LES NAVETTESLES NAVETTES& &

LA PHOSPHORYLATION LA PHOSPHORYLATION OXYDATIVEOXYDATIVE

LA RESPIRATION CELLULAIRE ALA RESPIRATION CELLULAIRE AÉÉROBIEROBIE

La respiration cellulaire aLa respiration cellulaire aéérobie comprend 3 stades robie comprend 3 stades mméétaboliques: taboliques:

1. La glycolyse

2. Le cycle de Krebs

3. La chaîne de transport d’électrons et phosphorylation oxydative

CYTOSOL

MATRICE MITOCHONDRIALE

MEMBRANE INTERNE DE LA MITOCHONDRIE

LA RESPIRATION CELLULAIRE ALA RESPIRATION CELLULAIRE AÉÉROBIEROBIE

Phase dPhase d’’investissement dinvestissement d’é’énergienergie

GlycolyseGlycolyse

Le glucose entre dans la cellule par une perméase.Deux phosphorylation se succèdent.La molécule résultante est scindée en 2.On obtient 2 molécules de phosphoglycéraldéhyde (PGAL)qui vont prendre part à la deuxième phase.

Phase de libPhase de libéération dration d’é’énergienergie

Il y a une réaction d’oxydation qui réduit le NAD+ en NADH + H+ (x2).

On attache du Pi au PGAL.

Il y a création de 2 molécules d’ATP.

On réarrange les électrons du substrat.

Il y a création de 2 autres molécules d’ATP.

Bilan total de la glycolyseBilan total de la glycolyse

+ 2 ATP

+ 2 NADH + 2 H+

Glucose 2 PGAL 2 Pyruvate

LA RESPIRATION CELLULAIRE ALA RESPIRATION CELLULAIRE AÉÉROBIEROBIE

Le pyruvate entre dans la mitochondrie grâce à une perméase

DECARBOXYLATION OXYDATIVEDECARBOXYLATION OXYDATIVE

Les groupements carboxyles des pyruvates sont éliminés et libérés sous forme de CO2.

Les fragments restants sont oxydés et le NAD+ est réduit en NADH + H+ (x2).

La coenzyme A s’unit avec les molécules formées.

On obtient 2 molécules d’acétyl-CoA qui peuvent entrer dans le cycle de Krebs.

L’acétyl-CoA entre dans le cycle en se liant àl’oxaloacétate pour former du citrate.

Il y a 3 oxydations qui réduisent le NAD+ en NADH + H+ (x2).

Il y a 1 oxydation qui réduit le FAD en FADH2 (x2).

Il y a création de 2 ATP.

Cycle de KrebsCycle de Krebs

2Pyruvates 2acétyl-CoA + 2oxaloacétates 2citrates 2oxaloacétates

Bilan total du cycle de KrebsBilan total du cycle de Krebs

+ 2 ATP

+ 8 NADH + 8 H+

+ 2 FADH2

+ 6 CO2

LA RESPIRATION CELLULAIRE ALA RESPIRATION CELLULAIRE AÉÉROBIEROBIE

La majeure partie de l’énergie extraite des nutriments est libéré par le NADH + H+ et la FADH2.

le NADH + H+ et la FADH2 relient la glycolyse et le cycle de Krebs à la machinerie de la phosphorylation oxydative, qui alimente la synthèse de l’ATP avec l’énergie libérée par la chaîne de transport d’électrons.

ChaChaîîne de transport dne de transport d’é’électrons lectrons et phosphorylation oxydativeet phosphorylation oxydative

L'oxydation d'une substance organique consiste dans la plupart des cas en une perte d'hydrogène (déshydrogénation).

Un atome d'hydrogène (H) extrait d'une molécule organique peut être imaginé comme décomposé en

un ion hydrogène, un proton (H+) et un électron (e-).

C'est pour cette raison qu'une molécule qui perd de l'hydrogène perd un électron, et donc s'oxyde.Au cours de la respiration, l'hydrogène finit toujours par se lier à l'oxygène pour former de l'eau.

NADH2 ou FADH2 sont des donneurs d'hydrogènes.

L'hydrogène cédé passe avec son électron le long d'une chaîne d'au moins cinq composés, les transporteurs d'électrons, à travers une succession de réactions d'oxydoréduction, avant de se lier à l'oxygène.

Chacune de ces réactions de déshydrogénation libère une certaine quantité d'énergie, qui est utilisée pour former l'ATP, une molécule qui fonctionne comme une réserve d'énergie.

NADH + ½ O2 + H+ → NAD+ + H2O

NADH et FADH2 formés au cours de la glycolyse et le cycle de Krebs sont des molécules « riches en énergie » car elles possèdent une paire d’électrons à haut potentiel de transfert. Quand ces électrons sont donnés à une molécule d’oxygène, une grande quantitéd’énergie libre est libérée.L’énergie libre de la réoxydation des coenzymes est utilisable pour créer de l’ATP.

L'oxygène accepte les électrons à la fin de la chaîne et se combine aux 2 H+

pour former de l'eau.

Le NADH (ou le FADH2) cède ses électrons riches en énergie à un transporteur d'électrons de la membrane interne de la mitochondrie.

Les électrons passent d'un transporteur àl'autre. Àchaque transfert, ils perdent de l'énergie.

•Des atomes d’hydrogènes sont arrachés à NADH, H+ ou (FADH2).

•Ces atomes pénètrent dans la chaîne respiratoire oùils sont dissociés en protons et électrons.• Des coenzymes à l’oxygène, les protons et électrons sont transportés à travers une chaîne d’oxydo-réduction constituée par les composants de la chaîne respiratoire.•Les électrons sont transférés via le Coenzyme Q et une série d’enzymes, les cytochromes, jusqu’àl’oxygène moléculaire. Ils réagissent avec l’oxygène et les protons pour former de l’eau.

•Les protons passent de la membrane interne àl’espace intermembranaire via les complexes 1, 3 et 4 fonctionnant comme des pompes.

La CRM et phosphorylation oxydative

C1                C2           Acyl‐CoA DH    C3             C4         C5

Espace IntermbR

Matrice mito

NADH+H+ NAD+

FMN

FeS

4H+

SuccinateFumarate Acyl‐coA

Δacyl‐coA

Gly3‐P DHAP

FADH2

FeSFADH2

FeS

FADH2

FeS

Navette Glycérol 3P

CoE Q CoE QH2

Cyt b

Cyt C1

Cyt c (Fe2+)

Cyt c (Fe3+) Cyt a

FeS

Cyt a3

Cu2+

Cu2+

2H+ + ½ O2 + 2e‐ H2O

4H+ 2H+

α β

H+ADP + Pi ATP

NADH+H+

FMN

NAD+

FMNH2

2Fe 3+

2Fe 2+

COMPLEXE I

Q

QH2

4H+

QH2 QH2

H+,H+H+,H+

QH2

COMPLEXE III

QH2

QH2

H+,H+e-,e-

H+,H+

e-,e-

H+,H+

e-,e-cytbL

cytbH

FeS

cytc1

H+,H+

cytbL

cytbH

FeS

cytc1

cytccytc

QH2

COMPLEXE III

QH2

cytbL

cytbH

FeS

cytc1

H+,H+

cytccytc cytccytc cytccytc cytccytc cytccytc cytccytc

H+,H+

H+,H+

COMPLEXE IV

cytbH

cytccytc

Cyta

cytccytc cytccytc

Cyta

H+

Cyta3

H+

H+cytccytc

H+H+

Cyta3

1/2 O2 H2O1/2 O2 H2O

H+

4H+

NADH + H+1/2 O2

H+H+H+

H+IIII IV

H+

H+H+

H+H+

H+

3H+

ATPADP

Pi

F0

F1 matrice

L'énergie provenant des électrons transférés sert à"pomper" des ions H+ dans l'espace intermembranairede la mitochondrie (entre la membrane externe et l'interne)

Le pH dans l’espace intermembranaire est de 7, et celui dans la matrice mitochondriale est de 8.

Accumulation d'ions H+ dans l'espace intermembranaire

Gradient de concentration : l'espace intermembranairedevient plus concentré en ions H+

(plus acide).

Gradient électrique : un côté de la membrane devient positif (accumulation d'ions +) et l'autre, négatif (déficit en ions + par rapport aux ions -).

Formation d'un gradient électrochimique

Gradient électrochimique ==> les ions H+ ont tendance àdiffuser vers la matrice (= force protomotrice). Ils le font en passant par des ATP synthétases.

¤ Le réel potentiel énergétique pour la synthèse d'ATP provient de la FORCE PROTON MOTRICE

¤ C'est le retour des protons vers la matrice, qui est le moteur de la machinerie de la synthèse de l'ATP.

¤ Il faut 3 protons pour synthétiser une molécule d'ATP et lors de ce transfert :10 protons sont expulsés pour deux électrons fournis par le (NADH + H+) réoxydé6 protons sont expulsés pour deux électrons fournis par le (FADH2) réoxydé.

Chaque NADH + HNADH + H++ libère assez d’énergiepour la formation de 3 ATP3 ATP.

Chaque FADHFADH22 libère assez d’énergie pour la formation de 2 2 ATPATP.

La CRM et phosphorylation oxydativeBut: - Réoxydation de NADH+ et FADH2- Utilisation du pouvoir réducteur de ces co-Enzymes pour la

synthèse d’ATP

La synthèse d’ATP se fait grâce:- Force proton motrice du au passage des protons à travers F1- Gradient de pH ( pH(Espace intermembranaire) < pH(matrice) )- Potentiel électrique (accumulation de charges + dans l’espace

intermembranaire)

La vitesse de phosphorylation oxydative dépend:- De l’apport en NADH- De l’apport en oxygène

RRééoxydationoxydation des NADH,H+ des NADH,H+ cytosoliquescytosoliques / / RRééggéénnéération du pouvoir oxydant de la glycolyse : ration du pouvoir oxydant de la glycolyse :

les navettesles navettes

Le NADH,H+ a deux origines :

• cytosolique : Il est formé essentiellement dans la réaction d'oxydoréduction de la glycolyse, par consommation de NAD+ (pouvoir oxydant de la glycolyse).

•Mitochondriale : Il est formé dans les réactions d'oxydation du pyruvate, des acides gras et du cycle de Krebs.Le NADH,H+ formé dans ces conditions est déjà à l’intérieur de la mitochondrie et sa réoxydation est assurée par le transport des électrons jusqu’à l’oxygène par la chaîne respiratoire.

La La rrééoxydationoxydation de NADH,H+ en NAD+, indispensablede NADH,H+ en NAD+, indispensableau maintien de lau maintien de l’’activitactivitéé glycolytique, nglycolytique, n’’est pas assurest pas assuréée e dans le cytosol des organismes adans le cytosol des organismes aéérobies et nrobies et n’’est possible est possible que si ses que si ses éélectrons sont transportlectrons sont transportéés dans la s dans la mitochondrie et jusqumitochondrie et jusqu’à’à ll’’oxygoxygèène.ne.

La difficultLa difficultéé vient du fait que le NADH,H+ vient du fait que le NADH,H+ cytosoliquecytosoliquene peut pas traverser la membrane mitochondriale ne peut pas traverser la membrane mitochondriale interne qui ne dispose pas de transporteur pour les interne qui ne dispose pas de transporteur pour les coenzymes nicotiniques (NADH,H+ et NAD+). coenzymes nicotiniques (NADH,H+ et NAD+).

Pour contourner ces difficultPour contourner ces difficultéés, la cellule a ds, la cellule a dééveloppveloppéédes navettesdes navettes qui assurent le transport des qui assurent le transport des éélectrons et lectrons et des protons du cytosol dans la matrice des protons du cytosol dans la matrice àà travers la travers la membrane mitochondriale.membrane mitochondriale.

Le principe est simple. La navette est assurée par des composés qui peuvent être transportés, sous forme oxydée ou réduite, à travers la membrane mitochondriale interne grâce à des transporteurs spécifiques.

Elle utilise ll’’interconversioninterconversion des fonctions cdes fonctions céétone et tone et alcoolalcool secondairesecondaire.

Le composé transporteur oxyde, dans le cytosol, le NADH,H+ en récupérant les électrons et les protons. Il traverse la membrane interne et restitue, en se réoxydant, les électrons et les protons à NAD+ ou FAD mitochondrial. Il retourne ensuite dans le cytosol.

La navette utilise l’interconversion du 3-P dihydroxyacétone et du 3-P glycérol. La réaction est catalysée par la 3-P glycérol déshydrogénase à NADH,H+/NAD+ dans le cytoplasme et à FADH2/FAD dans la matrice mitochondriale.

Navette Navette 33--P GlycP Glycéérol/3rol/3--P P dihydroxyacdihydroxyacéétonetone

Deux glycérol phosphate déshydrogénases différentes participent à cette navette :

• une, cytosolique, coenzyme NAD+ ;• l'autre, mitochondriale, située sur la face externe de la membrane interne, coenzyme FAD.

Les équivalents réducteurs du NADH cytosolique se retrouvent par le jeu de ces deux enzymes au niveau du FADH2 dans la membrane interne mitochondriale. Puis, ces deux électrons sont transférés, via l'ubiquinone, au complexe III de la chaîne respiratoire. Donc, la réoxydation du NADH cytosolique par cette navette a un coût énergétique ; elle ne permet la synthèse que de 2 ATP au lieu des 3 produits par la réoxydation d'un NADH mitochondrial.

Navette pour le NADHNavette pour le NADH

La navette est plus compliquée car elle suppose d’abord la formation de l’oxaloacétate par une réaction de transamination entre l’aspartate et l’alpha-cétoglutarate.

L’oxaloacétate formé ne dispose pas de transporteur. Il est réduit en malate par les électrons et les protons de NADH,H+ cytosolique. Le malate, l’aspartate et l’alpha-cétoglutarate sont capables de traverser la membrane mitochondriale interne. L’interconversiondu malate et de l’oxaloacétate est catalysée par la malate déshydrogénase.

Navette Navette AspartateAspartate//malatemalate

52

Malate-Aspartate Shuttle (liver, kidney, heart)

α-ketoglutarate

Glutamate

Fig. 16-9

SummaryGlucose

ATP

A RETENIR• Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques de la cellule, il est composé du catabolisme (dégradations) et de l'anabolisme (synthèses).• La glycolyse est la transformation du glucose en deux molécules d'acide pyruvique, elle se déroule dans le cytoplasme.• L'acide pyruvique est transformé en acétylcoenzyme A, qui sera totalement dégradé dans la matrice de la mitochondrie.• La chaîne respiratoire oxyde les coenzymes réduits au cours des réactions précédentes, et permet à l'ATPasede produire de l'ATP, au niveau des crêtes mitochondriales.• Le bilan global de la combustion d'une molécule de glucose est la production de 36 ou 38 molécules d'ATP selon les navettes et de chaleur.

FIN

FFIINN