La Phosphorylation Oxydative Mitochondriale

La phosphorylation oxydative (ou OXPHOS) est la voie métabolique dans laquelle les cellules utilisent des enzymes pour catalyser l’oxydation les substances nutritives, libérant ainsi l’énergie nécessaire pour reformer l’ATP. Dans la plupart des eucaryotes, la phosphorylation oxydative se déroule à l’intérieur des mitochondries chez presque tous les organismes aérobies. Cette voie est nécessaire car c’est un moyen très efficace pour générer de l’énergie, par rapport à d’autres processus de fermentation tels que la glycolyse anaérobie.

File:Chaîne de transport des électrons mitochondriale.svg

Au cours de la phosphorylation oxydative, les électrons sont transférés de donneurs d’électrons aux accepteurs d’électrons tels que l’ oxygène, via des réactions d’oxydoréduction. Ces réactions d’ oxydoréduction libèrent de l’énergie qui est utilisée pour former l’ATP. Chez les eucaryotes, ces réactions d’oxydoréduction sont produites par une série de complexes protéiques situés dans la membrane interne de la mitochondrie de la cellule, alors que, dans les procaryotes , ces protéines se trouvent dans l’espace intermembranaire des cellules. Comme ces ensembles protéiques sont liés, ils sont appelés chaînes de transport d’électrons. Chez les eucaryotes, cinq grands complexes de protéines sont impliquées (figure: Complexes de la chaine respiratoire), alors que chez les procaryotes des enzymes différentes sont présentes qui utilisent une variété différente de donneurs et d’accepteurs d’électrons.

Complexes de la chaine respiratoire
Complexes de la chaine respiratoire

L’énergie libérée par les électrons circulant à travers cette chaîne de transport est utilisée pour le transport des protons à travers la membrane mitochondriale interne, ce processus est appelé le transport des électrons . Ceci génère une énergie potentielle sous forme d’un gradient de pH et d’un potentiel électrique à travers cette membrane.

Cette réserve d’énergie est exploitée pour permettre aux protons de refluer à travers la membrane contre le gradient à travers une grande enzyme appelée ATP synthase; ce processus est connu sous le nom chimiosmose. Cette enzyme utilise de l’énergie pour produire de l’ATP à partir de l’ dénosine diphosphate (ADP) par la réaction de phosphorylation. Cette réaction est entraînée par le flux de protons, ce qui force la rotation d’une partie de l’enzyme; l’ATP synthase est un moteur mécanique rotatif.

Bien que la phosphorylation oxydative soit une partie essentielle du métabolisme, elle produit des espèces réactives de l’oxygène (ERO) telles que le superoxyde et le peroxyde d’hydrogène , qui conduisent à la formation des radicaux libres, endommageant les cellules et contribuent à diverses pathologies, éventuellement, le vieillissement (sénescence). Les enzymes qui effectuent cette voie métabolique sont également la cible de nombreux médicaments et des poisons qui inhibent leurs activités.

La Chaîne de transport d’électrons

Eucaryotes

De nombreux processus biochimiques cataboliques, comme la glycolyse, le cycle de l’ acide citrique et de bêta – oxydation, produisent de la coenzyme réduit NADH. Cette coenzyme contient des électrons à fort potentiel de transfert; ces électrons vont libérer une grande quantité d’énergie lors de l’oxydation. Cependant, la cellule ne libère pas cette énergie à la fois, ce qui serait une réaction incontrôlable. Au lieu de cela, les électrons sont retirés de NADH et transmis à l’ oxygène à travers une série d’enzymes qui libèrent chacun une petite quantité de l’énergie. Cet ensemble d’enzymes, comprenant des complexes I à IV, est appelé la chaîne de transport d’électrons et se trouve dans la membrane interne de la mitochondrie. Le Succinate est également oxydé par la chaîne de transport d’électrons, mais alimente la chaine à travers une voie différente.

Dans les eucaryotes, les enzymes de ce système de transport d’électrons utilisent l’énergie libérée par l’oxydation du NADH pour pomper les protons à travers la membrane mitochondriale interne. Cela conduit à l’accumulation des protons  dans l’espace intermembranaire, et génère un gradient électrochimique à travers la membrane. L’énergie stockée dans ce potentiel est ensuite utilisée par l’ATP synthase pour produire de l’ATP. La Phosphorylation oxydative dans la mitochondrie de la cellule eucaryote est l’exemple le mieux compris de ce processus. La mitochondrie est présente dans presque tous les eucaryotes, à l’exception de protozoaire anaérobie tels que Trichomonas vaginalis qui réduisent les protons en hydrogène dans une organelle ayant une structure proche de la  mitochondrie appelée hydrogénosome [1]Boxma B, de Graaf RM, van der Staay GW, van Alen TA, Ricard G, Gabaldón T, van Hoek AH, Moon-van der Staay SY, Koopman WJ, van Hellemond JJ, Tielens ...continue.

Les enzymes typiques de la chaîne respiratoire et leurs substrats chez les eucaryotes [2]Medical CHEMISTRY Compendium. By Anders Overgaard Pedersen and Henning Nielsen. Aarhus University. 2008.
enzyme respiratoire Redox paire potentiel Midpoint(Volts)
NADH déshydrogénase NAD + / NADH -0.32
la succinate déshydrogénase FMN ou FAD / FMNH 2 ou FADH 2 -0.20
Bc Cytochrome 1 complexe Coenzyme Q10 ox / Coenzyme Q10 rouge 0,06
Bc Cytochrome 1 complexe Cytochrome b ox / cytochrome b rouge 0,12
Complexe IV Cytochrome c ox / Cytochrome c rouge 0,22
Complexe IV Cytochrome un boeuf / Cytochrome un rouge 0,29
Complexe IV O 2 / HO 0,82
Conditions: pH = 7

NADH déshydrogénase  (complexe I) 

Complexe I NADH déshydrogénase

Le Complexe I ou NADH déshydrogénase est la première protéine dans la chaîne de transport d’électrons [3]Hirst J (2005). « Energy transduction by respiratory complex I–an evaluation of current knowledge »(PDF). Biochem. Soc. ...continue. Le complexe I est une enzyme géante. Chez les mammifères le complexe I est composé de 46 sous-unités et une masse moléculaire d’environ 1000 kDa [4]Lenaz G, Fato R, Genova ML, Bergamini C, Bianchi C, Biondi A (2006). « Mitochondrial Complex I: structural and functional ...continue. La structure a été décrite en détail suivant une étude sur une bactérie [5]Sazanov LA, Hinchliffe P (2006). « Structure of the hydrophilic domain of respiratory complex I from Thermus thermophilus ». ...continue[6]Efremov R.G., Baradaran R., & Sazanov L.A., (2010) The arcdhitecture of respiratory complex I, Nature 465, 441-445. Dans la plupart des organismes, ce complexe ressemble à une botte avec une grande « boule » qui pointe vers l’intérieur de la mitochondrie [7]Baranova EA, Holt PJ, Sazanov LA (2007). « Projection structure of the membrane domain of Escherichia coli respiratory complex I at 8 A ...continue [8]Friedrich T, Böttcher B (2004). « The gross structure of the respiratory complex I: a Lego System ». Biochim. Biophys. Acta. ...continue. Les gènes qui codent pour les sous-unités de ce complexe sont situés dans noyau cellulaire et le génome mitochondrial, comme cela est le cas pour de nombreuses enzymes présentes dans la mitochondrie.

Cette enzyme catalyse l’oxydation à deux électrons du NADH par le co – enzyme Q10 ou ubiquinone (représenté par Q dans l’équation ci – dessous), un lipide soluble dans quinones que l’ on trouve dans la membrane mitochondriale:

Le début de la réaction (début de la chaîne électronique entière) est la liaison d’une molécule de NADH au complexe I et la libération de deux électrons. Les électrons entrent dans le complexe I par l’ intermédiaire d’ un groupe prosthétique attaché au complexe, la flavine mononucléotide (FMN). L’ajout d’électrons à la FMN la convertit en sa forme réduite, FMNH 2. Les électrons sont ensuite transférés à travers une série de groupes fer-soufre : Le second type de groupe prosthétique présent dans le complexe I.  Il y a deux amas [2Fe-2S] et [4Fe-4S] fer-soufre incorporés dans le complexe I.

Comme les électrons passent à travers ce complexe, quatre protons sont pompés à partir de la matrice dans l’espace intermembranaire. Expliquer exactement comment cela se produit est difficile, mais il semble que ce mécanisme  implique des changements conformationnels dans le complexe I qui conduisent à liaison de la protéine aux protons sur l’extrémité N-terminale de la membrane et de les libérer à côté de l’extrémité P de la membrane [9]Hirst J (January 2010). « Towards the molecular mechanism of respiratory complex I ». Biochem. J. 425 (2): 327–39. . Par la suite, les électrons sont transférés à une molécule d’ubiquinone située dans la membrane [10]Hirst J (2005). « Energy transduction by respiratory complex I–an evaluation of current knowledge »(PDF). Biochem. Soc. ...continue. La réduction de l’ubiquinone contribue également à la génération d’un gradient de proton, par la liaison à deux protons et formation de l’ubiquinol (QH2 ).

Succinate Déshydrogénase (complexe II)

Succinate Déshydrogénase (complexe II)
La succinate déshydrogénase , également connu comme complexe II, le deuxième point de la chaîne de transport d’électrons [11]Cecchini G (2003). « Function and structure of complex II of the respiratory chain ». Annu. Rev. Biochem. 72: 77–109. . C’est la seule enzyme qui fait partie à la fois du cycle de l’ acide citrique et la chaîne de transport d’électrons. Le complexe II se compose de quatre sous – unités protéiques et qui contient un site pour la flavine adénine dinucléotide (FAD) , un cofacteur, un amas fer-soufre et un groupe hème qui ne participe pas au transfert d’électrons à la coenzyme Q, mais il est considéré comme important pour réduire la production d’espèces réactives d’oxygène [12]Yankovskaya V, Horsefield R, Törnroth S, Luna-Chavez C, Miyoshi H, Léger C, Byrne B, Cecchini G, Iwata S, et al. (2003). « Architecture ...continue [13]Horsefield R, Iwata S, Byrne B (2004). « Complex II from a structural perspective ». Curr. Protein Pept. Sci. 5 (2): 107–18. . Elle oxyde le succinate en fumarate et réduit l’ubiquinone. Comme cette réaction dégage moins d’énergie que l’oxydation du NADH, le complexe II ne transporte pas des protons à travers la membrane , et ne contribue pas au gradient de protons.

Dans certains eucaryotes, tels que le parasite suum Ascaris, une enzyme similaire au complexe II, fumarate réductase (menaquinol: fumarate oxydoréductase, ou QFR) fonctionne en sens inverse pour oxyder l’ubiquinol et réduire le fumarate. Ceci permet à ce parasite de survivre dans un environnement anaérobie dans le gros intestin , la  phosphorylation oxydative est faite en anaérobie avec le fumarate comme accepteur d’électrons [14]Kita K, Hirawake H, Miyadera H, Amino H, Takeo S (2002). « Role of complex II in anaerobic respiration of the parasite mitochondria from ...continue.  Une autre fonction inhabituelle du complexe II est observée dans le parasite de la malaria Plasmodium falciparum . Ici, l’action inverse du complexe II comme une oxydase est importante dans la régénération de l’ubiquinol utilisé par ce parasite pour la biosynthèse  de la pyrimidine [15]Painter HJ, Morrisey JM, Mather MW, Vaidya AB (2007). « Specific role of mitochondrial electron transport in blood-stage Plasmodium ...continue.

Le transfert d’électrons et la flavoprotéine déshydrogénase

L’ETF-Q oxydoréductase, également connu sous le nom de flavoprotéine déshydrogénase , est le troisième point de la chaîne de transport d’électrons. Cette enzyme accepte les électrons provenant de la flavoprotéine de transfert d’électrons dans matrice mitochondriale, et utilise ces électrons pour réduire l’ubiquinone. Cette enzyme contient une flavine et un structure [4Fe-4S], mais, contrairement aux autres complexes respiratoires, elle se fixe à la surface de la membrane et ne traverse pas la double couche lipidique [16]Zhang J, Frerman FE, Kim JJ (2006). « Structure of electron transfer flavoprotein-ubiquinone oxidoreductase and electron transfer to the ...continue.

Chez les mammifères, cette voie métabolique est importante dans la bêta-oxydation des acides gras et le catabolisme des acides aminés et de la choline , dans la mesure où cette enzyme accepte des électrons provenant de plusieurs acétyl-CoA déshydrogénases.  Dans les plantes, la flavoprotéine déshydrogénase joue un rôle aussi important dans les réponses métaboliques qui leur permettent la survie dans des périodes prolongées d’obscurité [17]Ishizaki K, Larson TR, Schauer N, Fernie AR, Graham IA, Leaver CJ (2005). « The critical role of Arabidopsis electron-transfer ...continue.

Cytochrome c Réductase (complexe III)

Les deux étapes de transfert d’électrons dans le complexe III: cytochrome C réductase . Après chaque étape, Q (dans la partie supérieure de la figure) quitte l’enzyme.
Le cytochrome c réductase ou complexe cytochrome bc1 , ou tout simplement complexe III . Chez les mammifères, cette enzyme est un dimère , chaque monomère contient 11 sous – unités de protéine, un pont [2Fe -2S] et trois cytochromes : un cytochrome c 1 et deux cytochromes b .  Un cytochrome est une sorte de protéine de transfert d’électrons contenant au moins un groupe hème. Les atomes de fer à l’intérieur des groupes hèmes du complexe III peuvent se trouver sous forme réduite de fer ferreux (+2) et ferrique oxydée (+3) lorsque les électrons sont transférés à travers cette protéine.

La réaction catalysée par le complexe III est l’oxydation d’une molécule d’ubiquinol et la réduction de deux molécules de cytochrome c, une protéine hème associée à la mitochondrie. Contrairement au coenzyme Q, qui possède deux électrons, cytochrome c en possède un seul.

Puisque qu’un seul électron ne peut être transféré du QH2 donneur au cytochrome c accepteur, le mécanisme réactionnel du complexe III est mieux élaborée que celui des autres complexes de la chaîne respiratoire, et se produit en deux étapes appelées le cycle Q [18]Trumpower BL (1990). « The protonmotive Q cycle. Energy transduction by coupling of proton translocation to electron transfer by the ...continue.

File:Complex III.png

Dans la première étape, l’enzyme se lie à trois substrats, en premier lieu , QH2 , qui est ensuite oxydée, un électron s’arrache et va être transmis au deuxième substrat, le cytochrome c. Les deux protons libérés de QH2 passent dans l’espace intermembranaire. Le troisième substrat est Q, qui accepte le deuxième électron de la QH2 et sera réduit en Q.− , c’est le radical libre Ubisemiquinone. Les deux premiers substrats sont libérés, cependant, l’ubisemiquinone intermédiaire reste lié.

Dans la seconde étape, une seconde molécule d’QHpasse à nouveau son premier électron au cytochrome c accepteur. Le second électron est transmis à l’ubisemiquinone, la réduisant à QH2  ; les deux atomes d’hydrogène viennent des protons de la matrice mitochondriale. Le QH2 est alors libéré de l’enzyme [19]Hunte C, Palsdottir H, Trumpower BL (2003). « Protonmotive pathways and mechanisms in the cytochrome bc1 complex ». FEBS Lett. ...continue.

Puisque le coenzyme Q est réduit en ubiquinol sur la face interne de la membrane et oxydé en ubiquinone sur la face opposée, un transfert de protons à travers la membrane se produit,et d’ajoute au gradient de protons de part et d’autre de la membrane interne[20]Schultz BE, Chan SI (2001). « Structures and proton-pumping strategies of mitochondrial respiratory enzymes ». Annu Rev Biophys ...continue. Le mécanisme à deux étapes par lequel cela se produit est important, car il augmente l’efficacité du transfert de protons. Si, au lieu du cycle Q, une molécule d’QH2 a été utilisé pour réduire directement les deux molécules du cytochrome c, l’efficacité serait réduite de moitié, avec seulement un proton transféré par le cytochrome c réduit [21]Schultz BE, Chan SI (2001). « Structures and proton-pumping strategies of mitochondrial respiratory enzymes ». Annu Rev Biophys ...continue.

La Cytochrome c oxydase (Complexe IV)

Complexe IV: cytochrome c oxydase.
La Cytochrome c oxydase , également connue sous le complexe IV , est le dernier complexe protéique de la chaîne de transport d’électrons [22]Calhoun MW, Thomas JW, Gennis RB (1994). « The cytochrome oxidase superfamily of redox-driven proton pumps ». Trends Biochem. ...continue. Chez les mammifères cette enzyme de possède une structure extrêmement complexe et contient 13 sous-unités, deux groupes hème, ainsi que plusieurs cofacteurs (ions métalliques) – en tous trois atomes de cuivre,  un magnésium et un zinc [23]Tsukihara T, Aoyama H, Yamashita E, Tomizaki T, Yamaguchi H, Shinzawa-Itoh K, Nakashima R, Yaono R, Yoshikawa S (1996). « The whole ...continue.

Structure

C’est une grande protéine membranaire composée de plusieurs site prosthétiques contenant des métaux et 14 [24]Balsa E, Marco R, Perales-Clemente E, Szklarczyk R, Calvo E, Landázuri MO, Enríquez JA (September 2012). « NDUFA4 is a subunit of ...continuesous – unités protéiques chez les mammifères. Chez les mammifères, 11 sous – unités sont d’origine nucléaire, et trois sont synthétisées dans les mitochondries. Le complexe contient deux hèmes , un cytochrome a et cytochrome a3 , et deux centres de cuivre, les CuA et CuB. [25]Tsukihara T, Aoyama H, Yamashita E, Tomizaki T, Yamaguchi H, Shinzawa-Itoh K, Nakashima R, Yaono R, Yoshikawa S (August 1995). ...continueEn fait, le cytochrome a3 et CuB forment un centre binucléaire qui est le site de réduction de l’oxygène. Le Cytochrome c , qui est réduit par le complexe qui le précède dans la chaîne respiratoire (complexe bc1 du cytochrome complexe III), se positionne près du centre binucléaire CuA et lui transmet un électron en s’oxydant en retour en cytochrome c au Fe 3+ (ferrique) . Le centre binucléaire Cu réduit A  passe à présent un électron au cytochrome a, qui transmet à son tour un électron sur le cytochrome a 3 – centre binucléaire Cu B . Les deux ions métalliques dans ce centre binucléaire sont de 4,5 Å à part et forme une liaison de coordination avec un ion hydroxyde dans son état complètement oxydé.

Des études cristallographiques de la cytochrome c oxydase montrent une modification post-traductionnelle inhabituelle, reliant C6 de Tyr (244) et l’ε-N de l’His (240) (numérotation de l’enzyme bovine). Elle joue un rôle essentiel pour permettre au cytochrome a 3 – centre binucléaire Cu B  d’accepter quatre électrons dans la réaction de réduction moléculaire de l’oxygène à l’eau . Le mécanisme de la réduction était autrefois considéré qu’il impliquait une peroxyde intermédiaire, que l’ on croyait conduire à la production de superoxyde. Cependant, le mécanisme couramment admis implique une réduction à quatre électrons rapides comportant un clivage immédiat de la liaison oxygène-oxygène, ce qui évite toute implication d’intermédiaire pour former des superoxydes. [26]Voet, Donald (2010). Biochemistry. New York: J. Wiley & Sons. pp. 865–866

Cette enzyme intervient dans la réaction finale de la chaîne de transport d’électrons à l’ oxygène, et le pompage de protons à travers la membrane [27]Yoshikawa S, Muramoto K, Shinzawa-Itoh K, Aoyama H, Tsukihara T, Shimokata K, Katayama Y, Shimada H (2006). « Proton pumping mechanism of ...continue. La dernier accepteur d’électrons, l’oxygène, est réduit en une molécule d’eau dans cette étape. Le pompage direct de protons et de la consommation de protons de la matrice au cours du processus de réduction de l’oxygène contribuent au gradient de protons. La réaction catalysée par cette enzyme est l’oxydation du cytochrome c et la réduction de l’ oxygène:

Réductases et Oxydases alternatives

De nombreux organismes eucaryotes ont des chaînes de transport d’électrons qui diffèrent de manière significative des enzymes étudiées et décrites chez les mammifères. Par exemple, les plantes ont des NADH oxydases alternatives, qui oxydent le NADH dans le cytosol et non pas dans la matrice mitochondriale, et transmettent ces électrons vers le pool d’ubiquinone [28]Rasmusson AG, So[29] jQuery("#footnote_plugin_tooltip_6539_28").tooltip({ tip: "#footnote_plugin_tooltip_text_6539_28", tipClass: "footnote_tooltip", effect: ...continue. Ces enzymes ne transportent pas de protons et, par conséquent, elle réduisent l’ubiquinone sans altérer la gradient électrochimique à travers la membrane interne [30][31] jQuery("#footnote_plugin_tooltip_6539_30").tooltip({ tip: "#footnote_plugin_tooltip_text_6539_30", tipClass: "footnote_tooltip", effect: ...continue.

Ces voies alternatives ont de faibles rendements en énergie (ATP) par rapport à la voie complète. Les avantages des voies alternatives ne sont pas tout à fait clairs. Cependant, l’oxydase alternative est produite en réponse à des contraintes telles que, le froid, les espèces réactives de l’oxygène , infection par des agents pathogènes, ainsi que d’autres facteurs qui inhibent la chaîne de transport d’électrons [32]Vanlerberghe GC, McIntosh L (1997). « ALTERNATIVE OXIDASE: From Gene to Function ». Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. ...continue [33]Ito Y, Saisho D, Nakazono M, Tsutsumi N, Hirai A (1997). « Transcript levels of tandem-arranged alternative oxidase genes in rice are ...continue. Les voies alternatives pourraient, par conséquent, améliorer la résistance des organismes à des blessures, en réduisant le stress oxydatif [34]Maxwell DP, Wang Y, McIntosh L (1999). « The alternative oxidase lowers mitochondrial reactive oxygen production in plant ...continue.

Organisation des complexes de la chaîne respiratoire

Le modèle original de la façon dont les complexes de la chaîne respiratoire sont organisés était qu’ils diffusent librement et indépendamment dans la membrane mitochondriale [35]Lenaz G (2001). « A critical appraisal of the mitochondrial coenzyme Q pool ». FEBS Lett. 509(2): 151–5. . Cependant, des données récentes suggèrent que les complexes peuvent former des structures d’ordre supérieur appelé supercomplexes ou « respirasomes » [36]Heinemeyer J, Braun HP, Boekema EJ, Kouril R (2007). « A structural model of the cytochrome C reductase/oxidase supercomplex from yeast ...continue. Dans ce modèle, les différents complexes existent sous forme d’ensembles d’enzymes en interaction [37]Schägger H, Pfeiffer K (2000). « Supercomplexes in the respiratory chains of yeast and mammalian mitochondria ». EMBO J. 19 ...continue. Ces associations pourraient permettre l’acheminement de substrats entre les différents complexes enzymatiques, en augmentant la vitesse et l’efficacité du transfert d’électrons [38]Schägger H (2002). « Respiratory chain supercomplexes of mitochondria and bacteria ». Biochim. Biophys. Acta. 1555 (1-3): ...continue.  Dans ces supercomplexes chez les mammifères, certains composants seraient présents à des quantités plus élevées que d’autres, avec un rapport entre les complexes I / II / III / IV et la synthase ATP d’environ 1: 1: 3: 7: 4. [39]Schägger H, Pfeiffer K (2001). « The ratio of oxidative phosphorylation complexes I-V in bovine heart mitochondria and the composition of ...continue  Cependant, le débat sur cette hypothèse de structure en supercomplexe n’est pas complètement résolue, car certaines données ne semblent pas cadrer avec ce modèle. [40]Lenaz G, Fato R, Genova ML, Bergamini C, Bianchi C, Biondi A (2006). « Mitochondrial Complex I: structural and functional ...continue [41]Gupte S, Wu ES, Hoechli L, Hoechli M, Jacobson K, Sowers AE, Hackenbrock CR (1984). « Relationship between lateral diffusion, collision ...continue

 ATP synthase (Complexe V)

L’ ATP synthase, également appelé complexe V , est la dernière enzyme dans la voie de la phosphorylation oxydative. Cette enzyme est présente dans toutes les formes de vie et fonctionne de la même manière dans les deux cellules procaryotes et eucaryotes [42]Boyer PD (1997). « The ATP synthase–a splendid molecular machine ». Annu. Rev. Biochem. 66: 717–49. . L’enzyme utilise l’énergie stockée sous forme de gradient de protons à travers la membrane interne pour permettre la synthèse de l’ ATP à partir d’ADP et du phosphate (Pi). Les estimations du nombre de protons nécessaires pour synthétiser une molécule  d’ATP ont varié de 3 à 4 protons, [43]Van Walraven HS, Strotmann H, Schwarz O, Rumberg B (1996). « The H+/ATP coupling ratio of the ATP synthase from thiol-modulated ...continue [44]Yoshida M, Muneyuki E, Hisabori T (2001). « ATP synthase–a marvellous rotary engine of the cell ». Nat. Rev. Mol. Cell ...continue avec certaines cellules suggérant peuvent varier ce rapport, en fonction des conditions différentes. [45]Schemidt RA, Qu J, Williams JR, Brusilow WS (1998). « Effects of carbon source on expression of F0 genes and on the stoichiometry of the c ...continue
Cette réaction de phosphorylation forme un équilibre qui peut être déplacé en modifiant la force motrice protonique. En l’absence de la force motrice protonique, la réaction de l’ATP synthase se déroulera de droite à gauche en hydrolysant l’ATP et en pompant les protons de la matrice à travers la membrane. Cependant, lorsque la force motrice protonique est élevée, la réaction est forcée de courir dans la sens opposé; elle se fait de gauche à droite, ce qui permet des protons de couler vers le bas de leur gradient de concentration en transformant l’ADP en ATP.

L’ATP synthase est un complexe protéique massif en forme de champignon. Le complexe enzymatique des mammifères contient 16 sous – unités avec une masse d’environ 600 kda [46]Rubinstein JL, Walker JE, Henderson R (2003). « Structure of the mitochondrial ATP synthase by electron cryomicroscopy ». EMBO ...continue. La partie ancrée dans la membrane est appelée FO et contient un anneau de sous – unités c un canal de protons. L’ensemble de la tige et la tête sous forme de boule appelé F 1 . C’est le site de la synthèse d’ ATP. Le complexe en forme de boule à la fin de la partie F 1 contient six protéines de deux types différents (trois sous – unités alpha et trois sous – unités ß), alors que la « tige » se compose d’une seule protéine: la sous – unité γ, la pointe de la tige pénètre dans la boule des sous-unités a et ß [47]Leslie AG, Walker JE (2000). « Structural model of F1-ATPase and the implications for rotary catalysis ». Philos. Trans. R. ...continue. Les deux sous – unités α et ß se lient aux nucléotides, mais seulement les sous-unités ß catalysent la réaction de synthèse de l’ATP.

Comme les protons traversent la membrane à travers le canal dans la base de l’ ATP synthase, la partie F O entraînée par un moteur à protons tourne [48]Noji H, Yoshida M (2001). « The rotary machine in the cell, ATP synthase ». J. Biol. Chem. 276 (3): 1665–8. .  La rotation peut être causée par des changements dans l’ ionisation des acides aminés dans l’anneau de la  sous-unité c provoquant des interactions électrostatiques qui propulsent l’anneau de la sous – unité c  à travers le canal à protons [49]Capaldi RA, Aggeler R (2002). « Mechanism of the F(1)F(0)-type ATP synthase, a biological rotary motor ». Trends Biochem. Sci. ...continue. Cet anneau tournant à son tour entraîne la rotation de la sous-unité de la tige γ dans les sous-unités a et ß. Les sous -unités a et ß sont empêchées de se faire tourner par le bras latéral, qui agit comme un stator. Ce mouvement de l’extrémité de la sous-unité γ au sein de la boule de sous -unités a et ß fournit l’énergie pour les sites actifs dans les sous-unités ß pour subir un cycle de mouvements qui produit et libère ainsi de l’ATP. [50]Dimroth P, von Ballmoos C, Meier T (2006). « Catalytic and mechanical cycles in F-ATP synthases. Fourth in the Cycles Review ...continue

Dans certaines bactéries, la synthèse d’ATP est entraînée par le mouvement des ions sodium à travers la membrane cellulaire, plutôt que le mouvement de protons [51]Dimroth P (1994). « Bacterial sodium ion-coupled energetics ». Antonie Van Leeuwenhoek. 65 (4): 381–95. [52]Becher B, Müller V (1994). « Delta mu Na+ drives the synthesis of ATP via an delta mu Na(+)-translocating F1F0-ATP synthase in membrane ...continue. Les archéobactéries telle que Methanococcuscontiennent aussi des synthases A1Ao, une forme d’enzyme qui contient des protéines supplémentaires avec peu de similarité de séquence avec les autres sous – unités de l’ATP synthase bactérienne et eucaryote. Résultat de recherche d'images pour "ATP synthase"

 Enzymes Respiratoires

Enzymes respiratoires et leurs substrats chez E. coli[53]Undén G, Bongaerts J (1997). « Voies respiratoires alternatives d’Escherichia coli: energetique et larégulation de la ...continue
enzyme respiratoire Redox paire potentiel Midpoint(Volts)
formate déshydrogénase Bicarbonate / Formate -0.43
hydrogénase Proton / hydrogène -0.42
NADH déshydrogénase NAD + / NADH -0.32
Glycérol-3-phosphate déshydrogénase DHAP / Gly-3-P -0.19
la pyruvate oxydase Acétate + dioxyde de carbone / pyruvate  ?
lactate déshydrogénase Pyruvate / Lactate -0.19
D déshydrogénase acide de 2-oxo – acide + ammoniac / D -amino  ?
déshydrogénase glucose Gluconate / Glucose -0.14
la succinate déshydrogénase Fumarate / Succinate +0.03
ubiquinol oxydase Oxygen / Eau 0,82
nitrate réductase Nitrate / Nitrite 0,42
Nitrite réductase Nitrites / Ammoniaque 0,36
Le sulfoxyde de diméthyle reductase DMSO / DMS 0,16
Triméthylamine N – oxyde – réductase OTMA / TMA 0,13
Fumarate réductase Fumarate / Succinate +0.03

 

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Références   [ + ]

1. Boxma B, de Graaf RM, van der Staay GW, van Alen TA, Ricard G, Gabaldón T, van Hoek AH, Moon-van der Staay SY, Koopman WJ, van Hellemond JJ, Tielens AG, Friedrich T, Veenhuis M, Huynen MA, Hackstein JH (2005). « An anaerobic mitochondrion that produces hydrogen ». Nature. 434 (7029): 74–9.
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Auteur de l’article : Nadine

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