La plupart des cellules eucaryotes ont des mitochondries, qui produisent de l’ATP à partir de produits du cycle de l’acide citrique, de l’oxydation des acides gras et de l’oxydation des acides aminés. Au niveau de la membrane mitochondriale interne, les électrons du NADH et du FADH2 traversent la chaîne de transport des électrons vers l’oxygène, qui est réduit en eau. La chaîne de transport d’électrons comprend une série enzymatique de donneurs et d’accepteurs d’électrons. Chaque donneur d’électrons transmettra les électrons à un accepteur plus électronégatif, qui à son tour donne ces électrons à un autre accepteur, un processus qui se poursuit dans la série jusqu’à ce que les électrons soient transmis à l’oxygène, l’accepteur d’électrons le plus électronégatif et le plus terminal de la chaîne. Le passage des électrons entre le donneur et l’accepteur libère de l’énergie, qui est utilisée pour générer un gradient de protons à travers la membrane mitochondriale en « pompant » des protons dans l’espace intermembranaire, produisant un état thermodynamique susceptible de fonctionner. L’ensemble de ce processus est appelé phosphorylation oxydative puisque l’ADP est phosphorylé en ATP en utilisant le gradient électrochimique établi par les réactions redox de la chaîne de transport d’électrons.

Porteurs redox mitochondriaux

L’énergie obtenue par le transfert d’électrons le long de la chaîne de transport des électrons est utilisée pour pomper les protons de la matrice mitochondriale dans l’espace intermembranaire, créant un gradient électrochimique de protons (ΔpH) à travers la membrane mitochondriale interne. Ce gradient de protons est en grande partie mais pas exclusivement responsable du potentiel membranaire mitochondrial (ΔΨM). Il permet à l’ATP synthase d’utiliser le flux de H + à travers l’enzyme dans la matrice pour générer de l’ATP à partir de l’adénosine diphosphate (ADP) et du phosphate inorganique. Le complexe I (NADH coenzyme Q réductase; marqué I) accepte les électrons du nicotinamide adénine dinucléotide porteur d’électrons du cycle de Krebs (NADH) et les transmet à la coenzyme Q (ubiquinone; marqué Q), qui reçoit également des électrons du complexe II (succinate déshydrogénase; marqué II). Q transmet les électrons au complexe III (complexe cytochrome bc1; marqué III), qui les transmet au cytochrome c (cyt c). Le Cyt c transmet les électrons au complexe IV (cytochrome c oxydase; marqué IV), qui utilise les électrons et les ions hydrogène pour réduire l’oxygène moléculaire en eau.

Quatre complexes membranaires ont été identifiés dans les mitochondries. Chacun est une structure transmembranaire extrêmement complexe qui est intégrée dans la membrane interne. Trois d’entre eux sont des pompes à protons. Les structures sont reliées électriquement par des porteurs d’électrons solubles dans les lipides et des porteurs d’électrons solubles dans l’eau. The overall electron transport chain:

NADH+H+ → Complex I → Q Complex II Succinate → Complex III → cytochrome c → Complex IV → H2O Complex II Succinate 

Complex IEdit

In complex I (NADH ubiquinone oxireductase, Type I NADH dehydrogenase, or mitochondrial complex I; EC 1.6.5.3), two electrons are removed from NADH and transferred to a lipid-soluble carrier, ubiquinone (Q). The reduced product, ubiquinol (QH2), freely diffuses within the membrane, and Complex I translocates four protons (H+) across the membrane, thus producing a proton gradient. Le complexe I est l’un des principaux sites de fuite prématurée d’électrons vers l’oxygène, étant ainsi l’un des principaux sites de production de superoxyde.

La voie des électrons est la suivante:

Le NADH est oxydé en NAD +, en réduisant le mononucléotide de flavine en FMNH2 en une étape à deux électrons. Le FMNH2 est ensuite oxydé en deux étapes à un électron, par l’intermédiaire d’une semiquinone. Chaque électron passe ainsi du FMNH2 à un cluster Fe-S, du cluster Fe-S à l’ubiquinone (Q). Le transfert du premier électron entraîne la forme radicalaire (semiquinone) de Q, et le transfert du deuxième électron réduit la forme semiquinone à la forme ubiquinol, QH2. Au cours de ce processus, quatre protons sont transférés de la matrice mitochondriale à l’espace intermembranaire. Au fur et à mesure que les électrons s’oxydent et se réduisent continuellement dans tout le complexe, un courant électronique est produit le long de la largeur d’Angstrom 180 du complexe à l’intérieur de la membrane. Ce courant alimente le transport actif de quatre protons vers l’espace intermembranaire pour deux électrons du NADH.

Complex IIEdit

In complex II (succinate dehydrogenase or succinate-CoQ reductase; EC 1.3.5.1) additional electrons are delivered into the quinone pool (Q) originating from succinate and transferred (via flavin adenine dinucleotide (FAD)) to Q. Complex II consists of four protein subunits: succinate dehydrogenase, (SDHA); succinate dehydrogenase iron-sulfur subunit, mitochondrial, (SDHB); succinate dehydrogenase complex subunit C, (SDHC) and succinate dehydrogenase complex, subunit D, (SDHD). Other electron donors (e.g., les acides gras et le glycérol 3-phosphate) dirigent également les électrons dans Q (via la DCP). Le complexe II est une voie de transport d’électrons parallèle au complexe 1, mais contrairement au complexe 1, aucun proton n’est transporté dans l’espace intermembranaire dans cette voie. Par conséquent, la voie à travers le complexe II contribue moins d’énergie au processus global de la chaîne de transport des électrons.

Complexe IIIEdit

Dans le complexe III (complexe cytochrome bc1 ou CoQH2-cytochrome c réductase ; EC 1.10.2.2), le cycle Q contribue au gradient de protons par une absorption/libération asymétrique de protons. Deux électrons sont retirés de QH2 au site QO et transférés séquentiellement à deux molécules du cytochrome c, un support d’électrons soluble dans l’eau situé dans l’espace intermembranaire. Les deux autres électrons traversent séquentiellement la protéine jusqu’au site Qi où la partie quinone de l’ubiquinone est réduite en quinol. Un gradient de protons est formé par une oxydation d’un quinol (2 H 2 +e−{\displaystyle{\ce{2H+2e-}}}) au site Qo pour former une quinone (2 H 2 +e−{\displaystyle{\ce{2H+2e-}}}) au site Qi. (Au total, quatre protons sont translocalisés: deux protons réduisent la quinone en quinol et deux protons sont libérés par deux molécules d’ubiquinol.)

QH 2 +2 {\displaystyle {\ce{QH2+2}}} cytochrome c {\displaystyle {\text{cytochrome}} c}(Fe III) +2 H {\displaystyle{\ce{(Fe^{III}) +2 H}}} in +{\displaystyle_{\text{in}}^{+}} Q Q+2 {\displaystyle{\ce{-> Q +2}}}cytochrome c {\displaystyle{\text {cytochrome}}c} (Fe II) +4 H {\displaystyle {\ce{(Fe^{II}) +4 H}}} out +{\displaystyle_{\text{out}}^{+}}

Lorsque le transfert d’électrons est réduit (par un potentiel membranaire élevé ou des inhibiteurs respiratoires tels que l’antimycine A), le Complexe III peut faire fuir les électrons vers l’oxygène moléculaire, ce qui entraîne formation de superoxyde.

Ce complexe est inhibé par le dimercaprol (Antilewisite britannique, BAL), la Napthoquinone et l’antimycine.

Complexe IVEdit

Dans le complexe IV (cytochrome c oxydase; EC 1.9.3.1), parfois appelé cytochrome AA3, quatre électrons sont retirés de quatre molécules de cytochrome c et transférés à l’oxygène moléculaire (O2), produisant deux molécules d’eau. Le complexe contient des ions cuivre coordonnés et plusieurs groupes hémiques. En même temps, huit protons sont retirés de la matrice mitochondriale (bien que seulement quatre soient translocés à travers la membrane), contribuant au gradient de protons. Les détails exacts du pompage de protons dans le complexe IV sont encore à l’étude. Le cyanure est un inhibiteur du complexe 4.

Couplage avec la phosphorylation oxydantedit

L’hypothèse du couplage chimiosmotique, proposée par le lauréat du Prix Nobel de chimie Peter D. Mitchell, la chaîne de transport des électrons et la phosphorylation oxydative sont couplées par un gradient de protons à travers la membrane mitochondriale interne. L’efflux de protons de la matrice mitochondriale crée un gradient électrochimique (gradient de protons). Ce gradient est utilisé par le complexe FOF1 ATP synthase pour fabriquer de l’ATP par phosphorylation oxydative. L’ATP synthase est parfois décrite comme le complexe V de la chaîne de transport d’électrons. Le composant FO de l’ATP synthase agit comme un canal ionique qui fournit un flux de protons dans la matrice mitochondriale. Il est composé de sous-unités a, b et c. Les protons de l’espace inter-membraneux des mitochondries pénètrent d’abord dans le complexe ATP synthase par un canal sous-unitaire. Ensuite, les protons se déplacent vers les sous-unités c. Le nombre de sous-unités c qu’il possède détermine le nombre de protons dont il aura besoin pour faire tourner le FO d’un tour complet. Par exemple, chez l’homme, il y a 8 sous-unités c, donc 8 protons sont nécessaires. Après les sous-unités c, les protons entrent finalement dans la matrice en utilisant un canal de sous-unité qui s’ouvre dans la matrice mitochondriale. Ce reflux libère de l’énergie libre produite lors de la génération des formes oxydées des porteurs d’électrons (NAD+ et Q). L’énergie libre est utilisée pour conduire la synthèse de l’ATP, catalysée par la composante F1 du complexe.
Le couplage avec la phosphorylation oxydative est une étape clé pour la production d’ATP. Cependant, dans des cas spécifiques, le découplage des deux processus peut être biologiquement utile. La protéine de découplage, la thermogénine, présente dans la membrane mitochondriale interne du tissu adipeux brun, assure un flux alternatif de protons vers la matrice mitochondriale interne. La thyroxine est également un découpleur naturel. Ce flux alternatif entraîne la thermogenèse plutôt que la production d’ATP.

Flux d’électrons inversésdit

Le flux d’électrons inversés, est le transfert d’électrons à travers la chaîne de transport d’électrons à travers les réactions redox inverses. Nécessitant généralement une quantité importante d’énergie à utiliser, cela peut entraîner une réduction de la forme oxydée des donneurs d’électrons. Par exemple, le NAD + peut être réduit en NADH par le complexe I. Il a été démontré que plusieurs facteurs induisent un flux d’électrons inverse. Cependant, plus de travail doit être fait pour le confirmer. Un tel exemple est le blocage de la production d’ATP par l’ATP synthase, entraînant une accumulation de protons et donc une force motrice protonique plus élevée, induisant un flux d’électrons inverse.