1. Le cycle Q
Le complexe bc1 catalyse l’oxydation de la quinol et la réduction du cytochrome c, et couple ce transfert d’électrons à la translocation de protons à travers la membrane interne. Le mécanisme catalytique, appelé cycle Q, requière deux sites de liaisons de la quinone situés de part et d’autre de la membrane : le site Qo ou centre P, site d’oxydation de la quinol localisé du côté positif de la membrane, et le site Qi ou centre N, site de réduction de la quinone situé du côté négatif (pour revues, (Hunte et al. 2003; Mitchell 1975; Brandt & Trumpower 1994)). Le cycle Q est composé de deux étapes (Figure 9). Lors de la première étape, une molécule de quinol (QH2) est oxydée au site Qo en cédant un électron à Rip1 et un électron à l’hème bL. Cette phase est associée à la présence transitoire d’une semiquinone (Q.-) au site Qo et permet l’éjection de deux protons dans l’espace intermembranaire. Les deux électrons issus de l’oxydation de la quinol vont donc suivre des chemins différents ; l’électron transféré à Rip1 va être transmis au cytochrome c1 puis au cytochrome c tandis que l’électron cédé à l’hème bL va réduire l’hème bH qui, à son tour, va réduire une quinone matricielle (Q) en semiquinone au site
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Qi. Le passage du premier électron du cytochrome b au cytochrome c1 est rendu possible grâce au changement de position du large domaine de Rip1 portant le groupement [2Fe-2S]. Une seconde réaction d’oxydoréduction initiée au site Qo complète le cycle Q. Une deuxième molécule de quinol va ainsi être oxydée au site Qo ce qui conduit à la libération de deux protons et à la réduction d’une nouvelle molécule de cytochrome c et de l’hème bL. Ce dernier va transférer l’électron à la semiquinone formée lors de la première étape et, dans une réaction qui consomme deux protons provenant de la matrice, la semiquinone régénère une molécule de quinol au site Qi. La somme de ces deux étapes aboutit donc à la réduction de deux molécules de cytochrome c, à l’éjection de quatre protons dans l’espace intermembranaire et à la consommation de deux protons issus de la matrice pour une molécule de quinol oxydée.
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a. Liaison des quinones dans les poches catalytiques Qo et Qi
L’ubiquinone est une molécule liposoluble amphipathique avec une tête cyclique et une queue hydrophobe carbonée permettant le transport des électrons dans la membrane interne mitochondriale (Figure 10).
Figure 10: Structure de l'ubiquinone.
i. Site Qo
Aucune donnée structurale montrant la liaison de la quinol au site Qo n’est disponible actuellement mais la caractérisation d’inhibiteurs analogues de la quinol et de mutants du cytochrome b a fournit des informations sur ce mécanisme. Le site Qo est une large région formée par le domaine C-terminal de l’hélice transmembranaire C, l’hélice de surface cd1, la région comprenant les résidus conservés PEWY, l’hélice de surface ef et une partie de l’hélice transmembranaire F (Figure 6). Le site Qo, tout comme le site Qi, est ouvert sur une cavité hydrophobe permettant l’échange de substrats. Il existe deux cavités partagées entre les monomères ; le site Qo d’un monomère et le site Qi de l’autre sont ouverts sur la même cavité.
Les inhibiteurs du site Qo (QoIs) peuvent se lier à deux endroits de ce site ; ils sont donc classés en deux groupes en fonction du domaine qu’ils occupent (Crofts et al. 2004). A noter toutefois qu’il ne peut y avoir qu’un seul QoI à la fois dans la poche catalytique ; les deux domaines de liaison se chevauchant (pour revue, (Hunte et al. 2008). Les QoIs de classe I comme la stigmatelline, l’UHDBT (5-n-undecyl-6-hydroxy-4,7-dioxobenzothiaole) et le NQNO (2-nonyl-4-hydroxyquinoline N-oxide) se lient dans la partie distale de l’hème bL, proche du site de « docking » de Rip1, et interagissent avec cette dernière via une forte liaison hydrogène entre l’inhibiteur et l’histidine 181 de Rip1. Les QoIs de classe II tels que le myxothiazole et les inhibiteurs de type MOA (acide β-methoxyacrylate) comme les strobilurines se lient dans la partie proximale de l’hème bL et n’interagissent pas avec Rip1, laquelle, dans la plupart des structures obtenues avec ces QoIs, est trouvé dans une position proche du cytochrome c1 (Figure 11). Le
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famoxadone, commercialisé en tant que fongicide QoI, fait le lien entre ces deux classes d’inhibiteurs. En effet, ce composé se lie comme les inhibiteurs de type MOA mais, à l’inverse de ces molécules, maintient Rip1 en position b et contrairement aux inhibiteurs de classe I, ce maintien se fait sans contact direct entre la protéine fer-soufre et le famoxadone (Berry & Huang, 2011) (Figure 11). La formation d’une liaison hydrogène entre la tyrosine 279 du cytochrome b et l’histidine 181 de Rip1 pourrait être responsable du positionnement de la protéine de Rieske dans ce cas. Cette interaction pourrait avoir une fonction de « pré-docking » en maintenant Rip1 en position b pendant que la quinol se déplacerait dans le site Qo pour arriver à une position similaire à celle d’un inhibiteur de classe I.
Figure 11: Modification de la structure du cytochrome b et du positionnement de Rip1 en fonction du type d'inhibiteurs. En présence de stigmatelline (A) ou de famoxadone (B), Rip1 se trouve en position b. Cependant,
l’extrémité de la protéine fer-soufre est localisée moins profondément dans le cytochrome b en présence de famoxadone. Le famoxadone et l’azoxystrobine (C) forment une liaison hydrogène avec l’azote du glutamate 272 du motif PEWY.
Des études mutationnelles ont montré l’importance de la tyrosine 279 pour l’activité du complexe. Chez Rhodobacter sphaeroides, la mutation de cette tyrosine n’a pas d’effet sur l’activité lorsque celle-ci est remplacée par une phénylalanine, a un faible effet quand elle est remplacée par une leucine (diminution d’un facteur 3) et a un effet plus important lorsque le résidu introduit est une glycine (diminution d’un facteur 20) (Crofts et al. 2000). Chez la levure, le remplacement de la tyrosine par une alanine, une cystéine ou une sérine cause une diminution de l’activité d’un facteur 5, 2, et 4 respectivement et l’analyse par spectroscopie RPE des mutants indique une perturbation au niveau du site Qo (Fisher et al. 2004; Wenz et al. 2007). Un résidu aromatique ou du moins un résidu hydrophobe est donc nécessaire à cette position pour maintenir une activité correcte de l’enzyme.
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D’autres résidus vont jouer un rôle important dans l’activité du complexe. C’est le cas notamment du glutamate 272 appartenant au motif très conservé PEWY. Dans une structure contenant la stigmatelline, la chaîne latérale du résidu E272 occupe une majeure partie du volume dans lequel le pharmacophore des inhibiteurs de classe II et du famoxadone pourrait se loger ; par conséquent, pour s’accommoder de ces molécules, la chaîne latérale du résidu va effectuer une rotation (Crofts 2004) (Figure 11). La substitution de ce résidu chez la bactérie R. sphaeroides aboutit à une résistance à la stigmatelline ainsi qu’à une baisse de l’oxydation des quinols (Brasseur et al. 1996). Des analyses mutationnelles effectuées chez la levure (E272D et E272Q) (Wenz et al. 2006) et chez Rhodobacter capsulatus (E272A, V, F, H, K et Q) (Osyczka et al. 2006) confirment que ce résidu permet une oxydation efficace de la quinol.
ii. Site Qi
Le site de réduction de la quinone est formé de la région C-terminale de l’hélice D et de la région N-terminale des hélices A et E (Figure 6).
Des structures des complexes bc1 de la levure (Hunte et al. 2000), du bœuf (Gao et al. 2003; Huang et al. 2005) et du poulet (Zhang et al. 1998) en présence de quinone au site Qi ont été obtenues et révèlent que l’acide aspartique 229, l’histidine 202 et la sérine 206 forment des liaisons hydrogène, directement (S206) ou par l’intermédiaire de molécules d’eau (D229 et H202), avec la quinone permettant son orientation et sa stabilisation dans le site. La quinone se lie à proximité de l’hème bH (3.5 Å) favorisant ainsi un transfert rapide des électrons.
b. Importance de la bifurcation des électrons au centre Qo
La bifurcation des électrons au centre Qo est très importante pour l’établissement du potentiel électrochimique nécessaire à la production d’ATP. Un passage linéaire des électrons du cytochrome b au cytochrome c aurait pour conséquence une perte considérable en énergie car seulement deux protons serait transférés vers l’espace intermembranaire (Muller et al. 2002; Osyczka et al. 2005; Kramer et al. 2004). En plus de la perte d’énergie, ce court-circuit du cycle Q induirait la formation d’ions superoxyde par la réaction de la semiquinone produite au site Qo lors de la première
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étape ou produite par retour des électrons des hèmes b vers le site Qo avec l’oxygène (Rottenberg et al. 2009). Le mécanisme physico-chimique de la bifurcation des électrons n’est pas entièrement compris. Cependant, il a été montré par une approche stochastique que les distances entre les sites rédox et leurs potentiels d’oxydoréduction permettent d’expliquer cette bifurcation (Mazat & Ransac 2010).
c. Conduction des protons
Les deux protons provenant de l’oxydation de la quinol au site Qo suivraient des chemins différents. Le premier proton serait transféré sur l’histidine 181 de Rip1 et accompagnerait l’électron en suivant le mouvement du domaine catalytique de Rip1 avant d’être relâché dans l’espace intermembranaire. Le trajet du second proton n’est pas encore connu (Crofts et al. 1999).
Des études ont montré l’importance des phospholipides et notamment des cardiolipines dans le fonctionnement du complexe. Les cardiolipines stabiliseraient l’architecture du chemin des protons et pourraient être impliquées dans la capture de ces derniers (Klingen et al. 2007; Lange et al. 2001; Wenz et al. 2009).