10. C ONVERSION DE L ' ÉNERGIE : MITOCHONDRIES ET CHLOROPLASTES.L ES P EROXYSOMES 303
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
déshydrogénase, contenant des protéines à centres
Fe/S, qui n’acceptent eux-mêmes que des électrons). Le sort des protons ainsi libérés et exclus
du transport sera évoqué plus loin. L’intervention
ultérieure du CoQ fait à nouveau appel à des protons (prélevés dans la matrice) qui s’associent à
son niveau aux électrons transférés le long de la
chaîne ; on rappelle que ce coenzyme est un transporteur d’hydrogène alors que les cytochromes
sont exclusivement des transporteurs d’électrons.
En fin de chaîne, les électrons servent à activer
I’oxygène moléculaire qui, en présence des protons, séparés dès le début de l’opération, donnera
l’eau (déchet du métabolisme respiratoire), selon
la réaction globale présentée dans la figure 10.10.
Comme le NADH est une molécule très réductrice, les électrons qui entrent dans cette chaîne
d’oxydoréductions ont une très haute énergie et ils
la perdent progressivement au cours de leurs différents échanges. Le fractionnement de cette réaction globale de mise en commun de H 2 et O pour
former H 2 O évite que toute l’énergie soit inutilement transformée en chaleur (comme en chimie
minérale) et permet son stockage sous une forme
exploitée ultérieurement pour fabriquer de l’ATP.
Il existe trois étapes susceptibles de «dégager» de
l’énergie libre en quantité significative, car le ∆ E’°
entre les complexes Red./Ox. concernés correspond à un saut énergétique important. Le calcul
de la variation d’énergie libre (dans les conditions
standard) fournit les résultats suivants :
NADH → CoQ : ∆ E°’ = 0,27 volt
( ∆ G°’ = –51kJ.mol
–1
)
CoQ/cyt.b → cyt.c : ∆ E°’ = 0,22 volt
( ∆ G°’ = –41,4 kJ.mol
–1
)
cyt.c/cyt.a.a3 → O 2 : ∆ E°’ = 0,53 volt
( ∆ G°’ = –99,5 kJ.mol
–1
)
Ces trois étapes correspondent en fait au fonctionnement des trois complexes précédemment
signalés, qui se comportent comme des dispositifs
de conversion énergétique, grâce à un mécanisme
original de couplage énergétique que nous analyserons plus loin. Chacun de ces trois sauts énergétiques est théoriquement susceptible de permettre
la phosphorylation de l’ADP + Pi en ATP puisqu’on
sait que le ∆ G°’ d’hydrolyse de cette molécule est
de –30,5 kJ.mol
–1
(le ∆ G°’ de la réaction inverse de
synthèse étant donc de +30,5 kJ.mol
–1
).
La succinate-déshydrogénase constitue un quatrième complexe membranaire (130 kDa), qui est
tourné vers l’intérieur de la membrane et a ainsi
aisément accès aux substrats matriciels. La réoxydation du FADH 2 fourni par la réaction qu’il catalyse se fait directement sur le CoQ, qui se réoxyde
par la voie habituelle. On note que, dans ce cas, le
premier des trois sauts énergétiques décrits plus
haut est court-circuité, de sorte que la récupération
de l’énergie à partir de ce substrat réduit est inférieure à celle que permet l’utilisation du NADH
(2 ATP au lieu de 3). La dernière question reste
donc de savoir comment cette énergie potentielle
est récupérée par la mitochondrie et comment elle
est finalement transformée en ATP.
2.4. Création d’un gradient transmembranaire
de protons. Son exploitation grâce à I’ATP
synthétase
Lors de la circulation des électrons à travers les
trois complexes transmembranaires analysés plus
haut, l’énergie dissipée est en fait utilisée pour
assurer, au niveau de chacun d’eux, un pompage
de protons à partir de la matrice et leur expulsion
dans l’espace intermembranaire. L’importante
énergie libre dégagée au cours des échanges d’électrons évoqués précédemment est nécessaire pour
permettre le transfert des protons contre leur gradient de concentration, ce qui est évidemment un
phénomène non spontané et consommateur
d’énergie. L’asymétrie de la membrane interne est
donc une nécessité absolue pour la réalisation
d’un processus qui est fondamentalement vectoriel. Ce phénomène de pompage est directement
mis en évidence grâce à la réalisation de protéoliposomes dans la membrane desquels chaque complexe purifié est intégré (voir chapitre 5). Lorsqu’un
donneur et un accepteur d’électrons appropriés
sont fournis à ces systèmes reconstitués, on démontre l’existence d’un transfert de protons à travers la
membrane. Le mécanisme intime par lequel le
transport des électrons est couplé au pompage des
H
+
est encore mal connu et sans doute différent
pour les trois complexes respiratoires.
Le résultat du fonctionnement de la chaîne respiratoire est la réalisation d’un gradient de
concentration de protons de part et d’autre de la
membrane mitochondriale interne : il y a déficit en
H
+
dans la matrice (pH basique) et excès dans
l’espace intermembranaire (pH acide) (voir
figure 10.11). Ceci s’accompagne d’une différence
de charge électrique puisque la face intérieure de
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
déshydrogénase, contenant des protéines à centres
Fe/S, qui n’acceptent eux-mêmes que des électrons). Le sort des protons ainsi libérés et exclus
du transport sera évoqué plus loin. L’intervention
ultérieure du CoQ fait à nouveau appel à des protons (prélevés dans la matrice) qui s’associent à
son niveau aux électrons transférés le long de la
chaîne ; on rappelle que ce coenzyme est un transporteur d’hydrogène alors que les cytochromes
sont exclusivement des transporteurs d’électrons.
En fin de chaîne, les électrons servent à activer
I’oxygène moléculaire qui, en présence des protons, séparés dès le début de l’opération, donnera
l’eau (déchet du métabolisme respiratoire), selon
la réaction globale présentée dans la figure 10.10.
Comme le NADH est une molécule très réductrice, les électrons qui entrent dans cette chaîne
d’oxydoréductions ont une très haute énergie et ils
la perdent progressivement au cours de leurs différents échanges. Le fractionnement de cette réaction globale de mise en commun de H 2 et O pour
former H 2 O évite que toute l’énergie soit inutilement transformée en chaleur (comme en chimie
minérale) et permet son stockage sous une forme
exploitée ultérieurement pour fabriquer de l’ATP.
Il existe trois étapes susceptibles de «dégager» de
l’énergie libre en quantité significative, car le ∆ E’°
entre les complexes Red./Ox. concernés correspond à un saut énergétique important. Le calcul
de la variation d’énergie libre (dans les conditions
standard) fournit les résultats suivants :
NADH → CoQ : ∆ E°’ = 0,27 volt
( ∆ G°’ = –51kJ.mol
–1
)
CoQ/cyt.b → cyt.c : ∆ E°’ = 0,22 volt
( ∆ G°’ = –41,4 kJ.mol
–1
)
cyt.c/cyt.a.a3 → O 2 : ∆ E°’ = 0,53 volt
( ∆ G°’ = –99,5 kJ.mol
–1
)
Ces trois étapes correspondent en fait au fonctionnement des trois complexes précédemment
signalés, qui se comportent comme des dispositifs
de conversion énergétique, grâce à un mécanisme
original de couplage énergétique que nous analyserons plus loin. Chacun de ces trois sauts énergétiques est théoriquement susceptible de permettre
la phosphorylation de l’ADP + Pi en ATP puisqu’on
sait que le ∆ G°’ d’hydrolyse de cette molécule est
de –30,5 kJ.mol
–1
(le ∆ G°’ de la réaction inverse de
synthèse étant donc de +30,5 kJ.mol
–1
).
La succinate-déshydrogénase constitue un quatrième complexe membranaire (130 kDa), qui est
tourné vers l’intérieur de la membrane et a ainsi
aisément accès aux substrats matriciels. La réoxydation du FADH 2 fourni par la réaction qu’il catalyse se fait directement sur le CoQ, qui se réoxyde
par la voie habituelle. On note que, dans ce cas, le
premier des trois sauts énergétiques décrits plus
haut est court-circuité, de sorte que la récupération
de l’énergie à partir de ce substrat réduit est inférieure à celle que permet l’utilisation du NADH
(2 ATP au lieu de 3). La dernière question reste
donc de savoir comment cette énergie potentielle
est récupérée par la mitochondrie et comment elle
est finalement transformée en ATP.
2.4. Création d’un gradient transmembranaire
de protons. Son exploitation grâce à I’ATP
synthétase
Lors de la circulation des électrons à travers les
trois complexes transmembranaires analysés plus
haut, l’énergie dissipée est en fait utilisée pour
assurer, au niveau de chacun d’eux, un pompage
de protons à partir de la matrice et leur expulsion
dans l’espace intermembranaire. L’importante
énergie libre dégagée au cours des échanges d’électrons évoqués précédemment est nécessaire pour
permettre le transfert des protons contre leur gradient de concentration, ce qui est évidemment un
phénomène non spontané et consommateur
d’énergie. L’asymétrie de la membrane interne est
donc une nécessité absolue pour la réalisation
d’un processus qui est fondamentalement vectoriel. Ce phénomène de pompage est directement
mis en évidence grâce à la réalisation de protéoliposomes dans la membrane desquels chaque complexe purifié est intégré (voir chapitre 5). Lorsqu’un
donneur et un accepteur d’électrons appropriés
sont fournis à ces systèmes reconstitués, on démontre l’existence d’un transfert de protons à travers la
membrane. Le mécanisme intime par lequel le
transport des électrons est couplé au pompage des
H
+
est encore mal connu et sans doute différent
pour les trois complexes respiratoires.
Le résultat du fonctionnement de la chaîne respiratoire est la réalisation d’un gradient de
concentration de protons de part et d’autre de la
membrane mitochondriale interne : il y a déficit en
H
+
dans la matrice (pH basique) et excès dans
l’espace intermembranaire (pH acide) (voir
figure 10.11). Ceci s’accompagne d’une différence
de charge électrique puisque la face intérieure de