Cha î ne respiratoire et oxydation phosphorylante

1. Chaîne respiratoire et oxydation phosphorylante La chaîne respiratoire Les composants de la chaîne La théorie chimiosmotique Structure et fonction de l’ATPase mitochondriale Systèmes navette de NAD/NADH Agents découplants

2. Formation de NADH et FADH2

3. Oxydation phosphorylante • Synonymes • Phosphorylation oxidative • Phosphorylation couplée aux oxydo-réductions • L ’oxidation phosphorylante se trouve exclusivement dans les mitochondries • (un pareil mécanisme se trouve encore chez les procaryotes et les chloroplastes) • Fonction: libérer l ’énergie d ’oxidation complète de pyruvate en CO2 et H2O pas d ’un seul coup, mais d ’une façon contrôlée, permettant la synthèse d ’ATP

4. Mitochondries • Le nombre de mitochondrie par cellule varie énormément: • Trypanosome: 1 • Levure: 1-10 • Muscle blanc: peu (glycolyse) • Muscle rouge: nombreuses (oxidation phoshorylante) • Foie: 5000 • Dimensions: • diamètre de 0.2-0.8 µm • longueur de 0.5-1.5 µm • Constituants: • membrane externe • membrane interne • espace intermembranaire • crêtes • matrice

5. Mitochondries actives et passives

6. Caractéristiques des complexes protéiques de la chaîne respiratoire de transport d ’électrons dans la mitochondrie

7. Oxydation phosphorylante

8. Composants de la chaîne respiratoire • Protéines avec un ou deux centres fer-soufre • Protéines à FMN • Ubiquinone • Cytochromes

9. Ferrédoxine et le centre actif d ’une protéine fer-soufre • Ferrédoxine est une protéine d ’une masse de 6000 dalton. La protéine contient 8 Fe et 8 S dans deux sites actifs [4 Fe - 4 S]. Le site actif a une structure en forme de cage. • Les ferrédoxines sont des transporteurs à deux électrons. Un électron par site actif. La charge des électrons se répartit entre les atomes de soufre et de fer. • La forme oxidée: 2Fe2+ + 2Fe3+ réduite: 3Fe2+ + 1Fe3+ • High potential iron protein (HiPiP) oxidée: 1Fe2+ + 3Fe3+ réduite: 2Fe2+ + 2Fe3+ Ferredoxine de Peptococcus aerogenes

10. Composants de la chaîne respiratoire (2)

11. Composants de la chaîne respiratoire (3) • Les cytochromes • Cytochrome b (560 nm) • Cytochrome c (550 nm) • Cytochrome c1 (553 nm, complex III) • Cytochrome a (600 nm, complex IV ou cytochrome oxidase) • Cytochrome a3 (600 nm, complex IV ou cytochrome oxidase)

12. Quelques caractéristiques des cytochromes

13. Dans la chaîne respiratoire les porteurs d ’hydrogène et d ’électrons alternent • Porteurs d ’hydrogène porteur + 2H porteur -H2 • Porteurs d ’électrons porteur - Fe3+ + H porteur -Fe2+ + H+ • Quand des porteurs d ’électrons sont réduits par des porteurs d ’hydrogène, des protons sont libérés • Par contre, pendant la réduction des porteurs d ’hydrogènes par des porteurs d ’électrons, des protons sont utilisés

14. Formation d ’ATP par la chaîne respiratoire

15. NADH:ubiquinone oxydoreductase (complexe I) Sazanov et al. 2006

16. Polypeptide -fold and electron transfer distances in QFR (similaire au Complexe II) Iverson, T. M. et al. J. Biol. Chem. 2002;277:16124-16130

17. Complexe III

18. Ubiquinone:cytochrome c oxydoreductase (complexe III) Cyt c Hème c1 FeS Hème bL Hème bH Lange and Hunte, 2002

19. Complexe IV Cytochrome c oxidase

20. Le potentiel de réduction • Aréd Aox + 2 e- • Box + 2 e- Bréd • Aréd + Box Aox + Bréd • ∆G°’ = -nF∆E°’ • ∆E°’ = -2,3 log Kéq Equation de Nernst • ∆E = ∆E°’ -2,3 log • ∆E = ∆E°’ logQ RT nF RT [Aox][Bréd ] [Aréd][Box] nF 0,059 n

21. Potentiels de réduction standard Demi-réaction de réduction E°’(V) 1/2O2 + 2H+ + 2e- ---> H2O 0,82 Fe3+ + e- ---> Fe2+ 0,77 Cytochrome a, Fe3+ + e- ---> Fe2+ 0,29 Cytochrome c, Fe3+ + e- ---> Fe2+ 0,25 Ubiquinone (Q) + 2H+ + 2e- ---> QH2 0,10 Cytochrome b, Fe3+ + e- ---> Fe2+ 0,08 Fumarate + 2H+ + 2e----> Succinate 0,03 Oxaloacétate + 2H+ + 2e----> Malate -0,17 Pyruvate + 2H+ + 2e----> Lactate -0,18 FMN + 2H+ + 2e----> FMNH2 -0,22 FAD + 2H+ + 2e----> FADH2 -0,22 NAD + 2H+ + 2e----> NADH + H+ -0,32 Ferrédoxine, Fe3+ + e- ---> Fe2+ -0,43 2H+ + 2e----> H2 -0,42

22. Architecture de la chaîne respiratoire

23. Oxydation phosphorylante • La théorie chimiosmotique (Peter Mitchell, 1960; Prix Nobel, 1978)

24. La force proton motrice ∆p est exprimé en volt • ∆Gchim = 2.3 n RT (pHint-pHext) • ∆Gélec =n F∆ Y • ∆G = ∆ Gchim + ∆Gélec = 2.3 n RT (∆pH) + n F∆ Y • ∆G / n F = ∆ Y + (2.3 RT (∆pH) / F) • Z = 2.3 RT /F (Z = 59 mV à 25°C) • ∆p = ∆ Y + Z ∆pH • A pH 7 et 30°C

25. La force proton motrice ∆p • DP consiste de deux composants: • 1. Le potentiel de membrane (Dy) • 2. Le gradient de protons (DpH) • Les valeurs typiques pour les mitochondries sont: pH = 0,75 Dy = 0,14 VDp = Dy + ZDpH = 0,14 V + (0,059 V)x (0,75) = 0,18 V = 180 mV • Chez E.coli (à pH = 6) pHint = 7.8 Dy = 95 mV Dp = 200 mV

26. Mécanisme de synthèse d ’ATP par intermédiaire de ∆p H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ F1 ATPase ou ATP synthase H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+

27. Visibilité des particules F1

28. Structure de l ’ATPase mitochondriale

29. Formation d ’ATP par l ’ ATPase mitochondriale

30. Moteur moléculaire d’ATPase

31. An animation showing why the F1 motor is rotating counter clockwise and how the chemical reaction and the rotation are coordinated by two switches: switch 1 (red) controls the ATP binding; switch 2 (blue) controls the phosphate release.

32. A perspective view of alpha3 beta3 gamma in spacefill display with specular highlights.

33. A perspective view of alpha3 beta3 gamma in cartoon display (frames are generated using Molscript).

34. GRT video of ATP synthase Available from YouTube http://www.youtube.com/watch?v=uOoHKCMAUMc

35. Mode d’action de deux agents découplants • Fig. 4.12, 4.13

36. Respiration par mitochondries isolées Inhibiteurs de la respiration mitochondriale Rotenone complex I Amytal ,, Malonate Complex II Antimycine Complex II Cyanure Complex IV Azide ,, CO ,, H2S ,, Oligomycine ATPase

37. Les systèmes navette assurant l ’oxydation du NADH du cytosol (1)

38. Les systèmes navette assurant l ’oxydation du NADH du cytosol (2)