B. La chaîne respiratoire mitochondriale
B.2. Composition du système de phosphorylation oxydative
B.2. Composition du système de phosphorylation oxydative.
Cinq enzymes enchâssées dans la membrane interne mitochondriale constituent le système de phosphorylation oxydative (OxPhos) : les complexes I à IV qui composent la chaîne respiratoire et l’ATP synthase. Le système OxPhos génère la majorité de l’ATP cellulaire au cours du métabolisme oxydatif et est composé de plus de quatre-vingts protéines différentes, treize d’entre elles étant codées par l’ADN mitochondrial et les autres par le génome nucléaire.
B.2.1. Complexe I : NADH ubiquinone oxydoréductase.
Ce complexe est le principal point d’entrée des électrons dans la chaîne respiratoire. Il catalyse le transfert de deux électrons du NADH à l’ubiquinone, ceci étant couplé à la translocation de quatre protons à travers la membrane interne mitochondriale (figure I15). Le complexe I est aussi un site majeur de production de superoxyde (O2-.) en raison de la réaction directe entre les électrons qui s’échappent de ce site et le dioxygène. Le complexe I est le plus gros des complexes enzymatiques respiratoires (environ 1 MDa). Il est constitué de quarante-six sous-unités dont sept sont codées par l’ADNmt (gènes ND1-ND6 et ND4L) et les trente-neuf autres sont codées par des gènes nucléaires et importées dans la mitochondrie après leur synthèse dans le cytosol. Chez les mammifères, le complexe I a une forme de « L », composé de deux bras perpendiculaires : un bras hydrophobe enchâssé dans la membrane interne mitochondriale contenant les sous-unités codées par l’ADNmt, qui constituent le site catalytique de l’enzyme, et un bras périphérique hydrophile dépassant dans la matrice. Cette structure engendre trois modules fonctionnels : le module déshydrogénase responsable de l’oxydation du NADH en NAD+, le module hydrogénase, responsable du transfert d’électrons à l’ubiquinone et le module de translocation des protons constituant la majeure partie du bras membranaire (Fernandez-Vizarra et al., 2009). Un déficit d’activité du complexe I est la cause la plus fréquente de maladie mitochondriale. Par ailleurs, le complexe I étant une source majeure d’espèces réactives de l’oxygène (EROs), des mutations touchant ce complexe peuvent entraîner une augmentation de la production d’EROs et ainsi participer au développement de diverses maladies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer (Block, 2008) ou bien contribuer à la progression tumorale en augmentant le potentiel métastatique des cellules tumorales (Ishikawa et al., 2008).
B.2.2. Complexe II : succinate ubiquinone oxydoréductase ou succinate déshydrogénase.
Il constitue un point d’entrée alternatif des électrons dans la chaîne respiratoire. Il transfère des électrons du succinate à l’ubiquinone connectant ainsi directement le cycle de Krebs à la chaîne respiratoire. Ce transfert d’électrons n’est pas couplé à la translocation de protons. Le complexe II est constitué de quatre sous-unités (A à D) codées par le génome nucléaire. Il est constitué d’un domaine hydrophobe (sous-unités C et D) enchâssé dans la membrane interne mitochondriale et d’un domaine hydrophile (sous-unités A et B) dépassant dans la matrice. Des défauts de la fonction succinate déshydrogénase (SDH) sont relativement rares chez l’homme. Cependant, comme c’est le cas pour des mutations touchant certaines sous-unités des trois autres complexes de la chaîne respiratoire, des mutations dans la sous-unité flavoprotéine, SDHA, entraînent un défaut de la chaîne respiratoire résultant notamment en une encéphalopathie mitochondriale. Par ailleurs, des mutations dans les sous-unités B, C et D sont responsables du développement des paragangliomes, tumeurs de la tête et du cou, ainsi que des phéochromocytomes (Rustin et al., 2002). De plus, des paragangliomes familiaux ont été associés à des mutations du gène hSDH5, encore appelé SDHAF2 (Succinate DeHydrogenase complex Assembly Factor 2) codant pour une protéine mitochondriale requise pour la flavination de la sous-unité SDHA, processus qui semble indispensable à la formation et à la fonction du complexe II (Hao et al., 2009).
B.2.3. Complexe III : ubiquinol cytochrome c oxydoréductase ou complexe cytochrome bc1.
Il transfère les électrons de l’ubiquinone réduite (ou ubiquinol) au cytochrome c, transporteur d’électrons mobile associé à la face externe de la membrane interne mitochondriale. Ce transfert est couplé à la translocation de quatre protons vers l’espace intermembranaire. Ce complexe est également un site de production de l’ion superoxyde (et d’EROs). Le complexe III est présent sous forme de dimère dans la membrane interne mitochondriale. Chez les mammifères, chaque monomère est composé de onze sous-unités structurales différentes. Trois sous-unités contiennent les centres métalliques responsables du transfert d’électrons : le cytochrome b, le cytochrome c1 et la protéine Rieske Fe-S. La fonction des autres sous-unités reste à élucider. Les maladies liées à une déficience du complexe III sont cliniquement hétérogènes et relativement rares. La plupart des cas est liée à des mutations dans la seule sous-unité du complexe III codée par l’ADNmt, le cytochrome b.
B.2.4. Complexe IV : cytochrome c oxydase (COX).
Ce complexe terminal de la chaîne respiratoire catalyse le transfert d’électrons du cytochrome c à l’oxygène moléculaire, celui-ci étant par la suite réduit en eau. Il contribue également au gradient de protons en transloquant deux protons à travers la membrane interne mitochondriale. Chez les mammifères, le complexe IV est composé de treize sous-unités différentes. Les trois unités les plus grosses sont codées par l’ADNmt : deux de ces sous-unités (COX I et COX II), contenant les hèmes a et a3 et les centres cuivres CuA et CuB, constituent le centre catalytique de l’enzyme impliqué dans le transfert d’électrons et la troisième sous-unité jouerait un rôle dans le pompage des protons. Les dix sous-unités restantes (COX IV à VIII) sont codées par l’ADN nucléaire : la fonction de ces sous-unités est actuellement mal connue mais elles pourraient avoir un rôle dans la régulation de l’activité catalytique ainsi que dans l’assemblage et la stabilisation du complexe (Stiburek et al., 2006 ; Fernandez-Vizarra et al., 2009). Des déficits de la COX représentent une part importante des pathologies dues à un défaut de la chaîne respiratoire et sont associés à différents phénotypes cliniques.
B.2.5. ATP synthase.
L’ATP synthase est une enzyme fonctionnellement réversible : elle peut synthétiser de l’ATP en utilisant la force protomotrice à travers la membrane interne de la mitochondrie mais peut aussi hydrolyser l’ATP et pomper les protons hors de la matrice quand aucun gradient transmembranaire de protons n’est généré par la chaîne respiratoire. Chez les mammifères, l’ATP synthase est un complexe composé de multiples sous-unités (dont deux codées par l’ADNmt : ATP6/8) qui constituent deux domaines fonctionnels : un domaine hydrophobe membranaire F0 constitué par les sous-unités ab2c12 jouant le rôle de canal à protons, connecté par deux tiges à un domaine catalytique hydrophile F1 composé des sous-unités Į3ȕ3Ȗįİ dépassant dans la matrice (figure I16). L'ATP synthase est composée d'une partie mobile (rotor : sous-unités Ȗİc12) et d'une partie fixe (stator : sous-unités Į3ȕ3į du segment F1 et ab2 de F0) (Grover et al., 2008). Le passage des protons à l'interface entre rotor et stator dans le domaine membranaire F0 cause la rotation de la tige (Ȗ) qui déforme les sous-unités Į et ȕ du domaine extra-membranaire F1 et fournit à celles-ci l'énergie nécessaire à la synthèse d'ATP.
B.2.6. Organisation en supercomplexes.
On a longtemps pensé que les complexes de la chaîne respiratoire diffusaient librement dans la membrane interne mitochondriale et que le transfert d’électrons se faisait sur la base de collisions au hasard. Depuis dix ans pourtant, de nombreuses preuves mettent à mal ce modèle d’état fluide des composants de la chaîne respiratoire. Il a été montré en effet que les complexes I, III et IV s’assemblent pour former différents types de supercomplexes (Cruciat et al., 2000 ; Schägger et Pfeiffer, 2000 ; Dudkina et al., 2008 ; Vonck et Schäfer, 2009). En revanche, à ce jour, le complexe II n’a jamais été trouvé en association avec un autre complexe de la chaîne respiratoire, ceci étant en accord avec les indications cinétiques de son indépendance observées par analyse du contrôle du flux de la chaîne respiratoire (Bianchi et al., 2004). L’existence de supercomplexes a été mise en évidence en partie par les expériences d’électrophorèses en « blue native ». Différents supercomplexes ont ainsi été décrits selon les espèces. Chez la levure S. cerevisiae, qui ne possède pas de complexe I, deux supercomplexes ont été trouvés : un complexe III dimérique associé à une ou deux copies du complexe IV (III2IV1 et III2IV2). Les complexes I1III2 (un complexe I et deux complexes III) et I1III2IV1 (un complexe I, deux complexes III et un complexe IV) ont été mis en évidence chez le bovin, le supercomplexe I1III2IV1 ayant une activité et une stabilité supérieures au supercomplexe I1III2. L’ATP synthase F1F0 est présente sous forme de dimères capables de s’associer pour former des oligomères. Cette organisation des complexes d’ATP synthases jouerait un rôle important dans la mise en place de la courbure serrée de la membrane interne mitochondriale aboutissant à la formation des crêtes. L’ATP synthase forme également un supercomplexe avec l’ANT et le transporteur de phosphate (Papa et al., 2006). Des supercomplexes et des complexes OxPhos co-existent en fait dans la membrane interne mitochondriale et les associations de complexes en supercomplexes ou les dissociations de supercomplexes en complexes sont considérées comme un procédé dynamique dépendant de l’état physiologique de la cellule. D’un point de vue fonctionnel, la formation de supercomplexes semble être impliquée dans l’efficacité du transfert d’électrons et être une étape essentielle dans l’assemblage de la chaîne respiratoire.
B.3. Production d’espèces réactives de l’oxygène par la mitochondrie et systèmes de