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Dans les mitochondries, quel est le mécanisme par lequel les électrons sont transférés entre les différents cytochromes ?

Dans les mitochondries, quel est le mécanisme par lequel les électrons sont transférés entre les différents cytochromes ?



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Et comment l'énergie obtenue grâce à l'abaissement du "niveau d'énergie" de l'électron est-elle utilisée pour générer le gradient chimiosmotique ?


Bonne question. L'image commune de la chaîne de transport d'électrons comme une séquence de machines moléculaires qui passent le long d'un "électron de haute énergie" est biochimiquement plutôt trompeuse, je pense. Ce qui se passe réellement n'est qu'une série de réactions d'oxydoréduction (exothermiques) libérant de l'énergie. Les complexes respiratoires sont des enzymes qui catalysent ces réactions et couplent l'énergie libérée dans chaque réaction au pompage de protons contre un gradient.

A titre d'exemple, considérons la réaction réalisée par le Complexe I, où le NADH est oxydé :

NADH + H$^+$ + CoQ $iff$ NAD$^+$ + CoQH$_2$

Cette réaction transfère un ion hydrure (H$^-$) portant deux électrons de NADH, ce qui est accepté par CoQ. Comme le CoQ est un bien meilleur accepteur d'électrons que le NAD$^+$, cette réaction est très favorable avec un $Delta G$ d'environ -85 kJ. Ainsi, une grande quantité d'énergie est libérée et une partie de cette énergie est capturée par le complexe I pour pomper quatre protons à travers le membre interne.

Notez que les électrons ne "voyagent" pas d'eux-mêmes à travers le Complexe I d'une manière ou d'une autre. Les électrons sont liés à des molécules qui participent à une réaction d'oxydoréduction. Et cela n'a pas beaucoup de sens de dire que le "niveau d'énergie" d'un électron spécifique est diminué. Au contraire, les composés du côté droit ont une énergie libre $G$ au total inférieure à ceux du côté gauche, et donc la réaction libère globalement de l'énergie (la différence d'énergie libre $Delta G$ est négative). De plus, si vous regardez les structures chimiques de CoQ et CoQH2 --- et vous devriez absolument regarder les structures en biochimie, les noms seuls ne sont pas très utiles --- vous constaterez que les électrons impliqués sont en fait délocalisés dans CoQH2, donc il n'y a aucun moyen de savoir quel électron va où.

Le même raisonnement vaut pour les autres complexes respiratoires. Le complexe III oxyde la CoQH$_2$ en CoQ en la couplant à la réduction du cytochrome C,

CoQH$_2$ + 2 Ferrocytochrome-C $iff$ CoQ + 2 Ferrocytochrome-C + 2 H$^+$

Cette réaction est également favorable, et là encore l'énergie libérée est utilisée pour pomper des protons. Enfin, le complexe IV réoxyde le cytochrome C et transfère des électrons à O$_2$, également une réaction redox libérant de l'énergie. Les mécanismes de réaction sont bien sûr beaucoup plus compliqués, impliquant divers groupes chimiques liés aux enzymes, mais c'est le résultat net.

Ainsi, la « chaîne respiratoire » n'est pas un tapis roulant pour les électrons ; c'est une séquence de réactions redox couplées. Le résultat net des réactions du Complexe I + III + IV est que le NADH a perdu des électrons et que l'oxygène a gagné des électrons, mais ce ne sont pas nécessairement les mêmes électrons, et cela n'a pas de sens de parler de "niveau d'énergie" des électrons dans ce le contexte. Pour comprendre l'énergétique, nous devons examiner tous les composés et réactions impliqués.


Tous les membres du système de transport d'électrons (ETS) sont organisés en « complexes », des grappes d'enzymes et d'autres protéines. Ces complexes sont à proximité les uns des autres de sorte que des électrons peuvent passer entre eux. Les différents cytochromes et autres gestionnaires d'électrons ont des affinités (attractions) différentes pour les électrons. Ceux au début de l'ETS ont moins d'affinité pour les électrons que ceux à la fin. La raison pour laquelle les électrons se déplacent à travers l'ETS est due à cette plus grande attraction des électrons par les complexes ultérieurs dans la voie. Ces complexes sont positionnés les uns par rapport aux autres de manière à ce qu'aucun "court-circuit" ne se produise ; les électrons ne sautent aucune étape dans l'ETS. Enfin, l'électron de "basse énergie" du dernier complexe est épongé par ce grand oxygène porc à électrons.

L'énergie perdue par l'électron lors de son passage entre les porteurs n'est pas directement récupérée pour pomper des protons. L'importance de cette "perte d'énergie" est qu'elle fait du transfert des électrons un processus spontané assurant leur passage dans l'ETS. L'entrée typique dans l'ETS implique que la NADH donne un ion hydrogène à la matrice et une paire d'électrons à la NADH déshydrogénase. Les électrons sont finalement transférés au coenzyme mobile Q. Celui-ci attire maintenant une paire d'ions hydrogène de la matrice mitochondriale qui induit alors le fonctionnement d'une pompe à protons. Cela pompe des ions hydrogène dans l'espace de la membrane interne créant le gradient électrochimique.

Ainsi, en général, l'arrivée d'électrons, avec les ions d'hydrogène qui en découlent, modifie la conformation (forme) des pompes qui transfèrent les protons pour créer le gradient. Les électrons sont finalement transmis à l'oxygène, formant de l'eau à l'aide de quelques ions hydrogène de rechange. Cette suppression des électrons permet aux membres de l'ETS d'être réceptifs à une autre charge d'électrons du NADH.

Référence 2ème paragraphe : http://www.physiologymodels.info/metabolism/ETSOXPHOS/ets.htm C'est un bon site pour en savoir plus et voir quelques diagrammes, en particulier se concentrer sur le deuxième panneau, "Complexe I".

Référence 1er paragraphe : Biologie Moléculaire de la Cellule ; Alperts, Watson, et al.


Au cours du processus, un gradient de protons est créé lorsque les protons sont pompés de la matrice mitochondriale vers l'espace intermembranaire de la cellule, ce qui contribue également à la production d'ATP. Souvent, l'utilisation d'un gradient de protons est appelée le mécanisme chimiosmotique qui entraîne la synthèse d'ATP car il repose sur une concentration plus élevée de protons pour générer une « force motrice protonique ». La quantité d'ATP créée est directement proportionnelle au nombre de protons qui sont pompés à travers la membrane mitochondriale interne.

La chaîne de transport d'électrons implique une série de réactions d'oxydoréduction qui reposent sur des complexes protéiques pour transférer des électrons d'une molécule donneuse à une molécule acceptrice. À la suite de ces réactions, le gradient de protons est produit, permettant de convertir le travail mécanique en énergie chimique, permettant la synthèse d'ATP. Les complexes sont intégrés dans la membrane mitochondriale interne appelée le crêtes chez les eucaryotes. Enfermée par la membrane mitochondriale interne se trouve la matrice, où se trouvent les enzymes nécessaires telles que la pyruvate déshydrogénase et la pyruvate carboxylase. Le processus peut également être trouvé chez les eucaryotes photosynthétiques dans la membrane thylakoïde des chloroplastes et chez les procaryotes, mais avec des modifications.

Les sous-produits d'autres cycles et processus, comme le cycle de l'acide citrique, l'oxydation des acides aminés et l'oxydation des acides gras, sont utilisés dans la chaîne de transport d'électrons. Comme on le voit dans la réaction d'oxydoréduction globale,

l'énergie est libérée dans une réaction exothermique lorsque les électrons sont passés à travers les complexes trois molécules d'ATP sont créées. Le phosphate situé dans la matrice est importé via le gradient de protons, qui est utilisé pour créer plus d'ATP. Le processus de génération de plus d'ATP via la phosphorylation de l'ADP est appelé phosphorylation oxydative puisque l'énergie d'oxygénation de l'hydrogène est utilisée tout au long de la chaîne de transport d'électrons. L'ATP généré à partir de cette réaction alimente la plupart des réactions cellulaires nécessaires à la vie.


Chimiosmose et phosphorylation oxydative

La chimiosmose est le mouvement des ions à travers une membrane sélectivement perméable, le long de leur gradient électrochimique.

Objectifs d'apprentissage

Décrire comment l'énergie obtenue à partir de la chaîne de transport d'électrons alimente la chimiosmose et discuter du rôle des ions hydrogène dans la synthèse de l'ATP

Points clés à retenir

Points clés

  • Au cours de la chimiosmose, l'énergie libre de la série de réactions qui composent la chaîne de transport d'électrons est utilisée pour pomper des ions hydrogène à travers la membrane, établissant un gradient électrochimique.
  • Les ions hydrogène dans l'espace matriciel ne peuvent traverser la membrane mitochondriale interne qu'à travers une protéine membranaire appelée ATP synthase.
  • Au fur et à mesure que les protons traversent l'ATP synthase, l'ADP est transformé en ATP.
  • La production d'ATP à l'aide du processus de chimiosmose dans les mitochondries est appelée phosphorylation oxydative.

Mots clés

  • ATP synthase: Une enzyme importante qui fournit de l'énergie à la cellule grâce à la synthèse d'adénosine triphosphate (ATP).
  • la phosphorylation oxydative: Voie métabolique qui utilise l'énergie libérée par l'oxydation des nutriments pour produire de l'adénosine triphosphate (ATP).
  • chimiosmose: Le mouvement des ions à travers une membrane sélectivement perméable, le long de leur gradient électrochimique.

Au cours de la chimiosmose, les porteurs d'électrons comme le NADH et le FADH donnent des électrons à la chaîne de transport d'électrons. Les électrons provoquent des changements de conformation dans les formes des protéines pour pomper H+ à travers une membrane cellulaire sélectivement perméable. La distribution inégale des ions H + à travers la membrane établit à la fois des gradients de concentration et des gradients électriques (donc un gradient électrochimique) en raison de la charge positive des ions hydrogène et de leur agrégation d'un côté de la membrane.

Chimiosmose: Dans la phosphorylation oxydative, le gradient d'ions hydrogène formé par la chaîne de transport d'électrons est utilisé par l'ATP synthase pour former l'ATP.

Si la membrane était ouverte à la diffusion par les ions hydrogène, les ions auraient tendance à se diffuser spontanément dans la matrice, entraînés par leur gradient électrochimique. Cependant, de nombreux ions ne peuvent pas diffuser à travers les régions non polaires des membranes phospholipidiques sans l'aide de canaux ioniques. De même, les ions hydrogène dans l'espace matriciel ne peuvent traverser la membrane mitochondriale interne qu'à travers une protéine membranaire appelée ATP synthase. Cette protéine agit comme un minuscule générateur activé par la force des ions hydrogène qui la traversent, le long de leur gradient électrochimique. La rotation de cette machine moléculaire exploite l'énergie potentielle stockée dans le gradient d'ions hydrogène pour ajouter un phosphate à l'ADP, formant l'ATP.

ATP synthase: L'ATP synthase est une machine moléculaire complexe qui utilise un gradient de protons (H+) pour former de l'ATP à partir d'ADP et de phosphate inorganique (Pi).

La chimiosmose est utilisée pour générer 90 pour cent de l'ATP produit pendant le catabolisme aérobie du glucose. La production d'ATP à l'aide du processus de chimiosmose dans les mitochondries est appelée phosphorylation oxydative. C'est également la méthode utilisée dans les réactions lumineuses de la photosynthèse pour exploiter l'énergie de la lumière du soleil dans le processus de photophosphorylation. Le résultat global de ces réactions est la production d'ATP à partir de l'énergie des électrons retirés des atomes d'hydrogène. Ces atomes faisaient à l'origine partie d'une molécule de glucose. À la fin de la voie, les électrons sont utilisés pour réduire une molécule d'oxygène en ions oxygène. Les électrons supplémentaires sur l'oxygène attirent les ions hydrogène (protons) du milieu environnant et de l'eau se forme.


La chaîne de transport d'électrons dans la phosphorylation oxydative

La phosphorylation oxydative fait partie d'un système plus vaste, respiration cellulaire. Les 4 étapes de la respiration cellulaire peuvent être vues dans l'image ci-dessous. La première étape se produit en dehors des mitochondries. Cela implique la dégradation du glucose, des lipides ou des acides aminés. Cette étape est symbolisée ici par « Glycolyse » uniquement. N'oubliez pas qu'il existe d'autres façons de générer pyruvate et intermédiaires du cycle de Krebs (cycle de l'acide citrique).

Les étapes restantes se déroulent dans les mitochondries. Les lignes jaunes sur l'image représentent la génération de coenzymes réduites ou de molécules porteuses d'électrons. Alors qu'une partie de l'ATP est générée pendant la glycolyse et le cycle de l'acide citrique, la majorité est générée par phosphorylation oxydative. La chaîne de transport d'électrons est symbolisée par l'escalier rouge, représentant la libération successive d'énergie des électrons. Les flèches oranges représentent l'ATP synthase, qui crée de l'ATP par le biais de la force motrice du proton.


Le système de transport d'électrons des mitochondries

Des protéines et des complexes de molécules impliqués dans le processus appelé transport d'électrons sont intégrés dans la membrane interne. Le système de transport d'électrons (ETS), comme on l'appelle, accepte l'énergie des porteurs de la matrice et la stocke sous une forme qui peut être utilisée pour phosphoryler l'ADP. Deux vecteurs énergétiques sont connus pour donner de l'énergie à l'ETS, à savoir la nicotine adénine dinucléotide (NAD) et la flavine adénine dinucléotide (FAD). Le NAD réduit transporte l'énergie vers le complexe I (NADH-Coenzyme Q Reductase) de la chaîne de transport d'électrons. FAD est une partie liée du complexe succinate déshydrogénase (complexe II).

Elle est réduite lorsque le substrat succinate se lie au complexe.

Que se passe-t-il lorsque le NADH se lie au complexe I ? Il se lie à un groupe prothétique appelé mononucléotide flavine (FMN) et est immédiatement réoxydé en NAD. Le NAD est "recyclé", agissant comme une navette énergétique. Qu'arrive-t-il à l'atome d'hydrogène qui se dégage du NADH ? FMN reçoit l'hydrogène du NADH et deux électrons. Il capte également un proton de la matrice. Sous cette forme réduite, il transmet les électrons aux amas fer-soufre qui font partie du complexe et force deux protons dans l'espace intermembranaire.

Le forçage obligatoire des protons dans l'espace intermembranaire est un concept clé. Les électrons ne peuvent pas traverser le complexe I sans accomplir la translocation des protons. Si vous empêchez la translocation du proton, vous empêchez le transport des électrons. Si vous empêchez le transport des électrons, vous empêchez la translocation des protons. Les événements doivent se produire ensemble ou pas du tout.

Les porteurs de transport d'électrons sont spécifiques, en ce sens que chaque porteur accepte des électrons (et l'énergie libre associée) d'un type spécifique de porteur précédent. Les électrons passent du complexe I à un porteur (coenzyme Q) intégré par lui-même dans la membrane. De la coenzyme Q, les électrons sont transmis à un complexe III qui est associé à un autre événement de translocation de protons. Notez que le chemin des électrons va du complexe I au coenzyme Q au complexe III. Le complexe II, le complexe succinate déshydrogénase, est un point de départ distinct et est ne pas une partie de la voie NADH.

Du Complexe III la voie est vers le cytochrome c puis vers un Complexe IV (complexe cytochrome oxydase). Plus de protons sont transloqués par le complexe IV, et c'est à ce site que l'oxygène se lie, avec les protons, et en utilisant la paire d'électrons et l'énergie libre restante, l'oxygène est réduit en eau. Étant donné que l'oxygène moléculaire est diatomique, il faut en fait deux paires d'électrons et deux complexes de cytochrome oxydase pour compléter la séquence réactionnelle de réduction de l'oxygène. Cette dernière étape du transport d'électrons a pour fonction critique d'éliminer les électrons du système afin que le transport d'électrons puisse fonctionner en continu.

La réduction de l'oxygène n'est pas une fin en soi. L'oxygène sert d'accepteur d'électrons, ouvrant la voie à la réoxydation des porteurs de la séquence afin que le transport des électrons puisse se poursuivre. Dans vos mitochondries, en l'absence d'oxygène, ou en présence d'un poison comme le cyanure, il n'y a pas de débouché pour les électrons. Tous les transporteurs restent réduits et les produits Krebs deviennent déséquilibrés car certaines réactions de Krebs nécessitent du NAD ou du FAD et d'autres non. Cependant, vous ne vous en souciez pas vraiment parce que vous êtes déjà mort. Le transport d'électrons a pour but de conserver l'énergie sous la forme d'un gradient chimiosmotique. Le gradient, à son tour, peut être exploité pour la phosphorylation de l'ADP ainsi qu'à d'autres fins. Avec l'arrêt du métabolisme aérobie, les dommages cellulaires sont immédiats et irréversibles.

Du succinate, la séquence va du complexe II au coenzyme Q au complexe III au cytochrome c au complexe IV. Ainsi, il existe une voie de transport d'électrons commune au-delà du point d'entrée, soit le complexe I, soit le complexe II. Les protons ne sont pas transloqués au Complexe II. Il n'y a pas suffisamment d'énergie libre disponible à partir de la réaction de succinate déshydrogénase pour réduire le NAD ou pour pomper des protons sur plus de deux sites.

L'ETS est-il une séquence ?

Avant le développement du modèle de mosaïque fluide de membranes, l'ETS était représenté comme une chaîne, dans laquelle chaque complexe était fixé en position par rapport au suivant. Il est maintenant admis que tandis que les complexes forment des « îlots » dans la membrane fluide, ils se déplacent indépendamment les uns des autres et échangent des électrons lorsqu'ils sont à proximité mutuelle. Les manuels montrent nécessairement l'ETS comme une séquence physique de complexes et de porteurs. Cela a pour effet involontaire d'impliquer qu'ils sont tous verrouillés en place. La nature fluide des membranes permet l'échange d'électrons dans un tube à essai contenant des fragments de membrane.

La localisation des complexes ETS sur la membrane interne a deux conséquences majeures. En flottant dans l'espace à deux dimensions, la probabilité que des porteurs effectuent un échange est beaucoup plus élevée que s'ils étaient en solution dans l'espace à trois dimensions de la matrice. Ils sont exposés au côté matrice de la membrane, bien sûr, pour accéder au succinate et au NADH, mais ont une mobilité limitée. Deuxièmement, l'emplacement de l'ETS sur la membrane interne leur permet d'établir un gradient chimiosmotique.

Voies électroniques et inhibition

Les inhibiteurs de transport d'électrons agissent en liant un ou plusieurs porteurs d'électrons, empêchant directement le transport d'électrons. Les changements dans le taux de dissipation du gradient chimiosmotique n'ont aucun effet sur le taux de transport d'électrons avec une telle inhibition. En fait, si le transport des électrons est bloqué, le gradient chimiosmotique ne peut pas être maintenu. Quel que soit le substrat utilisé pour alimenter le transport d'électrons, seuls deux points d'entrée dans le système de transport d'électrons sont connus pour être utilisés par les mitochondries. Une conséquence d'avoir des voies séparées pour l'entrée des électrons est qu'un inhibiteur d'ETS peut affecter une partie d'une voie sans interférer avec une autre partie. La respiration peut encore se produire selon le choix du substrat.

Un inhibiteur peut bloquer complètement le transport d'électrons en se liant de manière irréversible à un site de liaison. Par exemple, le cyanure se lie à la cytochrome oxydase de manière à empêcher la liaison de l'oxygène. Le transport des électrons est réduit à zéro. Respirez autant que vous voulez - vous ne pouvez pas utiliser l'oxygène que vous absorbez. La roténone, en revanche, se lie de manière compétitive, de sorte qu'un filet de flux d'électrons est autorisé. Cependant, le taux de transport des électrons est trop lent pour le maintien d'un gradient.


La phosphorylation oxydative

Résumé:

La chaîne de transport d'électrons (ETC) est le principal consommateur d'O2 dans les cellules de mammifères. L'ETC transmet les électrons du NADH et du FADH2 aux complexes protéiques et aux porteurs d'électrons mobiles. La coenzyme Q (CoQ) et le cytochrome c (Cyt c) sont des porteurs d'électrons mobiles dans l'ETC, et l'O2 est le récepteur final d'électrons. Les navettes malate et glycérol 3-P régénèrent le NAD+ cytoplasmique pour la glycolyse et délivrent des équivalents réducteurs à l'ETC mitochondrial. Les inhibiteurs de la phosphorylation oxydative arrêtent la respiration cellulaire. Les découpleurs dissocient l'oxydation de la phosphorylation et aident à générer de la chaleur à mesure que les animaux s'adaptent au froid.


Mitochondries et mort cellulaire

Dans de nombreux modèles de lésion ou de maladie cellulaire, l'irréversibilité de la lésion cellulaire est principalement déterminée par des aspects de la biologie mitochondriale. La mort cellulaire est généralement classée comme apoptotique ou nécrotique – programmée ou accidentelle – bien que les frontières entre les formes de mort cellulaire ne soient pas toujours aussi clairement définies. La mort cellulaire apoptotique joue un rôle crucial au début du développement et plus tard dans la vie, en éliminant les cellules endommagées sans la perte d'énergie associée à la mort cellulaire nécrotique. L'apoptose est un processus dépendant de l'énergie, actif et coordonné, tandis que la nécrose est généralement le résultat d'un échec métabolique entraînant un effondrement énergétique, une rupture des gradients ioniques, un gonflement cellulaire et une désorganisation structurelle.

Un mécanisme majeur entraînant la mort cellulaire nécrotique est l'ouverture de la mPTP. L'ouverture des pores est impliquée dans un nombre toujours croissant d'états pathologiques dans de nombreux tissus différents, bien que le cas expérimental le plus fort réside probablement dans la mort cellulaire au cours de l'ischémie et des lésions de reperfusion dans le cœur. Ceci est important et passionnant car le pore est une cible thérapeutique viable et donc l'identification de son implication entraîne des implications d'opportunités thérapeutiques.

Décrit pour la première fois par Hunter et Hapworth, la perte brutale de la barrière de perméabilité mitochondriale à la suite d'ajouts de Ca 2+ ou de prooxydants s'est avérée plus tard résulter de l'ouverture d'un grand pore de conductance dans la membrane mitochondriale interne assez grand pour piéger le désoxyglucose. 59 L'ouverture des pores provoque l'effondrement du potentiel membranaire mitochondrial, l'épuisement de l'ATP et la progression rapide vers la mort cellulaire. Il a été suggéré que le pore est généré par une transformation de protéines membranaires avec d'autres fonctions "normales" en une configuration de formation de pores. Le passage dépendant du Ca 2+ à une conformation formant des pores, et l'ouverture des pores est modulée par des médicaments qui se lient à l'ANT. Des expériences récentes sur les tissus d'une souris knock-out ANT ont jeté un point d'interrogation sur ce modèle, laissant l'identité moléculaire du pore incertaine. Il est clair, cependant, que l'ouverture des pores est régulée par la protéine matricielle cyclophiline D (CypD), qui se lie à la cyclosporine A (CsA), empêchant l'ouverture des pores. La protection par CsA est désormais devenue la référence pour l'ouverture des pores et est désormais utilisée dans les essais cliniques pour l'implication de la mPTP dans diverses pathologies. Le rôle du mPTP dans la mort cellulaire au cours de l'ischémie et de la reperfusion dans le cœur est clair et sans ambiguïté, et la taille de l'infarctus est clairement réduite dans le knock-out CypD. 60,61 La protection contre une variété de pathologies a maintenant été démontrée dans le knock-out CypD, y compris une réduction des dommages causés par les accidents vasculaires cérébraux et une protection contre l'encéphalopathie allergique expérimentale. 62 Ainsi, l'identification de la mort cellulaire comme nécrotique ne signifie pas nécessairement que la blessure est incurable.

La mort cellulaire programmée ou apoptose se produit via deux voies de signalisation : (i) la voie extrinsèque qui implique les récepteurs de surface cellulaire aboutissant à l'activation de la caspase 8 et (ii) la voie intrinsèque qui nécessite la perméabilisation de la membrane externe mitochondriale. 63 Le rôle complexe des mitochondries dans la mort cellulaire des mammifères a été mis en évidence lorsque plusieurs études ont élucidé les protéines mitochondriales résidentes capables de stimuler directement la mort cellulaire. 2,63,64 Dans des conditions cellulaires normales, ces protéines résident dans l'espace intermembranaire et, en réponse à des stimuli de mort, sont libérées dans le cytosol. Ils favorisent la mort cellulaire en activant les caspases et/ou en inactivant les inhibiteurs cytosoliques de ce processus. La voie intrinsèque est donc un équilibre délicat entre les mitochondries et divers facteurs cytosoliques et c'est cet équilibre qui régit l'intégrité cellulaire.

Protéines apoptogéniques et mitochondries

Cytochrome c, un composant essentiel de la chaîne de transport d'électrons initie l'apoptose lorsqu'il est libéré des mitochondries. 65 Une fois libéré, le cytochrome c se lie à Apaf-1. Poursuite de la stabilisation et de la liaison de l'ATP à l'Apaf-1/cytochrome c complexe entraîne l'oligomérisation et la formation de l'apotosome (Fig.ਃ). Ce complexe multimérique expose les domaines CARD d'Apaf-1, résultant en une conformation ouverte. Ce complexe est capable de recruter la procaspase-9 et de former l'apoptosome actif. 66 Seule la caspase-9 peut cliver et activer le bourreau en aval caspase-3. Des études sur la perte de fonction chez la souris montrent que le knock-out du cytochrome c est létal embryonnaire, cependant, au niveau d'un organisme entier, il est difficile de distinguer si cela est en grande partie dû à son rôle dans la phosphorylation oxydative ou la mort cellulaire. 63 Des études de cellules souches embryonnaires et de fibroblastes de ces souris montrent l'importance du cytochrome c en termes de stimuli de mort. En réponse aux UV, à l'irradiation γ et au traitement avec des médicaments chimiothérapeutiques, les cellules n'ont pas montré d'activité de caspase et sont essentiellement résistantes à l'apoptose. 64

Activation apoptotique via la voie intrinsèque. Les stimuli apoptotiques activent les protéines BH3 uniquement, inactivant simultanément Bcl-2 et activant la translocation de Bax vers les mitochondries. Bak est tenu en échec par Mcl-1, VDAC2 et Bcl-xL. Bax/Bakoligomérisation aboutit au cytochrome c libération et MOMP. apaf-1 est activé par le cytochrome c liaison, déplaçant le domaine CARD. L'apoptose se forme avec la caspase-9, activant la caspase-3 et déclenchant l'apoptose.

Bcl-2 était le premier exemple d'un oncogène qui inhibe la mort cellulaire plutôt que favorise la prolifération. 67 La famille de protéines Bcl-2 est classée en deux groupes, pro-survie (Bcl-xL, Bcl-w, A1 et Mcl-1) et pro-apoptotique (Bax, Bak, Bok, Bid, Bim, Bad, Noxa et Puma). 68,69 Les protéines apoptogéniques peuvent en outre être classées par la quantité de domaines d'homologie Bcl-2 qu'elles contiennent. La classe de protéines uniquement BH3 contient un domaine BH3 et une hélice amphipathique responsable de l'interaction avec les membres de la famille Bcl-2. 70 La majorité des protéines BH3 uniquement se translocation vers la membrane externe mitochondriale lors de stimuli de mort. La relocalisation vers les mitochondries est une étape critique et essentielle dans la mort cellulaire car c'est l'interaction des protéines BH3 uniquement avec les membres de la famille pro-apoptotique Bcl-2 (Bax et Bak) qui favorisent la mort cellulaire. 70 Cette translocation des protéines BH3 uniquement se produit simultanément avec les changements de conformation et l'oligomérisation subséquente de Bax et Bak à la surface mitochondriale. 71

Dans les cellules de mammifères viables, Bax est situé dans le cytosol avec de petites quantités associées de manière lâche à la surface de la tochondrie. 72 cycles de Bax sur et hors de la membrane externe où il est rétrotransloqué vers le cytosol par Bcl-xL. 73 Cela peut être un point de contrôle réglementaire pour s'assurer que les niveaux de Bax sur les mitochondries ne s'accumulent pas à des niveaux qui entraînent une auto-activation. Inversement, lors de stimuli apoptotiques, Bax subit un changement de conformation en deux étapes où la région C-terminale hydrophobe une fois cachée dans la poche hydrophobe est exposée, provoquant la translocation de la protéine dans les mitochondries. 74 Un deuxième changement de conformation se produit lorsque les hélices 㬕 et 㬖 s'insèrent directement dans la membrane externe, aboutissant à la perméabilisation de la membrane externe mitochondriale (MOMP) et au cytochrome c Libération. 75 Le mécanisme qui déclenche l'association de Bax avec la surface mitochondriale dans les cellules saines n'est pas clair, cependant, les expériences réalisées avec des liposomes suggèrent que le contact avec la bicouche lipidique peut être suffisant. 76 En plus du Bcl-xL point de contrôle qui empêche les niveaux létaux d'accumulation de Bax sur les mitochondries, la composition de la membrane externe elle-même, à savoir la teneur en cholestérol, peut entraver le changement conformationnel complet requis pour activer l'apoptose. 77 La régulation de Bax est un processus complexe qui nécessite de nombreuses protéines supplémentaires dont le Bak pro-apoptotique. Bak est une protéine résidente de la membrane externe mitochondriale et est maintenue dans un état inactif par VDAC2, Mcl-1 et Bcl-xL. 78,79 Comme avec Bax, il faut que les protéines BH3 seules s'oligomérisent et provoquent la MOMP. 80 Au début du processus d'activation, le domaine BH3 de Bak est exposé et interagit par la suite avec le sillon hydrophobe d'une autre molécule de Bak. 81 Il est proposé que les Bax et Bak nouvellement oligomérisés forment un pore de transition, permettant aux protéines apoptogéniques, telles que le cytochrome c pour traverser, former l'apotosome actif et déclencher des caspases de bourreau en aval pour achever le processus apoptotique. 82,83


La biosynthèse des composants cellulaires

La biosynthèse des composants cellulaires (anabolisme) peut être considérée comme se déroulant en deux étapes principales. Dans le premier, les composés intermédiaires des voies centrales du métabolisme sont détournés du catabolisme ultérieur et sont canalisés vers des voies qui conduisent généralement à la formation de molécules relativement petites qui servent de blocs de construction, ou de précurseurs, de macromolécules.

Dans la deuxième étape de la biosynthèse, les éléments constitutifs sont combinés pour produire les macromolécules (protéines, acides nucléiques, lipides et polysaccharides) qui constituent la majeure partie des tissus et des composants cellulaires. Dans les organismes ayant la capacité génétique appropriée, par exemple, tous les acides aminés peuvent être synthétisés à partir d'ammoniac et d'intermédiaires des principales voies de fragmentation et d'oxydation des glucides. De tels intermédiaires agissent également comme précurseurs pour les purines, les pyrimidines et les sucres pentoses qui constituent l'ADN et pour un certain nombre de types d'ARN. L'assemblage de protéines nécessite la combinaison précise d'acides aminés spécifiques d'une manière hautement ordonnée et contrôlée, ce qui implique à son tour la copie, ou la transcription, en ARN de parties spécifiques de l'ADN (voir ci-dessous Acides nucléiques et protéines). La première étape de la biosynthèse requiert donc la spécificité normalement requise pour le fonctionnement efficace des séquences de réactions catalysées par des enzymes. La deuxième étape implique également - directement pour la synthèse des protéines et des acides nucléiques, moins directement pour la synthèse d'autres macromolécules - le maintien et l'expression de l'information biologique qui précise l'identité de la cellule, du tissu et de l'organisme.


Explication étape par étape du système de transport d'électrons

Le système de transport d'électrons peut se résumer aux étapes suivantes :

Étape 1: Génération de force motrice protonique

Dans la première étape de la chaîne de transport d'électrons, le NADH + et le FADH2 molécule de glycolyse et le cycle de Kreb est oxydé en NAD + et FAD, respectivement, avec la libération d'électrons et de protons de haute énergie. Les électrons diffusent dans le membrane mitochondriale interne qui consiste en une série de grands complexes protéiques.

Le passage d'électrons d'une protéine porteuse à une autre entraîne une perte d'énergie ou d'ATP. L'ATP est ensuite utilisé par les complexes protéiques pour déplacer les protons de la matrice vers l'espace intermembranaire. Ainsi, la diffusion des protons à travers la membrane mitochondriale interne est médiée via chimiosmose, ce qui crée un force motrice de protons à travers le gradient électrochimique.

Étape 2: Synthèse de la molécule de haute énergie ATP

Les ions H + génèrent une force motrice protonique qui facilite la une descente mouvement à travers le gradient de concentration de la membrane mitochondriale interne. Les ions H + ont tendance à rediffuser dans la matrice mitochondriale à travers les protéines du canal via un enzyme transmembranaire (ATP synthase) et ainsi produire ATP.

Étape 3: Réduction d'oxygène

Pour la poursuite du système de transport d'électrons, les électrons désexcités doivent être libérés via un accepteur d'électrons O2molécule. L'oxygène accepte les électrons du quatrième complexe. Finalement, le transporteur d'oxygène s'associe au protons libres et réduit au rendement H2O.

Composants d'ETS

Le système de transport d'électrons est la combinaison des éléments suivants :

Complexe I

Il est composé de flavine mononucléotide et de protéine fer-soufre. Complexe I ou "NADH déshydrogénase” oxyde le NADH + en NAD + et libère deux électrons et quatre protons. La NADH déshydrogénase pompe quatre protons du matrice à la cytosol et transfère deux électrons dans la membrane mitochondriale interne. Ainsi, la NADH déshydrogénase crée une concentration élevée en ions H + à travers le gradient électrochimique.

Coenzyme-Q ou "Ubiquinone” relie les complexes I et II. L'ubiquinone est un complexe liposoluble, qui peut se déplacer librement dans le noyau hydrophobe de la membrane mitochondriale. Q se réduit en QH2 and delivers its electron to the third complex. Coenzyme-Q receives the electron released from the NADH and FADH2 molecules.

Complex II

It consists of an enzyme, “Succinate dehydrogenase”, and contains iron and succinate. Complex II oxidizes FADH2 dans FAD + . Succinate dehydrogenase plus FADH2 directly transfers the electrons to the ETC, bypassing complex I. It does not energize the complex I and produce a few ATPs.

Complex III

Cytochrome-b, Oxidoreductase ou complex III consists of Fe-S protein with Rieske centre (2Fe-Fs). In cytochromes, the prosthetic group is heme, carrying electrons. As the electrons pass, the iron is reduced to Fe 2+ and oxidized to Fe 3+ . Therefore, cytochrome-b transfers electrons to the next complex, i.e. cytochrome c.

Cytochrome c

Cytochrome-c also contains Fe-S protein and prosthetic heme group. It only accepts one electron at a time and further transports electrons to the fourth complex.

Complex IV

It is composed of Cytochrome a et une3, which contains two heme groups (one in each). Cytochrome-a3 consists of three copper ions (two CuUNE et one CuB). The function of complex IV is to hold the oxygen carrier firmly between the iron and copper ions until the reduction of oxygen into a water molecule. Oxygen combines with the two proton molecules and releases water by maintaining the membrane ion potential.

Complex V

It is the protein ion channel consisting of a transmembrane enzyme (ATP-synthase or ATP-synthase complex). Complex V allows the passage of protons from a high to low concentration contre the potential gradient. The chemiosmotic passage of the protons results in molecular rotation of the enzyme ATP synthase and thereby causing a release of ATP.

Electron Transport Chain Summary

ETS refers to a system producing energy in the form of ATP via a series of chemical reactions. The ETS is located in the inner membrane of mitochondria, containing electron carrier protein complexes, electron carriers and channel proteins. Electrons pass from one complex to the other by redox reactions.

The free energy during electron transfer is captured as a proton gradient and used up by the ATP synthase to derive ATP. The electron carrier Co-Q receives the electrons formed by the reduction of FADH2 et NADH. Coenzyme-Q reduces into QH2 and passes the electrons to the third protein complex (cyt-b).

Complex III contains a heme group, where the Fe 3+ reduces into Fe 2+ after accepting the electrons coming from Co-Q. The third complex further transfers the electrons to cyt-c, where Fe 3+ reduces into Fe 2+ and transfers electrons to the fourth complex.

Complex IV accepts the electrons and transfers them to the oxygen carrier. The oxygen carries the de-energized electrons and combines with the free proton ions in the matrix, and releases waste in the form of water.

Mechanism of Electron Transport System

The electron transport chain sometimes refers to the “Respiratory chain”, which is the third or final stage of cellular respiration. It requires the presence of oxygen to carry out cellular respiration. The energy is produced during the transfer of electrons from one carrier to the other.

A cell harnesses the energy loss during electron transport to pump protons into the cytosol. It creates a chemiosmotic gradient. A chemiosmotic gradient becomes charged by the potential energy of the electrons. Finalement, le énergie potentielle converts into chemical energy (ATP) by the ATP synthase complex.

Thus, the electron transport system is an energy-producing mechanism, which obeys the principle of “Takes energy to make energy”. The ETS possesses a series of redox reactions where the electrons lose energy. The membrane uses the energy loss during the diffusion of protons back into the matrix and creates a high energy molecule, ATP.

Location of ETS

The electron transport system and its protein complexes, along with the ATP synthase channel protein, are located in the inner mitochondrial membrane. In a diagram, we could see the site of the electron transport chain, which is present in between the cytosol and matrix.

Il y a quatre large protein complexes in the electron transport chain, which mediate the transfer of electrons. In addition to protein complexes, there are individual electron carriers present like Co-Q et Cyt-C.

Both coenzyme-Q and cytochrome-C are diffusible electron carriers, which can travel within the membrane. Besides this, there is one ion channel protein (ATP-synthase) that mediates the transport of protons down the concentration gradient by generating ATP.

Equation of ETC

The overall reaction in the electron transport chain can be equated in a way given in a picture. In the electron transport chain, per molecule of glucose can produce 34 molecules of ATP, as given in the equation below:


Thus, the net production of energy in the electron transport chain is 34 ATP molecules.


The First Steps of Cellular Respiration

The first step of cellular respiration is glycolysis. Glycolysis occurs in the cytoplasm and involves the splitting of one molecule of glucose into two molecules of the chemical compound pyruvate. In all, two molecules of ATP and two molecules of NADH (high energy, electron carrying molecule) are generated.

The second step, called the citric acid cycle or Krebs cycle, is when pyruvate is transported across the outer and inner mitochondrial membranes into the mitochondrial matrix. Pyruvate is further oxidized in the Krebs cycle producing two more molecules of ATP, as well as NADH and FADH 2 molecules. Electrons from NADH and FADH2 are transferred to the third step of cellular respiration, the electron transport chain.


Stopping the Electron Transport Chain

One of the best ways to understand the function and purpose is to understand what happens if the electron transport chain stops. This can happen from two basic scenarios. The electron transport chain can stop because it does not have a source of electrons, or it can stop because it can no longer pass electrons on.

The first scenario would be caused by something like starvation. Without a source of glucose or other energy-rich molecules, cells would not be able to collect electrons on electron carriers. Without anything to transfer, the chain would simply stop pumping hydrogen ions. In turn, ATP synthase would stop functioning and the entire cell would soon run out of energy and deteriorate.

The second scenario is somewhat more common and happens when cells run out of oxygen. Organisms which are facultative anaerobes are able to use different processes when there is no oxygen for oxidative phosphorylation. In some organisms the process of fermentation allows glycolysis to continue, producing only a small amount of ATP. Without the electron transport chain, the cell still needs to recycle electron carriers. Dans le cas d alcohol fermentation, the electron carriers dump their electrons in a reaction which creates ethanol as a final product. This allows glycolysis to continue producing ATP, allowing the cells to live through periods of low oxygen content.