CHAPITRE I INTRODUCTION
I. 1.1 La mitochondrie : un générateur énergétique
I.1.1.2. Phosphorylation oxydative
L’oxydation phosphorylante (OXPHOS) ou phosphorylation oxydative est une série de réactions d’oxydoréduction des coenzymes réduits (NADH, H+ et FADH
2) couplée à la
phosphorylation d’adénosine diphosphate (ADP) en ATP (17). Elle a lieu dans la membrane interne des mitochondries et s’effectue au sein de cinq complexes protéiques (I, II, III, IV et V) (Figure 7, p. 16). Les quatre premiers complexes forment la chaîne respiratoire ou chaîne de transport d’électrons et le cinquième complexe est une ATP synthase, qui, comme son nom l’indique, est responsable de la synthèse d’ATP. La chaîne respiratoire comprend également deux petites molécules mobiles : le coenzyme Q (CoQ) ou ubiquinone, et le cytochrome c. Le CoQ permet le transport des électrons des complexes I et II vers le complexe III alors que le cytochrome c transfère les électrons du complexe III vers le complexe IV. De plus, les enzymes glycérol 3- phosphate déshydrogénease et l’ETF-Coenzyme oxydoréductase sont indispensables à l’OXPHOS et participent à l’entrée des électrons dans la mitochondrie. La phosphorylation oxydative joue un rôle fondamental dans la respiration cellulaire et permet la production de plus de 90% de l’énergie dans la majorité des cellules de l’organisme (17).
Figure 7. La chaîne respiratoire mitochondriale et l’ATP synthase.
Adaptée de Biochemistry 5th Edition, section 18.1, 2002 (17) et de DiMauro S., Biochim Biophys Acta, 1658, 80-88, 2004 (62). e- : électrons, H+ : protons, CoQ : Coenzyme Q, Cyt c :
cytochrome c, TCA cycle : cycle acide tricarboxylique, O2 : dioxygène, H2O : eau, ADP :
a. La chaîne de transport d’électrons
Les complexes I, II, III, et IV de la chaîne respiratoire comportent des systèmes d’oxydoréduction qui vont transférer les électrons des coenzymes réduits, NADH, H+ et
FADH2, vers l’oxygène (O2) (17). Le rôle de chaque complexe dans le transport des électrons
est décrit ci-dessous.
Le complexe I est formé de 45 sous-unités codées à la fois par l’ADNmt et l’ADNn (31). C’est une enzyme NADH-coenzyme Q-oxydoréductase qui possède une flavine mononucléotide (FMN) et six centres fer-soufre. Le complexe I catalyse l’oxydation du NADH,H+ en NAD+ via la FMN (17). C’est le premier point d’entrée dans la chaîne
respiratoire transférant les électrons du NADH, H+ sous forme d’ions hydrures H- au CoQ, le
réduisant en CoQH2 selon la réaction suivante :
NADH, H+ + CoQ NAD+ + CoQH 2.
Cette réaction d’oxydoréduction libère de l’énergie qui sert à pomper les protons H+ formés de
la matrice vers l’espace inter membranaire (17).
Le complexe II est formé de 4 sous-unités protéiques codées par l’ADNn. Il est aussi appelé succinate-coenzyme Q-oxydoréductase et est constitué d’une FAD et de trois centres fer-soufre. Il contient l’enzyme succinate déshydrogénase qui catalyse, en présence de FAD+,
l’oxydation du succinate en fumarate (17). Le complexe II est une composante du cycle de Krebs qui forme le deuxième point d’entrée des électrons dans la chaîne respiratoire. Il transfère les électrons du FADH2 au CoQ, par les centres fer-soufre, entraînant sa réduction en
CoQH2. Deux autres enzymes, la glycérol 3-phosphate déshydrogénase et l’ETF-Coenzyme Q
Cette réaction du complexe II ne libère pas suffisamment d’énergie pour le pompage de protons :
FADH2 + CoQ FAD + CoQH2.
Le complexe III est constitué de 11 sous-unités dont une seule est codée par l’ADNmt (49). Ce complexe ou coenzyme Q-cytochrome c-oxydoréductase contient les cytochromes b et c1 ainsi qu’un centre fer-soufre (17, 49). L’enzyme ubiquinol-cytochrome c-oxydoréductase catalyse l’oxydation du CoQH2 et transfère les électrons, un par un, au cytochrome c ferrique
Fe3+ le réduisant en cytochrome c ferreux Fe2+ selon la réaction suivante :
CoQH2 + cytochrome c Fe3+ CoQ + cytochrome c Fe2+
Cette réaction libère suffisamment d’énergie pour permettre le transfert de protons H+ de la
matrice vers l’espace inter membranaire (17).
Le complexe IV ou cytochrome c oxydase (COX) est composé de 13 sous-unités (17,
68). Les premières sous-unités (COX1, COX2 et COX3) forment la partie catalytique du complexe et sont codées par l’ADNmt alors que les 10 autres sous-unités (COX4, COX5A, COX5B, COX6A, COX6B, COX6C, COX7A, COX7B, COX7C et COX8) sont codées par l’ADNn (68). Ce complexe possède également deux atomes de cuivre et deux atomes de fer. La COX catalyse l’oxydation du cytochrome c ferreux Fe2+ et les électrons libérés servent à
réduire une molécule d’O2 pour former, dans la matrice, une molécule d’eau selon la réaction
suivante :
Cytochrome c Fe2+ + 12 O
2 cytochrome c Fe3+ + H2O.
La consommation d’O2 ou respiration constitue l’étape finale du transport des électrons et
libère suffisamment d’énergie pour le pompage de protons H+ vers l’espace inter membranaire
Les conséquences métaboliques d’une mutation affectant la chaîne respiratoire diffèrent selon le complexe mitochondrial qui est dysfonctionnel. Par exemple, le métabolisme du glucose génère essentiellement du NADH, H+ qui entre dans la chaîne respiratoire par le
complexe I (17). L’oxydation des acides gras par contre génère, en plus du NADH, H+, une
quantité importante de FADH2. Ce dernier entre dans la chaîne mitochondriale par le
complexe II (17). Chaque molécule de NADH, H+ génère 2,5 molécules d’ATP, tandis qu’une
molécule de FADH2 formée et oxydée par la chaîne mitochondriale donne 1,5 molécule
d’ATP, ce qui est non négligeable (17). Ainsi, dans certaines maladies mitochondriales avec un déficit du complexe I, les acides gras constituent une bonne source énergétique alternative. Notamment, la diète cétogène riche en gras se montre bénéfique pour les patients épileptiques avec une déficience du complexe I (23).
b. La synthèse d’ATP
La synthèse de l’ATP est une réaction énergétique basée sur la phosphorylation de l’ADP en ATP (17). Comme mentionnée précédemment, le flux d’électrons à travers les complexes de I à IV s’accompagne d’un déplacement de protons H+ de la matrice vers l’espace
inter membranaire créant un gradient électrochimique. L’énergie contenue dans ce gradient est libérée lorsque les protons passent de l’espace inter membranaire à la matrice et est couplée à la synthèse d’ATP. Ces réactions sont catalysées par le complexe V ou l’ATP synthase, une enzyme transmembranaire constituée de deux modules : le module FO qui permet le retour des ions H+ dans la matrice et le module F1 qui contient le site catalytique de phosphorylation de
l’ADP (17). Le complexe V est constitué de 16 sous-unités. Deux des sous-unités du module FO sont codées par l’ADNmt alors que les autres sous-unités sont codées par l’ADNn (17,
La synthèse d’ATP se fait selon la réaction suivante : ADP3- + HPO
42- + H+ ↔ ATP4- + H2O.