I. Le métabolisme énergétique de la chaîne respiratoire

1. La chaîne respiratoire « classique » des cellules eucaryotes

Peter D. Mitchell propose en 1961 la théorie chimiosmotique pour expliquer la synthèse de l’ATP par le mécanisme phosphorylation oxydative. Cette théorie suggère que la production de l’ATP est rendue possible grâce au gradient de protons qui se constitue de part et d’autre de la membrane interne de la mitochondrie grâce à une ATPase qui catalyse la réaction (Mitchell, 1961). Les protéines qui constituent cette chaîne respiratoire favorisent la création de ce gradient de protons grâce à l’énergie des couples redox (NAD+/NADH et FAD/FADH2) présents dans la matrice mitochondriale et apportée par le catabolisme des ressources carbonées. L’ATPase profite de ce gradient électrochimique aussi appelé force proton-motrice pour la phosphorylation de l’ADP en une molécule d’ATP.

La chaîne respiratoire ou chaîne de transport des électrons des cellules eucaryotes est essentiellement constituée d’enzymes et de co-enzymes impliquées dans le transfert des

constituant la chaîne de transport des électrons et la réduction de l’oxygène et le complexe V qui est l’ATP synthase (Fig. 8) (Schultz and Chan, 2001).

a. Complexe I

Le complexe I de la chaîne respiratoire est une oxydoréductase ou NADH déshydrogénase. Il est situé au niveau de la membrane interne de la mitochondrie et largement décrit chez les cellules animales mais absent chez certains eucaryotes dont le plus étudié est la levure

Saccharomyces cerevisiae. Cette enzyme récupère deux électrons par molécule de NADH

oxydée dans la matrice mitochondriale et pompe quatre protons de la matrice vers l’espace intermembranaire. Les électrons sont transférés du complexe I au couple redox ubiquinone/ubiquinol (Q/QH2) présent dans la structure lipidique de la membrane interne. Le bilan de la réaction catalysée par le complexe I est donné dans le tableau 1. Comme c’est le cas pour la plupart des réactions impliquant des couples rédox, les électrons sont transférés entre des espèces oxydo-réductrices de potentiel rédox différents. Ce dernier point est important dans le mécanisme de respiration cellulaire mitochondriale puisque l’état rédox du complexe I ou du couple Q/QH2 peut conditionner le cycle de Krebs à travers l’oxydation du NADH et le turnover du NAD+. De plus l’énergie libérée par cette réaction (ΔG° = -67,5 kJ/mol) permet de pomper les protons à travers la membrane interne et participe à la genèse du gradient électrochimique (ΔΨ) (Mazat et al., 2013). Le complexe I est également utilisé comme modèle pour l’étude de la respiration mitochondriale. Elle est la cible d’espèces chimiques très réactives qui jouent le rôle d’inhibiteurs spécifiques du complexe I. Parmi ces molécules on peut citer la roténone ou encore la metformine (Viollet et al., 2012).

b. Complexe II

Le complexe II de la chaîne respiratoire est une succinate déshydrogénase, la même enzyme qui intervient dans une étape du cycle de Krebs et catalyse la conversion du succinate en fumarate (Cecchini, 2003; Lancaster et al., 1999; Mazat et al., 2013). S. cerevisiae utilise ce complexe pour sa respiration. Cette enzyme récupère l’électron du succinate et le transfère au couple redox Q/QH2 (Cecchini, 2003). L’une des spécificités du complexe II par rapport aux autres complexes de la chaîne respiratoire est qu’il est le seul qui ne soit pas électrogénique (Cecchini, 2003). En effet le complexe II n’est pas une pompe à protons et participe donc pas à la création du gradient électrochimique. Le bilan réactionnel est donné dans le tableau 8. Les

inhibiteurs de ce complexe sont des métabolites tels que malonate et l’oxaloacétate (Dervartanian and Veeger, 1964).

c. Complexe III

Le complexe III ou cytochrome c réductase est une oxydoréductase. Il est constitué de plusieurs groupement protéiques, notamment chez les cellules eucaryotes ou l’on peut identifier la présence d’un cytochrome c1, deux cytochromes et une ferrédoxine. Ces groupements protéiques catalysent, à tour de rôle, le transfert des électrons récupérés de l’ubiquinol au ferricytochrome c présent dans la bicouche lipidique de la membrane interne (Fig. 8 et Tab. 8). Le complexe III est électrogénique puisqu’il participe au gradient électrochimique. Deux protons sont consommés par le complexe enzymatique dans la matrice mitochondriale alors que quatre protons sont récupérés dans l’espace intermembranaire. Le principal inhibiteur du complexe III est l’antimycine A. Cette molécule couramment utilisée pour étudier la respiration des cellules eucaryotes et la contribution du complexe III pour la phosphorylation oxydative (Huang et al., 2005; Ma et al., 2011).

d. Complexe IV

Le complexe IV ou cytochrome c oxydase est le dernier complexe participant au transfert des electrons. Il catalyse le transfert des electrons de la forme réduite du cytochrome c au dioxygène (O2) qui devient l’accepteur final des électrons de la chaine respiratoire. Deux molécules d’eau sont formées à travers cette réaction et quatre protons sont pompés vers l’espace intermembranaire. Cette enzyme a été particulièrement étudiée, notamment pour la compréhension des mécanismes permettant à la fois la réduction de l’oxygène en molécules d’eau et le flux des protons à travers la structure protéique. Il a été démontré le rôle pivot des groupes prosthétiques. Ces groupes prosthétiques métalliques forment deux centres redox cuivres (CuA et CuB) et deux centres hème (hème a et hème a3). CuB et hème a3 sont physiquement proches et forment un centre bi-nucléaire où se déroule l’oxydation du dioxygène. CuA est quant à lui le premier accepteur d’électron du cytochrome c alors que l’hème

a sert d’intermédiaire pour le transfert d’électron entre CuA et le centre bi-nucléaire pour la réduction du dioxygène (Schultz and Chan, 2001). Les cyanures sont les principaux inhibiteurs du complexe IV (Tsubaki and Yoshikawa, 1993).

e. Complexe V

Le complexe V de la chaîne respiratoire est l’ATP synthase (F1F0-ATPase). Elle se situe dans la membrane mitochondriale interne et utilise le gradient électrochimique pour catalyser la synthèse d’une molécule d’ATP à partir d’ADP et du phosphate inorganique (Pi). Le complexe est constitué de deux domaines protéiques F0 et F1 qui agissent comme des turbines pour permettre le flux de proton (Schultz and Chan, 2001). La rotation de ces sous-unités fournit l’énergie nécessaire pour la synthèse d’ATP. Les études expérimentales montrent que trois à quatre protons sont pompés à travers le complexe V pour la synthèse d’une molécule d’ATP (Tomashek et Brusilow, 2000). L’ATP synthase est réversible puisqu’elle peut aussi catalyser l’hydrolyse d’ATP par rotation inverse des sous-unités F0-F1 (Boyer, 1993). L’oligomycine est le principal inhibiteur utilisé pour étudier l’activité de l’ATP synthase mitochondriale (Hong et Pedersen, 2008).

f. Autres oxydo-réductases

Il est à souligner l’existence d’autres oxydo-réductases chez certains organismes eucaryotes. Il a été mis en évidence la présence d’oxydases cytosoliques et mitochondriales chez certaines plantes et champignons. La plupart sont des NADH oxydases différentes du complexe I, qui transfèrent leurs électrons au couple Q/QH2 mais ne contribuent pas au gradient électrochimique (Borecký et Vercesi, 2005). De même, il a été démontré la présence d’oxydases alternatives (AOX) chez les plantes ainsi que chez certaines levures et champignons (Fig. 9). Les AOXs ont la même fonction que le complexe IV puisqu’ils récupèrent les électrons de l’ubiquinol (QH2) pour réduire les molécules de dioxygène (Sluse et Jarmuszkiewicz, 1998, 2000). Le rôle exact des AOXs est encore débattu mais des études montrent leur contribution à la résistance aux stress oxydatifs chez les plantes et levures (Guerrero-Castillo et al., 2012; Maxwell et al., 1999). Des inhibiteurs décrits comme spécifiques aux AOXs tels que la n-propylgallate (nPG) et l’acide salicylhydroxamique (SHAM) (Guerrero-Castillo et al., 2012; Garcia-Neto et al., 2017).

Figure 8 : La chaîne respiratoire classique. (Mazat et al., 2013)

Tableau 8 : Le bilan énergétique des réactions de la chaîne respiratoire. (Mazat et al., 2013)

Dans le document Modélisation de la bascule métabolique chez les cellules eucaryotes : application à la production de citrate chez la levure Yarrowia lipolytica (Page 46-50)