Phosphorylation oxydative

Il est bien connu que plusieurs facteurs affectent le développement des embryons in vitro chez les bovins. Des nombreuses études ont été réalisées pour développer un environnement favorable à une croissance embryonnaire rapide. Ainsi, ces études ont conclu que l‟embryon a besoin d‟énergie sous la forme d‟ATP produit par la chaîne respiratoire de la mitochondrie (Thompson et al., 2000). Ainsi, les mitochondries sont les organelles responsables de la production de la majorité de l‟énergie cellulaire sous forme d‟ATP à travers la PHOSOX (Cummins, 2004). La PHOSOX est définie comme un mécanisme qui couple l'oxydation de substances nutritives réduites et des molécules organiques avec la phosphorylation de l‟ADP (Wallace, 2005). La PHOSOX est supportée par la chaîne respiratoire de la mitochondrie, laquelle consiste en quatre complexes localisés sur la membrane mitochondriale interne (Figure 8).

Figure 8. Phosphorylation oxydative en lien avec les 4 complexes mitochondriaux. (Tirée de

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Complexe I

Le complexe I est décrit dans la littérature comme NADH-ubiquinone réductase, lequel catalyse la réaction suivante :

NADH + Q + 5H+ → NAD+ + QH2 + 4H+

Où: Q et QH2 sont les formes oxydées et réduites de l‟ubiquinone, respectivement.

Le complexe I a une structure similaire dans presque tous les organismes eucaryotes. En effet, ce qui est commun, c‟est la présence d‟un certain nombre de peptides (45) en comparaison aux procaryotes où par exemple chez E. coli, le nombre de peptides est de 14. Les études en microscopie électronique ont démontré que le complexe I a une forme de L ou d‟une botte, avec une grande portion de sa structure à caractère hydrophobe intégrée dans la membrane intérieure et une petite portion à caractère hydrophile sur la matrice de la mitochondrie (Rich et Maréchal, 2010). La petite portion de la forme L est l‟endroit de la liaison avec le NADH qui a une fonction de NADH déshydrogénase et qui est aussi constitué du cofacteur flavine mononucléotide (FMN) et de 7 à 9 unités de protéine fer- soufre (Fe-S) (Scheffler, 2008; Rich et Maréchal, 2010). La réaction d'oxydoréduction interne implique le transfert d'électrons de NADH, par l'intermédiaire de FMN, et la participation de la série linéaire des protéines Fe-S qui les transferè immédiatement à l‟ubiquinone (Rich et Maréchal, 2010). Les études n‟ont pas encore élucidé comment le transport des électrons et le mécanisme de pompage des protons sont liés entre eux, mais il est suggéré que les deux protons sont pompés par mécanisme de redox et les deux autres, transportés par les protéines Fe-S (Scheffler, 2008).

Complexe II

Le complexe II est le plus simple des composants de la chaîne respiratoire, mais un des plus importants car il est encodé dans l‟ADN nucléaire comparativement aux autres complexes de la chaîne respiratoire de la mitochondrie (Rich et Maréchal, 2010). Il est composé de 4 peptides : deux grands peptides qui constituent la portion périphérique du complexe et qui

51 ont une fonction d‟enzyme succinate déshydrogénase du cycle de Krebs. Les électrons de l‟oxydation du succinate en fumarate sont transportés dans ce canal du complexe vers l‟ubiquinone (Scheffler, 2008; Rich et Maréchal, 2010).

La réaction qui catalyse le complexe II est :

Succinate + Q → Fumarate + QH2

Dans la plupart des eucaryotes, cette réaction procède de la gauche vers la droite en raison de la concentration des substrats et des produits, mais aussi car l‟enzyme agit dans un seul sens qui peut empêcher le flux des électrons dans la direction inverse (Scheffler, 2008).

Complexe III

Le complexe III est l‟enzyme ubiquinone-cytochrome c oxydoréductase, lequel est aussi appelé complexe bc1. Cependant dans la littérature, il est identifié avec le nom plus simple de cytochrome c réductase.

La réaction catalysée par ce complexe est la suivante :

QH2 + 2 cyt c3+ + 2H+i matrix → Q + 2 cyt c 2+ + 4 Ho+ EIM

Le complexe III montre une réaction similaire à celle du complexe I, dans laquelle l‟oxydation d‟un des substrats (QH2) et le transfert des électrons vers un transporteur mobile (cytochrome c) sont liés au transfert des protons à travers la membrane intérieure de la mitochondrie. Le QH2 produit par les complexes I et II est capable de se diffuser et de traverser l‟EIM jusqu‟au site d'oxydation de QH2 dans le complexe III, où il est oxydé de nouveau pour former le Q. Les deux protons sont libérés dans l‟EIM et sont ensuite transférés au cytochrome c dans l‟EIM (Rich et Maréchal, 2010). La littérature a déterminé que les sous-unités les plus importantes du complexe III sont les cytochromes b et c1 et la

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protéine de Rieske qui est une protéine Fe-S. Elles ont une participation dans le transfert d'électrons et l‟accompagnement de la translocation des protons (Scheffler, 2008).

Complexe IV

Le complexe IV est généralement appelé cytochrome c oxydase, lequel s‟occupe de la réaction suivante:

4cyt c2+ + 4 H+ (s)entrer + 4 H+(p) entrer + O2 → 4 cyt c3+ + 4 H+(p)sortir + 2 H2O

Les évènements les plus importants de cette réaction sont en premier lieu, le cytochrome c oxydase qui catalyse le transfert des électrons du cytochrome c réduit et produit dans le complexe III, vers l‟oxygène (O2). Ces électrons sont libérés dans l‟EIM et donne comme résultat un transfert de quatre charges positives à travers la membrane. En deuxième lieu, la réduction de deux molécules d'eau requiert quatre transferts d‟électrons du cytochrome c, lequel est re-oxydé et associé à quatre protons qui sont captés de la matrice mitochondriale (Rich et Maréchal, 2010).

L'efficacité de la PHOSOX est déterminée par l‟efficacité du couplage des systèmes pour la production d‟ATP. Si la chaîne respiratoire de la mitochondrie pompe les protons hors de la membrane intérieure et que la synthèse d‟ATP est très efficace avec la conversion en ATP par le flux de proton, alors la mitochondrie produira le maximum d‟ATP pour un minimum d‟énergie consommée. Par contre, si l‟efficacité du pompage de proton est réduite, plus de protons seront nécessaires pour produire l‟ATP, alors chaque calorie consommée rapportera moins d‟ATP (Wallace, 2005).

Les mitochondries sont très actives pour la PHOSOX malgré leur état apparemment primitif ou sous-développé. Elles sont très importantes dans la compétence des ovocytes et les premiers stades du développement embryonnaire, car elles sont la source primaire de la production d'ATP (Dumollard et al., 2004; Van Blerkom, 2011). De plus, leur inactivité

53 peut limiter le potentiel de générer des dérivés réactifs de l'oxygène (DRO) au niveau où les stress oxydatifs pourraient compromettre la fonction mitochondriale ou peut-être même initier l'apoptose (Dumollard et al., 2004; Van Blerkom, 2011). Pendant la méiosedes ovocytes et le clivage des embryons, le nombre de mitochondries doit être suffisant pour produire de l‟ATP afin d‟éviter de perdre la compétence des ovocytes. De cette façon, il est démontré que l‟association spécifique entre les mitochondries et les microtubules en relation avec la PHOSOX semble être corrélée avec le potentiel individuel des blastomères (Cummins, 2004).

La fonction mitochondriale est aussi associée avec le contenu en ATP et les changements dans le métabolisme pendant les premiers clivages des embryons chez les bovins (Thompson et al., 1996; Stojkovic et al., 2001). La littérature scientifique a démontré que l‟activité mitochondriale est intimement liée aux changements du métabolisme des glucides chez les embryons de mammifères dans les premières étapes de développement. Pendant cette période, le cycle des acides tricarboxyliques, appelé aussi cycle de l'acide citrique (TCA), demeure la plus grande source des équivalents réducteurs en raison de la suppression de la glycolyse et de la voie des pentoses (Thompson et al., 1996; Cummins, 2004; Dumollard et al., 2009).

La glutamine, qui peut être transformée en glutamate et ensuite en α-cétoglutarate intermédiaire du cycle TCA, a été confirmée comme le substrat d‟énergie majeur pour la PHOSOX mitochondriale chez les embryons bovins jusqu‟au stade de morula (Rieger et

al., 1992; Thompson et al. 1996; Dumollard et al., 2009). Cela suggère que dans cette

période de changement du métabolisme oxydatif embryonnaire, la réduction de la glycolyse et la possible incapacité de métaboliser le pyruvate peuvent laisser des altérations dans le métabolisme mitochondrial et mener à l‟apoptose (Cummins, 2004). D‟autres substrats métaboliques tels que le lactate a aussi été confirmés comme substrat pour la production d‟ATP jusqu‟à l‟étape de morula. Après la compaction des morulas, la glycolyse et la phosphorylation oxydative mitochondriale sont les deux voies énergetiques principales et

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cela aboutit à une forte hausse de la consommation d'oxygène à l'étape de blastocyste (Dumollard et al., 2009).

L‟association entre la PHOSOX et l'activité mitochondriale confère aussi un rôle important aux mitochondries dans la régulation du potentiel rédox intracellulaire qui donnent l‟état de redox dans la cellule et le niveau oxydatif chez l'embryon (Dumollard et al., 2007). Cette association peut réguler la morphologie des mitochondries. Il est rapporté que la PHOSOX est associée à la présence de cristaux dans les mitochondries. Plusieurs études ont indiqué que la présence de crêtes sur les mitochondries était directement corrélée à une importante fonction mitochondriale, tandis que la faible présence de crêtes sur les mitochondries était corrélée à une baisse ou une altération de la fonction mitochondriale (Van Blerkom, 2009; Crocco et al, 2011).