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LA CHAINE RESPIRATOIRE:
Plan :Introduction:Rappel:Architecture mitochondriale:Respiration cellulaireRedox et son potentiel d’énergieLes transporteurs des électrons  de la chaine respiratoire :le système navetteLe transport des électrons:
Introduction:Au sein de la cellule, la dégradation des nutriments issus de la digestion (glucose, acides amines, acides gras…) se fait par des réactions d’oxydation qui sont en réalité des réactions de déshydrogénation conduisant a la formation de coenzymes reduitsNADH et FADH2.En aerobiose, ces protons (H+) et ces électrons (e-) arrachés aux substrats sous forme d’équivalents réducteurs, lors du catabolisme, sont au final oxydés par l’O2 (accepteur final) pour former de l’eau.Une série de composes intermédiaires est nécessaire pour transporter ces protons et électrons du substrat a l’O2 : ces composes constituent une chaîne d’oxydation.C’est dans la membrane mitochondriale interne et plus particulièrement au niveau des crêtes mitochondriales que cette voie métabolique particulière de transfert d’H+ et d’e- intervient depuis le NADH (quelquefois le FADH2) jusqu’a l’O2 : c’est la chaîne respiratoire mitochondriale
Rappel:L’architecture mitochondriale:1. Membrane interne2. Membrane externe3. Espace intermembranaire4. Matrice
La Chaine Respiratoire
RESPIRATION CELLULAIRE : processus biochimique dont le but est la récupération d’énergie à partir de molécules organiques comme les lipides ou les glucides, pour assurer les synthèses nécessaires à la vie de la cellule. 3 étapes :♦  production d'AcoA (par le catabolisme des aa, des ag et des glucides)♦  oxydation de l'AcoA = cycle de Krebs (=> formation de GTP -> ATP réduction de cofacteurs : NADH,H+ et FADH2)♦  chaîne respiratoire = oxydation des cofacteurs (=> libération d'électrons)+ phosphorylation oxydative => synthèse d'ATP
La Chaine Respiratoire
les réactions d'oxydo-réduction:♦  oxydation = perte d'électrons / réduction = gain d'électrons                         NAD+ + 2H+ + 2e-                          NADH,H+♦  potentiel d'oxydoréduction = potentiel rédox = capacité à accepter / céder un électron                        ->  <0  => cèdera facilement ses électrons à H = composé réducteur                       ->  >0  => affinité plus grande pour les électrons que l'H = composé oxydant♦  pour les réactions biologiques, on parle de potentiel rédox standard Eo'ð  différence de potentiel rédox standard : ΔE0' = Eo'oxydant – Eo'réducteur (V)♦  ce transfert d'e- est associé à un transfert d'énergie (libérée au cours de la réaction d'oxydo-réduction et qui servira indirectement à la synthèse d'ATP) =variation d'énergie libre standard: ΔG0' = -nb d'e- transférés . f . ΔE0'(avec f = cste de Faraday = 23,06 kcal.V-1.mol-1                                         = 96,406 kJ.V-1.mol-1)
Exemple:♦  Calcul de ΔE0' lorsque 2 e- traversent la chaîne respiratoire :   NAD+ + 2H+ + 2e-  ─►  NADH,H+     ∆E0' =-0,32V  ½O2 + 2H+ + 2e-  ─►  H2O                 ∆E0' = +0,82 V Et :  NADH,H+ + ½O2  ─►  NAD+ + H2OD'où :              ΔE0' = (+0,82) – (-0,32) = +1,14 V                        ΔG0' = -2 x 23,06 x 1,14 = 52,6 kcal.mol-1 = 220 kJ.mol-1Une partie de l'énergie ainsi libérée va servir à la synthèse d'ATP :La synthèse d'1 ATP nécessite 8 kcal.mol-1            Si le rendement de la chaîne respiratoire était de 100%  =>  6 ATP de formés (52,6/8)            En pratique, le rendement = 40%  =>  3 ATP de formés.Le but de la chaîne respiratoire est – grâce à des transferts d'e- – de libérer de l'énergie utilisable pour la synthèse d'ATP.
La Chaine Respiratoire
Les transporteurs des électrons  de la chaine respiratoire :chaîne respiratoire = série de transporteurs d'e- qui sont:- des protéines intégrales de la mb interne mitochondriale                   - 2 composés mobiles coenzyme Q (ubiquinone) et cytochrome C qui assurent les liens entre les différents complexes protéiques de la membrane les e- passent des constituants les plus électronégatifs  (NADH,H+)  aux plus électropositifs (O2, qui est l'accepteur final des e-)
La Chaine Respiratoire
 Complexe I = NADH-ubiquinone réductase = NADH déshydrogénase:  42-43 sous-unités (dont 7 sont codées par l'ADN mitochondrial), 1 groupement prosthétique à FMN (Flavine MonoNucléotide)et 6 centres Fe-S permettant le passage des e- grâce aux atomes de Fe qui passent de l'état ferreux à l'état ferrique :  Fe2+  ─►  Fe3+ + e- Réaction globale:  NADH,H+ + UQ  ─►  NAD+ + UQH2 Il s'agit de 2 transferts monoélectroniques Les 2 e- du NADH,H+ sont transférés (1 par 1) sur la FMN puis sur les protéines Fe-S du complexe puis sur ubiquinone ou coenzyme Q.Le complexe I permet le passage des e- du NADH,H+sur le coenzyme Q qui est mobile et va donc pouvoir transporter les e- au complexe suivant.Inhibiteurs du complexe I :   Roténone (insecticide)                                                    Barbituriques (amytal)                                                    Merepidine (Dolosal)   en bloquant les flux d'e- entre les centres Fe-S et l'ubiquinone.
Complexe II = succinate-ubiquinone réductase = succinatedéshydrogénase:  8 polypeptides tous codés par l'ADN nucléaire, 4 centres Fe-S, 1 cytochrome b et 1 de ses sous-unités est une flavoprotéine (FAD) avec un centre Fe-S lequel va transférer les e- sur une autre protéine Fe-S jusqu'à l'ubiquinoneRéaction globale:  FADH2 + UQ  ─►  FAD + UQH2   (succinate + UQ  ─►  fumarate + UQH2)Le complexe II permet le passage des e- du FADH2 sur le coenzyme Q qui est mobile et va donc pouvoir transporter les e- au complexe suivant.Dans ce cas, on a donc réduction de l'UQ en UQH2 à partir du succinate. ΔE0' entre FADH2 et UQ n'est pas suffisante pour participer à la formation du gradient de protons (ce qui explique que seulement 2 ATP soient formés à partir du succinate vs 3 ATP avec le NADH,H+). Inhibiteurs du complexe II :   Malonate                                                     TTFA (Thénoyltrifluoroacétone)
Complexe III = ubiquinone-cytochrome C réductase: dimère (chaque monomère compte 11 sous-unités),2 cytochromes b et 1 cytochrome c, 1 centre Fe-SRéaction globale:  UQH2 + 2 cyt c (Fe3+)  ◄─►  UQ + 2H+ + 2 cyt c (Fe2+)Il y régénération de la forme oxydée du coenzyme Q (ubiquinone).Le complexe III permet le passage des e- entre 2 cofacteurs mobiles (coenzyme Q et cytochrome C). Le cytochrome C va assurer leur transfert au complex suivant.Les cytochromes sont des hémoprotéines. Ils possèdent un atome de Fe lié au noyau tétrapyrrolique qui sert à transporter un e- à la fois : Cyt (Fe3+) + 1e- ─►  Cyt (Fe2+)On distingue 3 types de cytochromes (a, b et c) avec des E0' différents: les e- passent du E0' le plus faible vers le plus élevé.ΔE0' entre UQH2 et le cytochrome C = +0,21 V ; cette énergie va concourir à la formation du gradient électrochimique nécessaire à la synthèse d'ATP.Inhibiteurs du complexe III :   Antimycine A                                                       Myxothiazol                                                       Dimercaprol (BAL)
La Chaine Respiratoire
Complexe IV = cytochrome C oxydase:dimère: 2 cytochromes a et a3 (propriétés spectrales et rédoxdifférentes) 2 atomes de Cu (Cua et Cub) associés respectivement aux cytochromes a et a3Réaction globale:  4 cyt c (Fe2+) + O2+ 4H+ ◄─►  4 cyt c (Fe3+) + 2 H2OIl y a régénération du cyt c.Le complexe IV est une source d'espèces radiculaires oxygénées très réactives (car très instables). Ce sont en particulier O2- (anion superoxyde), O22-(anion peroxyde) et OH- (radical hydroxyle).ΔE0' entre le cytochrome C et l'O2 = +0,562 V ; cette énergie va concourir à la formation du gradient électrochimique nécessaire à la synthèse d'ATP.Inhibiteurs du complexe IV :   Cyanure (se fixe sur le cyt a)                                                       CO (Monoxyde de Carbone ; se fixe sur le cyt a3)
Navettes mitochondriales:
La Chaine Respiratoire
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La Chaine Respiratoire

  • 2. Plan :Introduction:Rappel:Architecture mitochondriale:Respiration cellulaireRedox et son potentiel d’énergieLes transporteurs des électrons de la chaine respiratoire :le système navetteLe transport des électrons:
  • 3. Introduction:Au sein de la cellule, la dégradation des nutriments issus de la digestion (glucose, acides amines, acides gras…) se fait par des réactions d’oxydation qui sont en réalité des réactions de déshydrogénation conduisant a la formation de coenzymes reduitsNADH et FADH2.En aerobiose, ces protons (H+) et ces électrons (e-) arrachés aux substrats sous forme d’équivalents réducteurs, lors du catabolisme, sont au final oxydés par l’O2 (accepteur final) pour former de l’eau.Une série de composes intermédiaires est nécessaire pour transporter ces protons et électrons du substrat a l’O2 : ces composes constituent une chaîne d’oxydation.C’est dans la membrane mitochondriale interne et plus particulièrement au niveau des crêtes mitochondriales que cette voie métabolique particulière de transfert d’H+ et d’e- intervient depuis le NADH (quelquefois le FADH2) jusqu’a l’O2 : c’est la chaîne respiratoire mitochondriale
  • 4. Rappel:L’architecture mitochondriale:1. Membrane interne2. Membrane externe3. Espace intermembranaire4. Matrice
  • 6. RESPIRATION CELLULAIRE : processus biochimique dont le but est la récupération d’énergie à partir de molécules organiques comme les lipides ou les glucides, pour assurer les synthèses nécessaires à la vie de la cellule. 3 étapes :♦  production d'AcoA (par le catabolisme des aa, des ag et des glucides)♦  oxydation de l'AcoA = cycle de Krebs (=> formation de GTP -> ATP réduction de cofacteurs : NADH,H+ et FADH2)♦  chaîne respiratoire = oxydation des cofacteurs (=> libération d'électrons)+ phosphorylation oxydative => synthèse d'ATP
  • 8. les réactions d'oxydo-réduction:♦  oxydation = perte d'électrons / réduction = gain d'électrons NAD+ + 2H+ + 2e-     NADH,H+♦  potentiel d'oxydoréduction = potentiel rédox = capacité à accepter / céder un électron                        ->  <0  => cèdera facilement ses électrons à H = composé réducteur ->  >0  => affinité plus grande pour les électrons que l'H = composé oxydant♦  pour les réactions biologiques, on parle de potentiel rédox standard Eo'ð  différence de potentiel rédox standard : ΔE0' = Eo'oxydant – Eo'réducteur (V)♦  ce transfert d'e- est associé à un transfert d'énergie (libérée au cours de la réaction d'oxydo-réduction et qui servira indirectement à la synthèse d'ATP) =variation d'énergie libre standard: ΔG0' = -nb d'e- transférés . f . ΔE0'(avec f = cste de Faraday = 23,06 kcal.V-1.mol-1                                         = 96,406 kJ.V-1.mol-1)
  • 9. Exemple:♦  Calcul de ΔE0' lorsque 2 e- traversent la chaîne respiratoire :   NAD+ + 2H+ + 2e-  ─►  NADH,H+     ∆E0' =-0,32V  ½O2 + 2H+ + 2e-  ─►  H2O                 ∆E0' = +0,82 V Et :  NADH,H+ + ½O2  ─►  NAD+ + H2OD'où :              ΔE0' = (+0,82) – (-0,32) = +1,14 V                        ΔG0' = -2 x 23,06 x 1,14 = 52,6 kcal.mol-1 = 220 kJ.mol-1Une partie de l'énergie ainsi libérée va servir à la synthèse d'ATP :La synthèse d'1 ATP nécessite 8 kcal.mol-1            Si le rendement de la chaîne respiratoire était de 100%  =>  6 ATP de formés (52,6/8)            En pratique, le rendement = 40%  =>  3 ATP de formés.Le but de la chaîne respiratoire est – grâce à des transferts d'e- – de libérer de l'énergie utilisable pour la synthèse d'ATP.
  • 11. Les transporteurs des électrons de la chaine respiratoire :chaîne respiratoire = série de transporteurs d'e- qui sont:- des protéines intégrales de la mb interne mitochondriale - 2 composés mobiles coenzyme Q (ubiquinone) et cytochrome C qui assurent les liens entre les différents complexes protéiques de la membrane les e- passent des constituants les plus électronégatifs  (NADH,H+) aux plus électropositifs (O2, qui est l'accepteur final des e-)
  • 13.  Complexe I = NADH-ubiquinone réductase = NADH déshydrogénase:  42-43 sous-unités (dont 7 sont codées par l'ADN mitochondrial), 1 groupement prosthétique à FMN (Flavine MonoNucléotide)et 6 centres Fe-S permettant le passage des e- grâce aux atomes de Fe qui passent de l'état ferreux à l'état ferrique :  Fe2+  ─►  Fe3+ + e- Réaction globale:  NADH,H+ + UQ  ─►  NAD+ + UQH2 Il s'agit de 2 transferts monoélectroniques Les 2 e- du NADH,H+ sont transférés (1 par 1) sur la FMN puis sur les protéines Fe-S du complexe puis sur ubiquinone ou coenzyme Q.Le complexe I permet le passage des e- du NADH,H+sur le coenzyme Q qui est mobile et va donc pouvoir transporter les e- au complexe suivant.Inhibiteurs du complexe I :   Roténone (insecticide)                                                    Barbituriques (amytal)                                                    Merepidine (Dolosal)   en bloquant les flux d'e- entre les centres Fe-S et l'ubiquinone.
  • 14. Complexe II = succinate-ubiquinone réductase = succinatedéshydrogénase:  8 polypeptides tous codés par l'ADN nucléaire, 4 centres Fe-S, 1 cytochrome b et 1 de ses sous-unités est une flavoprotéine (FAD) avec un centre Fe-S lequel va transférer les e- sur une autre protéine Fe-S jusqu'à l'ubiquinoneRéaction globale:  FADH2 + UQ  ─►  FAD + UQH2   (succinate + UQ  ─►  fumarate + UQH2)Le complexe II permet le passage des e- du FADH2 sur le coenzyme Q qui est mobile et va donc pouvoir transporter les e- au complexe suivant.Dans ce cas, on a donc réduction de l'UQ en UQH2 à partir du succinate. ΔE0' entre FADH2 et UQ n'est pas suffisante pour participer à la formation du gradient de protons (ce qui explique que seulement 2 ATP soient formés à partir du succinate vs 3 ATP avec le NADH,H+). Inhibiteurs du complexe II :   Malonate                                                     TTFA (Thénoyltrifluoroacétone)
  • 15. Complexe III = ubiquinone-cytochrome C réductase: dimère (chaque monomère compte 11 sous-unités),2 cytochromes b et 1 cytochrome c, 1 centre Fe-SRéaction globale:  UQH2 + 2 cyt c (Fe3+)  ◄─►  UQ + 2H+ + 2 cyt c (Fe2+)Il y régénération de la forme oxydée du coenzyme Q (ubiquinone).Le complexe III permet le passage des e- entre 2 cofacteurs mobiles (coenzyme Q et cytochrome C). Le cytochrome C va assurer leur transfert au complex suivant.Les cytochromes sont des hémoprotéines. Ils possèdent un atome de Fe lié au noyau tétrapyrrolique qui sert à transporter un e- à la fois : Cyt (Fe3+) + 1e- ─►  Cyt (Fe2+)On distingue 3 types de cytochromes (a, b et c) avec des E0' différents: les e- passent du E0' le plus faible vers le plus élevé.ΔE0' entre UQH2 et le cytochrome C = +0,21 V ; cette énergie va concourir à la formation du gradient électrochimique nécessaire à la synthèse d'ATP.Inhibiteurs du complexe III :   Antimycine A                                                       Myxothiazol                                                       Dimercaprol (BAL)
  • 17. Complexe IV = cytochrome C oxydase:dimère: 2 cytochromes a et a3 (propriétés spectrales et rédoxdifférentes) 2 atomes de Cu (Cua et Cub) associés respectivement aux cytochromes a et a3Réaction globale:  4 cyt c (Fe2+) + O2+ 4H+ ◄─►  4 cyt c (Fe3+) + 2 H2OIl y a régénération du cyt c.Le complexe IV est une source d'espèces radiculaires oxygénées très réactives (car très instables). Ce sont en particulier O2- (anion superoxyde), O22-(anion peroxyde) et OH- (radical hydroxyle).ΔE0' entre le cytochrome C et l'O2 = +0,562 V ; cette énergie va concourir à la formation du gradient électrochimique nécessaire à la synthèse d'ATP.Inhibiteurs du complexe IV :   Cyanure (se fixe sur le cyt a)                                                       CO (Monoxyde de Carbone ; se fixe sur le cyt a3)
  • 20. L’enchainement des complexes de la chaine respiratoire: