Phosphorylation oxydative

Le NADH+H+ permet la génération de deux électrons via le complexe I NADH hydrogénase alors que le FADH2 sert à la SDH du complexe II pour réduire l’ubiquinone coenzyme Q10 en ubiquinol CoQH2. Les électrons transférés à l’ubiquinol CoQH2 par le complexe I et le complexe II passent ensuite par le complexe III, le cytochrome c, le complexe IV/cytochrome c oxydase et enfin l’oxygène pour générer de l’H2O (Figure 13) (116). De l’énergie est produite au cours du passage des électrons dans la chaîne. Celle-ci sert à expulser les protons à travers la membrane interne mitochondriale via les complexes I, III et IV. Cela établit un gradient électrochimique de protons avec un espace intermembranaire mitochondrial acide et positif opposé à une matrice basique et négative. Le potentiel d’énergie accumulé par ce gradient peut servir à différents processus : la génération de chaleur, l’import de protéines dans la mitochondrie, l’import de calcium ou la synthèse d’ATP dans la matrice mitochondriale (117). L’ATP matriciel est échangé par de l’ADP au niveau des transporteurs ANT (adenine nucleotide translocators) de la membrane interne mitochondriale. L’efficacité de couplage est maximale quand la sortie de protons est équivalente à son entrée pour la production d’ATP. En pratique, elle est rarement égale à 100%. Il existe des protéines découplantes (UCP1, 2 et 3) qui rendent la membrane plus perméable à cette fuite de protons. Elles conduisent à une activité de la chaine respiratoire maximale mais pas calée sur la production d’ATP. Cela entraine la dissipation de l’énergie par la chaleur, mais peut aussi influencer la génération des ROS, l’accumulation de calcium et la sensibilité à la mort cellulaire (117).

Les complexes de la chaine respiratoire, tous multiprotéiques, sont majoritairement codés par des gènes nucléaires (même si pour certains probablement mitochondriaux à l’origine) et par des gènes mitochondriaux (Figure 13). Le complexe I se compose de 45 protéines dont 7 codées par l’ADNmt, le complexe II comprend 4 protéines, le complexe III en compte 11 dont une mitochondriale, le complexe IV est constitué de 13 protéines dont trois provenant de l’ADNmt et enfin le complexe V est formé par 16 protéines dont 2 mitochondriales (3). Les quatre complexes qui transportent les électrons sont aussi ceux pour qui au moins une protéine est codée par l’ADNmt. Cela prévient notamment la recombinaison homologue nucléaire et permet leur co-évolution au niveau de l’ADNmt transmis par les mitochondries d’un seul parent (la mère chez la plupart des animaux). Cette co-évolution est la garante d’un couplage de la chaîne le plus efficace possible (116).

Figure 13 : Origine génétique et interactions fonctionnelles des complexes de l’OXPHOS

Le système OXPHOS est constitué de 5 complexes multiprotéiques qui résident dans la membrane mitochondriale interne (MIM), délimitant la matrice. L’espace intermembranaire (IMS) et la membrane mitochondriale externe (MOM) sont situés de l’autre côté. Les sous-unités des complexes CI, CIII, CIV et CV sont codées par l’ADN mitochondrial (rouge) et l’ADN nucléaire (bleu) alors que le CII est uniquement constitué de sous-unités d’origine nucléaire. La biogenèse de l’OXPHOS est médiée par des facteurs d’assemblages codés par l’ADN nucléaire. Les protéines codées au noyau sont importées dans la matrice via les complexes TOM (translocator of the inner membrane) et TIM (translocator of the inner membrane). Au niveau du CI et CII, le NADH et le FADH2 sont oxydés et les électrons libérés sont alors transportés vers le CIII par la coenzyme Q10 (CoQ10). Ensuite, les électrons sont transportés jusqu’au CIV par le cytochrome c et transférés à l’oxygène. Les CI à CIV constituent la chaine de transport électronique (ETC). L’énergie issue de ce transport est utilisée pour expulser des protons de la matrice mitochondriale à travers la MIM. Cela établit la force proton-motrice associée à un potentiel mitochondrial négatif et un pH augmenté dans la matrice. Ce flux contrôlé de protons est utilisé par le CV pour la production d’ATP. D’après WJH Koopman, EMBO J, 32, 9-29, 2013.

131 L’organisation des complexes respiratoires dans la membrane interne mitochondriale a été très débattue par les spécialistes de la phosphorylation oxydative. Dans le premier modèle, il avait été proposé que les complexes respiratoires étaient entassés proches les uns des autres afin d’optimiser le transport électronique. Puis progressivement cette théorie avait été abandonnée au profit du modèle de collision aléatoire ou fluidique (118). Dans ce modèle, les complexes constituent des entités distinctes entre lesquelles naviguent le cytochrome c et la coenzyme Q (CoQ). En 2000, la découverte d’assemblages supramoléculaires des complexes chez la levure et le bœuf a permis de revisiter ces théories (119). Chez les mammifères, ces structures baptisées supercomplexes sont composées des trois complexes responsables du gradient de protons : le complexe I, le complexe III et le complexe IV. Le complexe II en est exclu, peut-être car il est aussi nécessaire au cycle de Krebs et doit donc rester géographiquement accessible pour cette autre fonction (Figure 14).

Figure 14 : Structures des supercomplexes et des dimères d’ATP synthase

Le modèle de plasticité de la chaine de transport électronique mitochondriale est représenté en haut de la figure. Les complexes I à IV sont partiellement organisés en supercomplexes, à l’exception du CII qui fournit des électrons au complexe III libre. Les flèches rouges montrent le circuit des électrons. En jaune, le CI, en rouge, le CII, en vert le CIII, en mauve, le CIV et en bleu, le CV. Le cytochrome c est représenté en violet et l’ubiquinol est noté Q.

Dessous, l’arrangement du supercomplexe I, III, IV est schématisé d’après les images de cryoEM. Les co-facteurs sont indiqués ainsi que les domaines Fe/S et hème.

Les ATP synthases dimériques ont des structures similaires dans différents organismes comme le prouvent les analyses de microscopie électronique. Images du dimère d’ATP synthase de S.cerevisiae (b) et de Tetrahymena (c) avec les modélisations associées.

Les complexes I, III et IV ne seraient pas les seuls complexes à s’associer en structures supra-moléculaires. Les ATP synthases peuvent s’associer en dimères qui forment ensuite des chaines oligomériques dans les courbes des crêtes mitochondriales (les supercomplexes seraient quant à eux sur la surface plate des crêtes) (Figure 14). Les dimères de l’ATP synthase spontanément courbés entraineraient ainsi la courbure de la membrane interne mitochondriale (120). La dimérisation de l’ATP synthase n’a pas été retrouvée ailleurs que chez les eucaryotes, renforçant l’idée d’un rôle fonctionnel pour les crêtes. Les sous-unités 4e et 4g responsables de la dimérisation sont d’ailleurs codées par l’ADN nucléaire. Cette répartition des ATP synthases au fond de crêtes et des supercomplexes sur les bords pourrait permettre de concentrer les protons vers la synthèse d’ATP.

Les supercomplexes existent sous différentes configurations et stœchiométries en fonction de la cellule, de son état et de l’organisme concerné. Ils ont été observés dans plusieurs règnes eucaryotes malgré la distance phylogénétique qui sépare leurs constituants. Ces associations sont très stables car il est possible de les isoler sans dégradation majeure à partir de membranes mitochondriales (121). On peut distinguer au moins trois associations des complexes: I + III2 ; III2 + IV1-2 et I + III2 + IV1-4. La dernière contient jusqu’à 4 copies du complexe IV et a été nommé respirasome car elle fournit la force proton-motrice de la respiration en un complexe unique. Le complexe III réside dans l’arc du bras du complexe I tandis que le complexe IV est attaché à la pointe de la NADH déshydrogénase du complexe I. Chez la levure, qui ne possède pas de complexe I, l’organisation est forcément différente mais il subsiste une interaction entre le complexe III et IV (118). Le complexe IV n’y est d’ailleurs retrouvé qu’organisé en supercomplexe car aucun monomère ou dimère simple n’a pu être détecté chez cette espèce. Il reste entre les complexes de l’espace qui est comblé par des lipides tels que la cardiolipine notamment responsable de la stabilité de ces supercomplexes. Par spectrométrie de masse, 8 molécules de cardiolipine ont été retrouvées associées au complexe III et deux molécules de cardiolipine au complexe IV (120). Ces lipides favoriseraient la diffusion du cytochrome c et de la CoQ. Des protéines ont aussi été identifiées comme régulatrices de la stabilité ou de la formation des supercomplexes. C’est le cas de la sous-unité 7a de la cytochrome c oxydase (renommée SCAFI, supercomplexe assembly factor I), du transporteur ADP/ATP AAC2 ou de RCF1 (et RCF2 chez la levure). La chaperonne MCJ/DnaJC15 régule par contre négativement cet assemblage via son action sur le complexe I. La morphologie des crêtes mitochondriales contrôlerait également la formation des supercomplexes car la perturbation de ces structures empêche l’assemblage, la stabilité et le fonctionnement des supercomplexes (118). Les années à venir permettront sans doute d’identifier plus précisément les protéines et les mécanismes impliqués dans l’organisation de ces complexes.

133 Une autre question fondamentale concerne la ou les fonctions de ces supercomplexes respiratoires. La proposition logique est de penser que cette organisation optimise le transport d’électrons via la canalisation des substrats ou l’augmentation de leur catalyse. Quelques preuves de ces bénéfices supposés ont été apportées. Mais les supercomplexes pourraient aussi servir de réserve de complexes respiratoires dans la membrane ou même avoir un rôle structural dans la morphologie mitochondriale. Par ailleurs, les supercomplexes constitueraient un niveau supplémentaire de régulation métabolique (121). L’association en supercomplexes serait favorisée quand le glucose est le substrat énergétique principal de la cellule alors qu’elle serait diminuée quand ce sont les acides gras. En effet, ces derniers génèrent plus de FADH2 que le glucose et nécessitent donc une utilisation du complexe II plus que du I. Le complexe III doit donc aussi être disponible pour ces électrons en plus grande quantité, venant du complexe II.

L’organisation en supercomplexes pourrait aussi mieux séquestrer les intermédiaires réactionnels et diminuer les pertes d’électrons pour prévenir la génération d’espèces réactives de l’oxygène. En accord avec cette hypothèse, il a été montré que la génération de ROS par le complexe I était augmentée en absence de supercomplexes (118). Cela pourrait être en rapport avec une autre fonction des supercomplexes démontrée au moins pour le complexe I : celle de facteur d’assemblage des sous-unités d’un complexe respiratoire. La stabilité de ce complexe est grandement diminuée en l’absence de respirasome. Les délétions du complexe III ou IV conduisent à sa dissociation. Les mécanismes impliqués restent néanmoins controversés : soit le supercomplexe permettrait de terminer l’assemblage d’un complexe I immature, soit son absence conduirait à une augmentation des ROS auxquels le complexe I est très sensible, ce qui perturberait son assemblage et sa fonction. De plus, la délétion du facteur d’assemblage NDUFS4 du complexe I conduit à la diminution de la stabilité et l’activité de ce complexe. La fraction résultante est uniquement retrouvée dans les supercomplexes, ce qui est en faveur d’un rôle des supercomplexes dans la stabilité de ce complexe. D’ailleurs, dans le possible ancêtre procaryote de la mitochondrie, Paracoccus denitrificans, le complexe I est stabilisé par le respirasome (118). Par contre, une étude a démontré que l’assemblage des complexes individuels précède celui des supercomplexes et que l’association du complexe III au complexe I permet seulement à ce dernier d’être stocké et stabilisé. La difficulté de l’étude de ce système réside dans le fait que l’altération des supercomplexes pourrait être causée par l’augmentation des ROS et vice versa.