La chaîne de transfert d'électrons des mitochondries des végétaux

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1 La chaîne de transfert d' des mitochondries des végétaux 1. Introduction 2. Caractéristiques générales des complexes protéiques de la chaîne respiratoire 3. Mécanismes du transfert des a. Le complexe I : NADH - coenzyme Q oxydoréductase b. Le complexe II : succinate - coenzyme Q oxydoréductase c. complexe III : coenzyme Q - cytochrome c oxydoréductase d. Le complexe IV : cytochrome c oxydase 4. Enzymes supplémentaires spécifiques de la chaîne respiratoire chez les végétaux a. Les NAD(P)H déshydrogénases interne et externe b. L'oxydase alternative ou AOX 5. Bilan - résumé de la chaîne de transport d' 6. Liens Internet et références bibliographiques 1. Introduction La mitochondrie est limitée par deux membranes de propriétés très différentes : la membrane externe contient une protéine transmembranaire, la porine, qui permet le passage des ions et des métabolites hydrosolubles de masse molaire < Da. la membrane interne très riche en protéines et quasiment impérméable aux ions et aux métabolites hydrosolubles. La chaîne respiratoire ou chaîne de transport d' (figure de droite) est localisée dans la membrane interne des mitochondries. Chaque mitochondrie contient des milliers d'exemplaires de la chaîne de transport d'. Représentation de la chaîne de transport d' chez les végétaux. Elle contient des complexes supplémentaires par rapport aux animaux : les NAD(P)H déshydrogénases (NDin et NDex) l'oxydase alterne (Alt Ox) Source figure : "Plant Physiology Online" 1 of 6 22/11/05 11:30

2 2. Caractéristiques générales des complexes protéiques de la chaîne respiratoire La chaîne respiratoire est un ensemble de complexes protéiques qui assurent un transfert de et/ou d' comme le ferait "une équipe de rugby qui se passe le ballon". Les caractéristiques des complexes protéiques sont les suivants : Règne Complexe ou protéine Sous-unités Masse molaire Composants Transfert Inhibiteurs Animaux NADH - coenzyme Q oxydoréductase (complexe I) kda 1 FMN 22 à 24 atomes Fe - S dans 5 à 8 centres roténone amytal et végétaux succinate - coenzyme Q oxydoréductase (complexe II) kda 1 FAD 7 à 8 atomes Fe - S dans 3 centres cytochrome b 560 malonate Spécifiques aux végétaux Animaux et végétaux coenzyme Q 1 0,86 NAD(P)H déshydrogénases lipide isoprénoide 4 protéines : 2 ND int et 2 ND ext cytochrome b 560 oxydase alternative (AOX) 2 64 kda coenzyme Q - cytochrome c oxydoréductase (complexe III) kda 2 centres Fe - S cytochrome b 560 cytochrome b 566 cytochrome c 1 cytochrome C 12 kda hème (Fe) électron cytochrome c oxydase (complexe IV) kda cytochrome a cytochrome a 3 2 ions cuivre diphénylèneiodonium (DPI) insensibles à la roténone SHAM propylgallate insensible au KCN antimycine KCN CO NaN 3 3. Mécanismes du transfert des a. Le complexe I : NADH - coenzyme Q oxydoréductase Le complexe I catalyse le transfert de 2 du NADH (formé au cours du cycle de Krebs) au coenzyme Q via la flavine mononucléotide et un ensemble de centres [Fe - S]. Le (NADH + H + ) cède ses par paire (sous forme d'ion hydrure, H - ). La réaction d'oxydo-réduction de la NAD(P) + concerne le groupe nicotinamide : il capte un ion hydrure H + et 2, issus du substrat SH2. le second ion hydrure est libéré dans le milieu. Ce transfert est un exemple remarquable de la stéréospécificité des réactions chimiques catalysées par les enzymes. Puis le complexe I catalyse la réduction de la flavine mononucléotide (FMN) par le (NADH + H + ) selon les réactions : +H +, + H - -H +, - e - -H +, - e - FMN > FMNH > FMNH > FMN De nombreuses protéines appelées flavoenzymes comportent un groupe prosthétique qui participe au mécanisme catalytique : la FMN (la partie en noir de la molécule ci-contre) 2 of 6 22/11/05 11:30

3 la flavine adénine dinucléotide ou FAD (l'ensemble de la molécule) Le centre réactionnel est un noyau aromatique tricyclique, l'isoalloxazine (la partie en rouge). La FMN est donc une sorte de "convertisseur" d'un flux bi-électronique en un flux mono-électronique, puisqu'elle cède ses à des centres [Fe - S], accepteurs mono-électroniques. Ces centres [Fe - S] cèdent à leur tour cet électron au coenzyme Q ou ubiquinone qui est réduit en passant par un intermédiaire semi-quinone (figure ci-contre) selon les réactions : +e - +2H +, + e - Q > Q > QH 2 Le coenzyme Q possède trois niveaux d'oxydation : une forme oxydée Q ou ubiquinone un radical libre Q. - ou semiquinone une forme réduite QH 2 (ou ubiquinol) Le coenzyme Q est une benzoquinone qui porte 4 substituants dont une longue chaîne hydrophobe. Cette particularité structurale lui confère une grande solubilité dans les lipides. En conséquence les trois formes Q, Q. - et QH 2 diffusent d'une face à l'autre de la membrane interne de la mitochondrie. Le coenzyme Q est un transporteur mobile de la chaîne respiratoire. Source figure : "Principes de Biochimie" Horton et al. (1994) Lors du transfert des au sein du complexe I, 3 ou 4 (selon les données expérimentales) sont expulsés de la matrice vers l'espace intermembranaire. b. Le complexe II : succinate - coenzyme Q oxydoréductase Le complexe II accepte deux du succinate et catalyse la réduction du coenzyme Q en QH 2, le succinate étant transformé en fumarate (c'est l'une des réactions du cycle de Krebs). La réaction met en jeu le FAD, des centres [Fe - S] et le cytochrome b 560 attaché au complexe II. Le complexe II joue un rôle important puisque c'est par lui qu'entrent les : du FADH 2 issu du cycle de Krebs porté par le (NADH + H + ) formé lors de la glycolyse est transféré sous forme de FADH 2 dans la mitochondrie par des systèmes de "navette" La variation d'énergie libre de la réaction est faible du fait d'une faible différence de potentiel de réduction entre les donneurs et les accepteurs d'. En conséquence, le complexe II ne contribue pas à l'expulsion de de la matrice vers l'espace intermembranaire. 3 of 6 22/11/05 11:30

4 c. Le complexe III : coenzyme Q - cytochrome c oxydoréductase Le complexe III est constitué entre autre : d'un centre [Fe - S] du cytochrome b qui porte les groupes hème b 560 et b 566 du cytochrome c 1 Les sont cédés par le complexe III au cytochrome c (différent du cytochrome c 1 ) qui les amène au complexe IV. Le trajet des n'a été résolu que quand un trajet circulaire, appelé cycle Q (figure ci-contre), fût suggéré par Peter Mitchell puis détaillé entre autres par Bernard Trumpower (voir un descriptif détaillé du cycle Q). Le coenzyme Q et QH 2 diffusent d'une face à l'autre de la membrane mitochondriale interne et l'ensemble des deux hèmes du cytochrome b occupe toute l'épaisseur de cette membrane. Le cytochrome c est un autre transporteur mobile de la chaîne respiratoire. Adapté de : "Principes de Biochimie" Horton et al. (1994) Bilan du cycle Q : coenzyme QH cyt c ox + 2 H + mat ---> coenzyme Q + 2 cyt c red + 2 H+ eim L'hème est un groupe prosthètique des cytochromes. Il contient un atome de fer au sein d'un noyau porphyrine. L'atome de fer est lié ˆ 4 atomes d'azote du noyau porphyrine. Seul l'hème du cytochrome c est covalemment lié ˆ des résidus cystéine via une liaison thioether (figure ci-contre). Les hèmes des 3 classes de cytochrome (a, b, c) diffèrent légèrement au niveau des substituants du noyau porphyrine. Par exemple, l'hème du cytochrome a possède une longue chaîne farnesyle qui inclue 3 unités isoprènoides. Source figure : "Electron Transfer Chain" La variation d'énergie libre liée au parcours des au sein du complexe III est légèrement plus faible que celle générée par le complexe I. Cependant, le complexe III contribue à l'expulsion de (2 x 2) de la matrice vers l'espace intermembranaire. d. Le complexe IV : cytochrome c oxydase Le complexe IV est constitué entre autre : du cytochrome a qui porte les groupes hème b 560 et b 566 du cytochrome a3 de 2 atomes de cuivre Cu A et Cu B Le complexe IV est le dernier de la chaîne de transport d' : il catalyse la réduction de l'oxygène moléculaire en eau : O H e - ---> 2 H 2 O Les 4 sont transferés un ˆ un du cytochrome c au complexe IV. L'ordre de transfert des est donc : cyt c ---> Cu A ---> hème a ---> [hème a3/cu B ] Quand les traversent les cytochrome a et a3, les atomes de cuivre des hèmes changent d'état d'oxydation. Les hèmes des cytochromes du complexe IV et les 2 atomes de cuivre Cu A et Cu B sont ligandés à des atomes d'azote de résidus histidine. Source figure : "Mitochondrial Electron Transport Chain" Le complexe IV expulse 2 de la matrice vers l'espace intermembranaire. Par ailleurs, il contribue d'autant plus à la formation du gradient de concentration de que, du fait de la formation de molécule d'eau, il soustrait des de la matrice. 4. Enzymes supplémentaires spécifiques de la chaîne respiratoire chez les végétaux a. Les NAD(P)H déshydrogénases interne et externe 4 of 6 22/11/05 11:30

5 La chaîne respiratoire des végétaux contient 2 NAD(P)H déshydrogénases supplémentaires, par rapport aux animaux : une NAD(P)H déshydrogénase Ca 2+ -dépendante interne : elle se trouve sur la face matricielle. Elle oxyde le NAD(P)H matriciel provenant du cycle de Krebs, lorsque celui-ci est trés élevé dans la matrice. une NAD(P)H déshydrogénase externe : elle est orientée vers le cytosol. Elle oxyde le NAD(P)H cytosolique : le NADH formé par la glycolyse et/ou le NADPH qui résulte de l'oxydation du glucose 6-phosphate par la voie des pentoses phosphates. Ces 2 déshydrogénases constituent un contournement du complexe I et elles sont insensibles ˆ la roténone (inhibiteur de ce complexe). Par voie de conséquence, ces réoxydations se substituent aux systèmes de "navette" que l'on trouve chez les animaux. Source : I. Moller (1997) Les NAD(P)H déshydrogénases n'expulsent pas de puisqu'elles "court-circuitent" le premier site d'expulsion des (le complexe I). b. L'oxydase alternative ou AOX La chaîne respiratoire des végétaux possède une seconde oxydase terminale (contrairement aux animaux) : l'oxydase alternative ou AOX (insensible au cyanure). Cette voie alternative transfère les des quinones à l'oxygène et contourne ainsi 2 sites d'expulsion de. Par voie de conséquence, elle contribue peu (voire pas) ˆ la production finale d'atp. L'AOX a pour rôle : d'oxyder rapidement les substrats respiratoires lorsque la charge énergétique est élevée (niveau d'atp élevé) de réduire la production de molécules dérivées de l'oxygène trés réactives (radicaux libres) En conditions normales, l'aox est faiblement exprimée dans les mitochondries des végétaux. En revanche, son expression augmente en conditions de stress (froid, sécheresse, pathogènes,...). Figure ci-contre : structure et mode de régulation de l'aox. Adapté de : "Plant Physiology Online" Article original : Siedow and Umbach( 2000) 5. Bilan - résumé de la chaîne de transport d' La figure ci-contre résume l'ensemble des réactions de la chaîne de transport d' des mitochondries des végétaux. Dans l'enchaînement des réactions d'oxydo-réduction qui ont lieu lors du transfert des de l'ensemble de la chaîne de transport d', si l'on ne considère que : le premier donneur de et d' (NADH + H + ) le dernier accepteur d' (l'oxygène moléculaire, O 2 ) les deux demi-réaction rédox sont : (1) NADH + H + ---> NAD + + 2H + +2 e - E ' (NAD + / NADH + H + ) = - 0,32 V (2) 1/2 O 2 + 2H + +2 e - ---> H 2 O E ' (1/2 O2 / H2O) = + 0,82 V Réaction globale : NADH + H + + 1/2 O 2 ---> NAD + + H 2 O E ' (1/2 O2 / H2O) - E ' (NAD + / NADH + H + ) = + 1,14 V D'après la relation qui lie la différence de potentiel de réduction standard, E ' réaction, à la variation d'énergie libre standard, G ' réaction : 5 of 6 22/11/05 11:30

6 G ' réaction = - n. F. E ' réaction = - ( ,14) = kj.mol -1 Puisque la variation d'énergie libre standard de la synthèse de l'atp est environ +30,5 kj.mol -1, la variation d'énergie libre standard liée à la réoxydation du (NADH + H + ) devrait, en théorie, permettre la synthèse de : (220 kj.mol -1 / 30,5 kj.mol -1 ) = 7 molécules d'atp par molécule de (NADH + H + ) réoxydé. En fait ce sont 3 molécules d'atp qui sont synthétisées. en effet, le réel potentiel énergétique pour la synthèse d'atp émane de la FORCE PROTON MOTRICE par ailleurs, c'est le retour des vers la matrice qui est le moteur de la machinerie de synthèse de l'atp or il faut 3 pour synthétiser 1 molécule d'atp et 10 ont été expulsés par paire d' issus du (NADH + H + ) 6. Liens Internet et références bibliographiques "Plant Physiology Online" Eubel et al. (2004) "Respiratory chain supercomplexes in plant mitochondria" Plant Physiol. and Biochem. 42, "Complex I - Home page" "Electron Transfer Chain" "Oxidative phosphorylation and mitochondrial organization" Article I. Moller (1997) "The oxidation of cytosolic NAD(P)H by external NAD(P)H dehydrogenases in the respiratory chain of plant mitochondria" Physiol. Plant. 100, 85 6 of 6 22/11/05 11:30