La chaîne de transfert d'électrons des mitochondries des végétaux

1. Introduction

2. Caractéristiques générales des complexes protéiques de la chaîne respiratoire

3. Mécanismes du transfert des électrons

a. Le complexe I : NADH - coenzyme Q oxydoréductase

b. Le complexe II : succinate - coenzyme Q oxydoréductase

c. complexe III : coenzyme Q - cytochrome c oxydoréductase

d. Le complexe IV : cytochrome c oxydase

4. Enzymes supplémentaires spécifiques de la chaîne respiratoire chez les végétaux

a. Les NAD(P)H déshydrogénases interne et externe

b. L'oxydase alternative ou AOX

5. Bilan - résumé de la chaîne de transport d'électrons

6. Liens Internet et références bibliographiques

1. Introduction

La mitochondrie est limitée par deux membranes de propriétés très différentes :

• la membrane externe contient une protéine transmembranaire, la porine, qui permet le passage des ions et des métabolites hydrosolubles de masse molaire < 10.000 Da.

• la membrane interne très riche en protéines et quasiment impérméable aux ions et aux métabolites hydrosolubles.

La chaîne respiratoire ou chaîne de transport d'électrons (figure ci-contre) est localisée dans la membrane interne des mitochondries.

Chaque mitochondrie contient des milliers d'exemplaires de la chaîne de transport d'électrons.

Figure ci-dessous : représentation de la chaîne de transport d'électrons chez les végétaux

Elle contient des complexes supplémentaires par rapport aux animaux :

• les NAD(P)H déshydrogénases (NDin et NDex)
• l'oxydase alterne (Alt Ox)

Source : "Plant Physiology Online"

La chaîne respiratoire est un ensemble de complexes protéiques qui assurent un transfert de protons et/ou d'électrons comme le ferait "une équipe de rugby qui se passe le ballon".

Les caractéristiques des complexes protéiques sont les suivants :

Animaux

et

végétaux

NADH - coenzyme Q oxydoréductase

(complexe I)

succinate - coenzyme Q oxydoréductase

(complexe II)

Spécifiques

aux

végétaux

NAD(P)H déshydrogénases

oxydase alternative (AOX)

Animaux

et

végétaux

coenzyme Q - cytochrome c

oxydoréductase

(complexe III)

cytochrome c oxydase

(complexe IV)

a. Le complexe I : NADH - coenzyme Q oxydoréductase

Le complexe I catalyse le transfert de 2 électrons du NADH (formé au cours du cycle de Krebs) au coenzyme Q via la flavine mononucléotide et un ensemble de centres [Fe - S].

Source : "Principes de Biochimie " Horton et al. (1994)

• il capte un ion hydrure H⁺ et 2 électrons, issus du substrat SH2. 

• le second ion hydrure est libéré dans le milieu.

Source : "Principes de Biochimie " Horton et al. (1994)

Puis le complexe I catalyse la réduction de la flavine mononucléotide (FMN) par le (NADH + H⁺) selon les réactions :

De nombreuses protéines appelées flavoenzymes comportent un groupe prosthétique qui participe au mécanisme catalytique :

• la FMN (la partie en noir de la molécule ci-contre)
• la flavine adénine dinucléotide ou FAD (l'ensemble de la molécule)

Le centre réactionnel est un noyau aromatique tricyclique, l'isoalloxazine (la partie en rouge).

Source : "Principes de Biochimie" Horton et al. (1994)

Ces centres [Fe - S] cèdent à leur tour cet électron au coenzyme Q ou ubiquinone qui est réduit en passant par un intermédiaire semi-quinone (figure ci-contre) selon les réactions :

• une forme oxydée Q ou ubiquinone
• un radical libre Q.^- ou semiquinone
• une forme réduite QH₂ (ou ubiquinol)

Le coenzyme Q est une benzoquinone qui porte 4 substituants dont une longue chaîne hydrophobe. Cette particularité structurale lui confère une grande solubilité dans les lipides.

En conséquence les trois formes Q, Q.^- et QH₂ diffusent d'une face à l'autre de la membrane interne de la mitochondrie. Le coenzyme Q est un transporteur mobile de la chaîne respiratoire.

Source : "Principes de Biochimie" Horton et al. (1994)

Lors du transfert des électrons au sein du complexe I, 3 ou 4 protons (selon les données expérimentales) sont expulsés de la matrice vers l'espace intermembranaire.

b. Le complexe II : succinate - coenzyme Q oxydoréductase

Le complexe II accepte deux électrons du succinate et catalyse la réduction du coenzyme Q en QH₂, le succinate étant transformé en fumarate (c'est l'une des réactions du cycle de Krebs).

La réaction met en jeu le FAD, des centres [Fe - S] et le cytochrome b₅₆₀ attaché au complexe II.

Source figures : "Principes de Biochimie" Horton et al. (1994)

Le complexe II joue un rôle important puisque c'est par lui qu'entrent les électrons :

• du FADH₂ issu du cycle de Krebs
• porté par le (NADH + H⁺) formé lors de la glycolyse est transféré sous forme de FADH₂ dans la mitochondrie par des systèmes de "navette"

La variation d'énergie libre de la réaction est faible du fait d'une faible différence de potentiel de réduction entre les donneurs et les accepteurs d'électrons.

En conséquence, le complexe II ne contribue pas à l'expulsion de protons de la matrice vers l'espace intermembranaire.

c. Le complexe III : coenzyme Q - cytochrome c oxydoréductase

Le complexe III est constitué entre autre :

• d'un centre [Fe - S]
• du cytochrome b qui porte les groupes hème b₅₆₀ et b₅₆₆
• du cytochrome c₁

Les électrons sont cédés par le complexe III au cytochrome c (différent du cytochrome c₁) qui les amène au complexe IV.

Le trajet des électrons n'a été résolu que quand un trajet circulaire, appelé cycle Q (figure ci-contre), fût suggéré par Peter Mitchell puis détaillé entre autres par Bernard Trumpower.

Le coenzyme Q et QH₂ diffusent d'une face à l'autre de la membrane mitochondriale interne et l'ensemble des deux hèmes du cytochrome b occupe toute l'épaisseur de cette membrane.

Le cytochrome c est un autre transporteur mobile de la chaîne respiratoire.

Adapté de : "Principes de Biochimie" Horton et al. (1994)

Bilan du cycle Q : coenzyme QH₂ + 2 cyt c_ox + 2 H⁺ _mat ---> coenzyme Q + 2 cyt c_red + 2 H⁺ _eim

L'hème est un groupe prosthètique des cytochromes.

Il contient un atome de fer au sein d'un noyau porphyrine. L'atome de fer est lié à 4 atomes d'azote du noyau porphyrine.

Seul l'hème du cytochrome c est covalemment lié à des résidus cystéine via une liaison thioether (figure ci-contre).

Les hèmes des 3 classes de cytochrome (a, b, c) diffèrent légèrement au niveau des substituants du noyau porphyrine. Par exemple, l'hème du cytochrome a possède une longue chaîne farnesyle qui inclue 3 unités isoprènoides.

Source : "Electron Transfer Chain"

La variation d'énergie libre liée au parcours des électrons au sein du complexe III est légèrement plus faible que celle générée par le complexe I.

Cependant, le complexe III contribue à l'expulsion de (2 x 2) protons de la matrice vers l'espace intermembranaire.

d. Le complexe IV : cytochrome c oxydase

Le complexe IV est constitué entre autre :

• du cytochrome a qui porte les groupes hème b₅₆₀ et b₅₆₆
• du cytochrome a3
• de 2 atomes de cuivre Cu_A et Cu_B

Le complexe IV est le dernier de la chaîne de transport d'électrons : il catalyse la réduction de l'oxygène moléculaire en eau :

Les 4 électrons sont transferés un à un du cytochrome c au complexe IV.

L'ordre de transfert des électrons est donc : cyt c ---> Cu_A ---> hème a ---> [hème a3/Cu_B]

Quand les électrons traversent les cytochrome a et a3, les atomes de cuivre des hèmes changent d'état d'oxydation.

Les hèmes des cytochromes du complexe IV et les 2 atomes de cuivre Cu_A et Cu_B sont ligandés à des atomes d'azote de résidus histidine.

Source : "Mitochondrial Electron Transport Chain"

Le complexe IV expulse 2 protons de la matrice vers l'espace intermembranaire.

Par ailleurs, il contribue d'autant plus à la formation du gradient de concentration de protons que, du fait de la formation de molécule d'eau, il soustrait des protons de la matrice.

4. Enzymes supplémentaires spécifiques de la chaîne respiratoire chez les végétaux

a. Les NAD(P)H déshydrogénases interne et externe

La chaîne respiratoire des végétaux contient 2 NAD(P)H déshydrogénases supplémentaires, par rapport aux animaux :

• une NAD(P)H déshydrogénase Ca²⁺-dépendante interne : elle se trouve sur la face matricielle. Elle oxyde le NAD(P)H matriciel provenant du cycle de Krebs, lorsque celui-ci est trés élevé dans la matrice.

• une NAD(P)H déshydrogénase externe : elle est orientée vers le cytosol. Elle oxyde le NAD(P)H cytosolique : le NADH formé par la glycolyse et/ou le NADPH qui résulte de l'oxydation du glucose 6-phosphate par la voie des pentoses phosphates.

Ces 2 déshydrogénases constituent un contournement du complexe I et elles sont insensibles à la roténone (inhibiteur de ce complexe).

Par voie de conséquence, ces réoxydations se substituent aux systèmes de "navette" que l'on trouve chez les animaux.

Source figure : I. Moller (1997)

Les NAD(P)H déshydrogénases n'expulsent pas de protons puisqu'elles "court-circuitent" le premier site d'expulsion des protons (le complexe I).

b. L'oxydase alternative ou AOX

La chaîne respiratoire des végétaux possède une seconde oxydase terminale (contrairement aux animaux) : l'oxydase alternative ou AOX (insensible au cyanure).

Cette voie alternative transfère les électrons des quinones à l'oxygène et contourne ainsi 2 sites d'expulsion de protons. Par voie de conséquence, elle contribue peu (voire pas) à la production finale d'ATP.

L'AOX a pour rôle :

• d'oxyder rapidement les substrats respiratoires lorsque la charge énergétique est élevée (niveau d'ATP élevé)
• de réduire la production de molécules dérivées de l'oxygène trés réactives (radicaux libres)

En conditions normales, l'AOX est faiblement exprimée dans les mitochondries des végétaux. En revanche, son expression augmente en conditions de stress (froid, sécheresse, pathogènes, ...).

Figure ci-contre : structure et mode de régulation de l'AOX.

Adapté de : "Plant Physiology Online"

5. Bilan - résumé de la chaîne de transport d'électrons

La figure ci-dessous résume l'ensemble des réactions de la chaîne de transport d'électrons des mitochondries des végétaux.

Dans l'enchaînement des réactions d'oxydo-réduction qui ont lieu lors du transfert des électrons de l'ensemble de la chaîne de transport d'électrons , si l'on ne considère que :

• le premier donneur de protons et d'électrons (NADH + H⁺)
• le dernier accepteur d'électrons (l'oxygène moléculaire, O₂)

les deux demi-réaction rédox sont :

D'après la relation qui lie la différence de potentiel de réduction standard, ΔE°'_réaction, à la variation d'énergie libre standard, ΔG°'_réaction : 

Puisque la variation d'énergie libre standard de la synthèse de l'ATP est environ +30,5 kJ.mol^-1, la variation d'énergie libre standard liée à la réoxydation du (NADH + H⁺) devrait, en théorie, permettre la synthèse de : (220 kJ.mol^-1 / 30,5 kJ.mol^-1) = 7 molécules d'ATP par molécule de (NADH + H⁺) réoxydé.

En fait ce sont 3 molécules d'ATP qui sont synthétisées.

• en effet, le réel potentiel énergétique pour la synthèse d'ATP émane de la force proton motrice

• par ailleurs, c'est le retour des protons vers la matrice qui est le moteur de la machinerie de synthèse de l'ATP

• or il faut 3 protons pour synthétiser 1 molécule d'ATP et 10 protons ont été expulsés par paire d'électrons issus du (NADH + H⁺)