la membrane mitochondriale qui sont constitués de plusieurs enzymes impliquées dans le transfert des H + + é. ex: Complexe I: NADH-DH / centre fer-soufre Complexe III: cytochromes b et c1 page 4

5 Complexe VI::cytochrome a;a 3 3 ) Étude par des inhibiteurs de la chaîne respiratoire: Blocage de la NADH-deshydrogénase :Amytal (barbiturique) ; Roténone (insecticide): Analogue de l'ubiquinone : Piericidine (antibiotique): Blocage du transport des électrons entre les cytochromes b et c. :Antimycine A (antibiotique) Inhibition de l'étape terminale au niveau du cytochrome a;a 3 : Cyanure : oxyde de carbone 5- La chaîne respiratoire productrice d'énergie (ATP) 5-1- Énergétique du transfert d'électrons: DG ' lié au DE ' La tendance des électrons à aller d'un couple électronégatif vers un autre plus électropositif est le résultat d'une perte d'énergie libre (la réaction n'est possible que si DG ' ) Soit la relation : ex: Calculer la modification d'énergie libre standard quand une paire d'électron passe du couple NAD+/NADH (E '= -0,32v) au couple 1/2O2 /H2O (E '= + 0,82v) 5-2- Localisation de la phosphorylation oxydative dans la chaîne respiratoire. Définition de la phosphorylation oxydative: page 5

6 Combien d'atp formés? Prévision théorique considérant la différence de potentiel redox entre le début et la fin de la chaîne, on calcule l'énergie récupérée susceptible d'être fournie par l'oxydation du NADH,H +. DE ' = ( E ' accepteur final d'é - E ' donneur ) = 1,14 v DG '= kj/mole Cette énergie ne peut être libéré en une seule fois. Sachant que la formation d'atp à partir d'adp + Pi nécessite 31 kj/mole, donc les réactions couplées susceptibles de former l'énergie nécessaire pour cette phosphorylation doivent libérer une énergie supérieure à 31 kj/mole. couples rédox E ' (volt) DE ' (volt) DG ' (kj/mole) NAD + /NADH - 0,32 Flavoprotéine/ FPH2-0,10 CoQ / CoQH2 0 Cyt b ox / Cyt b réd 0,04 Cyt c1 ox / cyto c1 réd 0,23 Cyt c ox / cyto c 0,26 réd Cyt a ox / Cyt a 0,29 réd 0,38 Cyt a3 ox / Cyt a3 réd 0,82 1/2 O2 / H2O Conclusion: Rendement de la phosphorylation oxydative: Calcul du rapport P/O: On incube des mitochondries dans un milieu en présence d'un substrat oxydable, d'o2 et d'adp,pi. On mesure : - la disparition du substrat, d'adp,pi - la consommation d'o2 - l'apparition d'atp On définit pour chaque substrat, un quotient de phosphorylation P/O: Substrat Enzyme/réaction Coenzyme réduit P/O Malate Isocitrate Pyruvate Succinate a cétoglutarate 3 4 conclusion: page 6

7 6- La perméabilité de la membrane interne de la mitochondrie : système des navettes Dans les conditions physiologiques, la destinée normale des coenzymes réduits produits dans le cytoplasme (NADH issus de la glycolyse) est d'être réoxydée au niveau de la mitochondrie. Cependant la membrane interne est imperméable à ces coenzymes!!! Il existe un transfert indirect des protons et électrons (H + + é) permettant ainsi leur passage depuis le cytosol vers la mitochondrie : ce sont les systèmes navettes transmembranaires à protons (système navette ou système "va et vient") 1 Étape: le NADH,H + cède ses H + et électrons à un composé cytosolique qui, lui, peut traverser la membrane mitochondriale 2 Étape: L'intermédiaire réduit est réoxydé dans la mitochondrie en cédant les H + et électrons à un coenzyme oxydé ( ) La navette glycérol phosphate(a): (cerveau mammifère et muscle des insectes volants). 1 étape: action de la glycérol phosphate déshydrogénase= formation de glycérol phosphate à partir de dihydroxyacétone 3 Phosphate (DHAP). 2 étape: traversée de la membrane mitochondriale du glycérolphosphate qui délivre (H + + é) au FAD d'une flavoprotéine (glycéraldéhyde 3 phosphate déshydrogénase). La navette malate-aspartate (b): (essentiellement dans le foie, coeur et reins des mammifères). Les coenzymes réduits du cytosol cèdent (H + + électrons) à l'oxaloacétate (OAA) grâce à l'action de la malate déshydrogénase cytosolique permettant ainsi de former du malate. Celui-ci passe la membrane mitochondriale et cède (H +,é) aux NAD +. L'OAA produit traverse mal la membrane et est exporté dans le cytosol sous forme d'aspartate sous l'action de la transaminase ASAT. page 7

8 7- Bilans énergétiques de l'oxydation oxydation complète de l'acétyl CoA: bilan dégradation dans le cycle du citrate: AcétylCoa + (GDP,Pi) + 2H2O + 3NAD + + FAD 2CO2 + CoASH + GTP + 3(NADH,H + ) + FADH2 Bilan chaine respiratoire: NADH,H + + 1/2 O2 FADH2 + AcétylCoa Bilan de l'oxydation complète du pyruvate: pyruvate acétylcoa cycle du citrate 7-3- Bilan de l'oxydation du glucose glucose 2 pyruvate 2 AcétylCoA étapes cytoplasmiques étapes mitochondriales page 8

9 8- Effet Pasteur, un mécanisme de rétroinhibition. Une cellule aérobie facultative consomme plus d oxygène si elle est placée en anaérobiose que si elle est placée en aérobiose, pourquoi? L action de l oxygène diminue l utilisation du glucose et évite l accumulation du lactate, c est l effet Pasteur. page 9

10 Oxydations biologique: le transport des électrons dans la chaine respiratoire et la phosphorylation oxydative. SOMMAIRE 1-Un rappel sur les réactions d'oxydo-réduction. La mesure du potentiel standard redox: 2- Les couples redox en biochimie et leur valeur de potentiel standard 3- Le transport des électrons dans la chaîne respiratoire 4- Deux types de transporteurs: les transporteurs de protons et d'électrons et les transporteurs d'électrons. 4-1-Les déshydrogénases de la chaîne respiratoire 4-2- Les cytochromes: transports d'électrons Ordre des transporteurs dans la chaîne respiratoire. 5- La chaine respiratoire productrice d'énergie (ATP) 5-1- Énergétique du transfert d'électrons: DG ' lié au DE ' 5-2- Localisation de la phosphorylation oxydative dans la chaîne respiratoire. 6- La perméabilité de la membrane interne de la mitochondrie : système des navettes La navette malate-aspartate: La navette glycérol phosphate: 7- Bilans énergétiques de l'oxydation oxydation complète de l'acétyl CoA: 7-2- Bilan de l'oxydation complète du pyruvate: 7-3- Bilan de l'oxydation du glucose References : page 10