Les Enzymes
1. Définition
Les enzymes sont des
composés protéiques produits par les organismes vivants, organismes dont ils
catalysent les réactions. L'enzyme se lie et agit sur un substrat pour donner
le produit correspondant selon le schéma suivant:
Les enzymes étant des composés protéiques, on a pu les extraire
des cellules tout en conservant leur propriétés biologiques. Ceci a permis leur
purification et étude.
2. Constitution
2.1. Deux
possibilités
Il est fréquent de rencontrer des enzymes divisibles en deux
parties: une partie protéique : l'apoenzyme, et une partie non protéique : le coenzyme (se distingant de l'autre partie car dialysable). Les deux parties réunies forment l'holoenzyme.
On distingue donc:
On distingue donc:
- des enzymes entièrement protéiques,
la protéine enzymatique réalisant elle-même l'action. Citons par exemple
laglutaminase,
catalyseur de la transformation de glutamine en glutamate et NH4+
par utilisation d'une molécule d'H2O.
- des holoenzymes : apoenzyme + coenzyme.
La protéine fixera le substrat et le coenzyme sera responsable de la
réaction chimique. Citons par exemple la glutamate déshydrogénase nécessitant le NAD+ pour réaliser
la déshydrogénation oxydative du glutamate. Le NAD+ va
se transformer en NADH,H+ et la réaction fournit de
l'α-cétoglutarate et du NH4+.
A un enzyme correspond un coenzyme.
Un coenzyme n'est pas spécifique d'un enzyme, il est commun à plusieurs enzymes.
Un coenzyme n'est pas spécifique d'un enzyme, il est commun à plusieurs enzymes.
2.2. Les
coenzymes
2.2.1. Les
coenzymes des réactions d'oxydo-réductions
Ils sont au nombre de 4:
- le FMN: Flavine MonoNucléotide,
- le FAD: Flavine Adénine Dinucléotide,
- le NAD: Nicotinamide Adénine Dinucléotide,
- Le NADP: Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate
A ces 4 coenzymes correspondent 2 parties réactives intervenant
dans la réaction:
- la structure flavinique pour le FMN et le FAD,
- la structure nicotinamide pour le NAD et le NADP.
2.2.1.1. La
structure flavinique
C'est le noyau isoalloxazine qui est actif. Le FMN et le FAD ont une liaison forte à
l'apoenzyme.
Le FMN est un nucléotide comportant la flavine comme
base et le ribitol comme ose à 5 carbones. La riboflavine correspond à la vitamine
B2 active. Son équation rédox est :
FMN + 2H+
+ 2e- <--> FMNH2.
Le FAD contient 2 bases: flavine et une base purique :
l'adénine, il contient également 2 oses :
ribitol et ribose.
A l'état oxydé, FMN et FAD sont jaunes et absorbe à 450 nm.
A l'état réduit, on observe une diminution de la coloration.
A l'état réduit, on observe une diminution de la coloration.
2.2.1.2. La
structure nicotinamide
C'est l'amide de l'acide nicotinique qui est actif. NAD et NADP sont faiblement
liés à l'apoenzyme. L'équation rédox correspondante est :
amine
nicotinique (acide nicotinique + NH2) + 2H+ + 2e- <--> NADH (NADPH) + H+
Le NAD+ comporte 2 nucléotides: adénine et nucléotide (fixant un hydrogène), et 2 oses : 2 riboses. Celui qui est lié à
l'adénine comporte sur son OH la liaison au phosphate.
A l'état oxydé, on observe une diminution de l'absorbance.
A l'état réduit, NAD+ et NADP absorbent à 340 nm.
A l'état réduit, NAD+ et NADP absorbent à 340 nm.
2.2.2. Le
coenzyme A ou CoA ou CoASH
Le CoEnzyme-A est le transporteur universel des
groupes acyles, A signifie acétylation. Ceci correspond à la réaction: CoASH + R-COOH --> R-CO~SCoA + H2O.
La partie réactive du CoA est l'acide panthothénique correspondant à la vitamine B5. C'est cette partie qui fixera l'acyl. Le β-mercaptoéthanolamine est lié à l'acide panthothénique lui-même lié à l'adénosine diphosphate(ADP).
La partie réactive du CoA est l'acide panthothénique correspondant à la vitamine B5. C'est cette partie qui fixera l'acyl. Le β-mercaptoéthanolamine est lié à l'acide panthothénique lui-même lié à l'adénosine diphosphate(ADP).
2.2.3. Le
phosphate de pyridoxal
C'est le coenzyme des réactions de transaminations : acide aminé 1 + acide α-cétonique 2 <--> acide
aminé 2 + acide α-cétonique 1.
La partie réactive est le radical aldéhyde. Le pyridoxal correspond à la vitamine B6 active.
La partie réactive est le radical aldéhyde. Le pyridoxal correspond à la vitamine B6 active.
3. Structure et fonction
Rappels:
- L'enchaînement linéaire des acides
aminés est déterminé par le génome.
- La structure secondo-tertiaire est
conditonnée par la structure primaire.
- La structure spatiale d'une molécule
enzymatique conditionne son activité.
- Toute modification de la composition
en acides aminés entraîne un changement de la conformation spatiale et
donc une perte de l'activité enzymatique.
- Toute modification des liaisons
chimiques qui interviennent dans la structure spatiale entraîne une perte
de l'activité enzymatique (ponts disulfures, liaisons hydrogènes).
Prenons l'exemple de la ribonucléase A. Elle posséde une
structure tertiaire stabilisée, notamment, par 4 ponts disulfures entre les
cystéines 65-72, 26-84, 40-95 et 58-110. La rupture de ces ponts disulfures par
le β-mercaptoéthanol et la rupture des liaisons hydrogènes
intramoléculaires par l'urée entraînent la
pêrte de l'activité enzymatique.
Donc sans structure secondo-tertiaire, pas d'activité biologique.
Donc sans structure secondo-tertiaire, pas d'activité biologique.
En outre, le seul maintien de la
structure spatiale de la molécule permet de conserver à l'enzyme ses propriétés
biologiques. En effet, si l'on met la ribonucléase A en présence d'une peptidase, la subtilisine, il y a rupture de la
liaison chimique entre l'alanine 20 et la sérine 21. On obtient un peptide S de
20 acides aminés et une protéine S de 104 acides aminés, tout deux inactifs
séparément.
Si l'on remet les deux composés en suspension à pH7, l'activité enzymatique reprend alors qu'il n'y a pas reformation de liaison covalente entre l'alanine 20 et la sérine 21. Une association par intéraction moléculaire faible permet de rétablir la structure tridimensionnelle de la ribonucléase.
Il apparaît donc que le positionnement du site de fixation du substrat est fonction de la structure spatiale de la molécule enzymatique. Pour la ribonucléase, il s'agit des histidines 12 et 119.
Si l'on remet les deux composés en suspension à pH7, l'activité enzymatique reprend alors qu'il n'y a pas reformation de liaison covalente entre l'alanine 20 et la sérine 21. Une association par intéraction moléculaire faible permet de rétablir la structure tridimensionnelle de la ribonucléase.
Il apparaît donc que le positionnement du site de fixation du substrat est fonction de la structure spatiale de la molécule enzymatique. Pour la ribonucléase, il s'agit des histidines 12 et 119.
Une molécule enzymatique doit donc être capable de fixer le
substrat et de réaliser la réaction chimique pour être active.
En ce qui concerne la ribonucléase, on observe la formation de deux zones de réactivités autour du site de fixation du substrat: unezone hydrophobe (acides aminés 106 à 110) et une zone basique (acides aminés 31 à 41). La ribonucléase comporte donc une activité enzymatique grâce à la formation de ces zones réactives, liées à la structure spatiale de la molécule.
En ce qui concerne la ribonucléase, on observe la formation de deux zones de réactivités autour du site de fixation du substrat: unezone hydrophobe (acides aminés 106 à 110) et une zone basique (acides aminés 31 à 41). La ribonucléase comporte donc une activité enzymatique grâce à la formation de ces zones réactives, liées à la structure spatiale de la molécule.
4. Site actif
La fixation du substrat sur un enzyme est dépendante de la
structure spatiale de la molécule.
On définit au sein d'un enzyme le site actif comme étant un groupement acides aminés déterminant dans l'espace la zone de l'enzyme en contact direct avec le substrat. Le site actif n'est pas forcément constitué d'un enchaînement linéaire d'acides aminés. C'est la structure secondo-tertiaire, permettant le rapprochement de certains aminoacides qui va former dans l'espace cette zone. La fixation du substrat entrainera une modification de la conformation spatiale, comme un repli de la protéine sur son substrat par exemple.
On peut fréquemment retrouver Ser, Asp, His, Tyr, Ala comme acides aminés fixant le substrat.
On définit au sein d'un enzyme le site actif comme étant un groupement acides aminés déterminant dans l'espace la zone de l'enzyme en contact direct avec le substrat. Le site actif n'est pas forcément constitué d'un enchaînement linéaire d'acides aminés. C'est la structure secondo-tertiaire, permettant le rapprochement de certains aminoacides qui va former dans l'espace cette zone. La fixation du substrat entrainera une modification de la conformation spatiale, comme un repli de la protéine sur son substrat par exemple.
On peut fréquemment retrouver Ser, Asp, His, Tyr, Ala comme acides aminés fixant le substrat.
En général, l'enzyme est stabilisé et plus résistant aux agents dénaturants en présence du substrat. D'un point de vue structural, on pourra
distinguer plusieurs groupes d'acides aminés :
- des groupes de contacts : c'est le site actif,
correspondant à un petit nombre d'acides aminés : un peu moins de 10;
- des groupes auxiliaires : ils auront
un rôle dans le mécanisme de la catalyse, par un effet électronique par
exemple ;
- des groupes de conformation : souvent
éloignés du site actif ils assurent néanmoins la conformation spatilale de
la molécule et donc la formation du site actif ;
- des groupes indifférents qui
n'interviendront pas dans la réaction.
5. Spécificité enzymatique
Un enzyme est spécifique d'un substrat et est spécifique d'une
réaction.
5.1.
Spécificité de réaction
Elle est relativment large au départ mais ce fera de plus en plus
précise.
Initialement, on détermine 6 grandes classes de réactions:
Initialement, on détermine 6 grandes classes de réactions:
- les oxydo-réductases,
- les transférases,
- les hydrolases,
- les lyases,
- les isomérases,
- les ligases ou synthétases.
Dans chaque classe, on va d'abord préciser cette spécificité de
réaction en distinguant par exemple les déshydrogénases desoxydases. Cette spécificité sera
encore accentuée avec la distinction effectuée selon le coenzyme intervenant
dans la réaction: NAD+, NADP+, FAD ou FMN par exemple pour les déshydrogénases.
5.2.
Spécificité de substrat
Là aussi, elle sera plus ou moins étroite.
En repartant avec l'exemple précédent on peut illustrer cette spécificité. Parmi les déshydrogénases à NAD+, certaines réagiront spécifiquement avec l'alcool déshydrogénase. Elle pourra alors interagir avec son substrat préférentiel, l'éthanol, mais également d'autres alcool primaire: butanol, propanol...
En repartant avec l'exemple précédent on peut illustrer cette spécificité. Parmi les déshydrogénases à NAD+, certaines réagiront spécifiquement avec l'alcool déshydrogénase. Elle pourra alors interagir avec son substrat préférentiel, l'éthanol, mais également d'autres alcool primaire: butanol, propanol...
D'autres enzymes auront une spécificité de substrat bien plus
développée.
Par exemple pour la déshydrogénation de l'acide lactique, l'enzyme sera la lactico-déshydrogénase. Or il existe deux isomères de l'acide lactique : un acide L-lactique et un acide D-lactique. On va donc retrouver cette spécificité s'exprimer au niveau de l'enzyme. En effet, on aura une L-Lacticodéshydrogénase et une D-Lacticodéshydrogénase.
C'est ce qui définit la stéréospécificité, niveau de spécificité le plus étroit.
Par exemple pour la déshydrogénation de l'acide lactique, l'enzyme sera la lactico-déshydrogénase. Or il existe deux isomères de l'acide lactique : un acide L-lactique et un acide D-lactique. On va donc retrouver cette spécificité s'exprimer au niveau de l'enzyme. En effet, on aura une L-Lacticodéshydrogénase et une D-Lacticodéshydrogénase.
C'est ce qui définit la stéréospécificité, niveau de spécificité le plus étroit.
Un si haut niveau de spécificité ne s'explique pas par le modèle classique de Fischer.
On admet la théorie de Koshland : l'ajustement induit. Le substrat va être responsable de l'induction d'une modification de la configuration de l'enzyme, permettant l'adaptation de l'enzyme à son substrat.
On admet la théorie de Koshland : l'ajustement induit. Le substrat va être responsable de l'induction d'une modification de la configuration de l'enzyme, permettant l'adaptation de l'enzyme à son substrat.
Enzymes
et médecine
1. Les enzymes sériques
Par le renouvellement cellulaire ou une sécrétion tissulaire, lors de l'activité
musculaire, des enzymes sont libérées physiologiquement dans le sérum.
Il est donc normal, chez un sujet sain, de relever des taux relativement constants d'enzymes dans le sang.
On pourra quantifier les enzymes présents pour des concentrations saturantes en substrat, dans des conditions de pH et de température données, en mesurant la vitesse de réaction in vitro (puisque celle-ci dépend de la quantité d'enzyme présent).
Il est donc normal, chez un sujet sain, de relever des taux relativement constants d'enzymes dans le sang.
On pourra quantifier les enzymes présents pour des concentrations saturantes en substrat, dans des conditions de pH et de température données, en mesurant la vitesse de réaction in vitro (puisque celle-ci dépend de la quantité d'enzyme présent).
Ce sont ces mêmes mesures qui permettront de détecter une
éventuelle lésion d'un tissu ou organe.
En effet, les enzymes solubles de ce tissu ou organe se retrouveront au niveau du sérum sanguin mais à des taux supérieurs à la normale, relevant de circonstances pathologiques. Néanmoins, l'augmentation de la quantité d'un enzyme dans le sérum dépendra de l'étendue de la lésion.
En effet, les enzymes solubles de ce tissu ou organe se retrouveront au niveau du sérum sanguin mais à des taux supérieurs à la normale, relevant de circonstances pathologiques. Néanmoins, l'augmentation de la quantité d'un enzyme dans le sérum dépendra de l'étendue de la lésion.
- Cette augmentation peut être immédiate
si les enzymes proviennent de cellules en contact direct avec la
circulation sanguine.
- Cette augmentation peut également être
retardée par rapport au moment de l'atteinte si les enzymes proviennent de
cellules sans contact direct avec la circulation.
Certains enzymes pourront diffuser hors de
la cellule alors que les signes de nécrose sont minimes.
Selon le type d'enzymes trouvées en taux supérieur dans le sérum,
on peut déterminer le degré d'atteinte.
- En effet, s'il s'agit d'enzymes du cytoplasme, l'atteinte concernera la membrane externe des cellules lésées,
ce sera donc uneatteinte
dite "légère".
- Par contre, si l'on retrouve par
exemple des enzymes de la mitochondrie,
cela signifie destruction d'organites intracellulaires et l'atteinte est
donc jugée plus importante.
Il est évident que les enzymes se retrouvant dans le sérum sanguin
sont progressivement catabolisées et éliminées. Ce processus d'élévation des enzymes sériques n'est donc pas
définitif.
C'est d'ailleurs l'étude de ce taux sérique (variable hors conditions classiques) qui reflétera l'évolution de la maladie.
C'est d'ailleurs l'étude de ce taux sérique (variable hors conditions classiques) qui reflétera l'évolution de la maladie.
2. Les isoenzymes
Ce sont des variétes moléculaires d'un
enzyme catalysant la même réaction mais n'ayant pas exactement la même
composition en acides aminés. Ces enzymes possèdent une structure quaternaire formée de plusieurs sous-unités, sous-unités à la composition peptidique divergente.
La créatine kinase, par exemple, possède 3 isoenzymes. Dimérique, elle catalyse la phosphorylation de la créatine avec un ATP. L'organisme humain posséde deux sous-unités différentes pour cette enzyme: une sous-unité de type M (muscle) et une sous-unité B (brain).
Suivant le gène, donc suivant le type de cellule, on observe trois enzymes de structure différente :
La créatine kinase, par exemple, possède 3 isoenzymes. Dimérique, elle catalyse la phosphorylation de la créatine avec un ATP. L'organisme humain posséde deux sous-unités différentes pour cette enzyme: une sous-unité de type M (muscle) et une sous-unité B (brain).
Suivant le gène, donc suivant le type de cellule, on observe trois enzymes de structure différente :
- la créatine kinase M-M est spécifique des cellules du muscle squelettique,
- la créatine kinase B-B est spécifique du cerveau,
- la créatine kinase M-B est spécifique du muscle cardiaque, muscle lisse.
On a donc trois enzymes différentes pour la même réaction, ce sont
des isoenzymes.
L'élévation de l'activité créatine kinase mesurée dans le sang peut donc être localisée par séparation des isoenzymes (électrophorèse par exemple).
L'élévation de l'activité créatine kinase mesurée dans le sang peut donc être localisée par séparation des isoenzymes (électrophorèse par exemple).
3. Enzymes tissulaires, notion de déficit
enzymatique
La mesure d'une activité enzymatique au sein d'un tissu donné permet également de surveiller l'expression du génome de la cellule. En effet, toute
modification portant sur le gène d'un enzyme entraine soit une modification de
la structure de l'enzyme rendant l'enzyme moins actif, soit une absence
complète de synthèse. Et ceci peut être à l'origine d'une incapacité pour la
cellule à avoir un métabolisme normal d'où une pathologie associée.
La
Chaine Respiratoire
1. Présentation
A l'issue du cycle de Krebs, il faut extraire l'énergie contenue
dans les coenzymes réduits NADH,H+ et FADH2.
Cela permettra de les rendre oxydés au cycle de Krebs et autres réactions mitochondriales et d'alimenter la pompe à protons en hydrogène pour phosphoryler de l'ADP en ATP.
La chaîne respiratoire sera donc à l'origine de la génération d'eau et d' ATP en utilisant les H des coenzymes et l'oxygène (indispensable) de la mitochondrie.
Ainsi on distingue deux phases dans la chaîne respiratoire :
Cela permettra de les rendre oxydés au cycle de Krebs et autres réactions mitochondriales et d'alimenter la pompe à protons en hydrogène pour phosphoryler de l'ADP en ATP.
La chaîne respiratoire sera donc à l'origine de la génération d'eau et d' ATP en utilisant les H des coenzymes et l'oxygène (indispensable) de la mitochondrie.
Ainsi on distingue deux phases dans la chaîne respiratoire :
- la chaîne d'oxydoréduction,
- le mécanisme de phosphorylation.
2. La chaîne d'oxydoréduction
2.1. Fonctionnement
Elle transporte les équivalents réducteurs (H+ et e-) des
coenzymes réduits NADH,H+ et FADH2 vers l'oxygène.
Ce transport s'effectue par des réactions d'oxydo-réduction se déroulant dans 4 éléments inclus dans la membrane interne de la mitochondrie :
Ce transport s'effectue par des réactions d'oxydo-réduction se déroulant dans 4 éléments inclus dans la membrane interne de la mitochondrie :
- les complexes respiratoires CI, CII, CIII, CIV
- et deux éléments mobiles :
- l'ubiquinone (coenzyme Q)
- le cytochrome c.
2.1.1. Les éléments enchassés dans la membrane interne
Ce sont des complexes transmembranaires
protéiques comportant :
- des enzymes flaviniques à FMN ou FAD,
- des protéines dites à "centre fer-soufre",
- des cytochromes (famille de protéines à fer héminique, composées d'une globine liée à un hème),
- une protéine à cuivre.
Tous ces éléments sont nécessaires et
participent au transport des électrons.
2.1.1.1.
Le CI : NADH-coenzyme Q-oxydoréductase
Ce gros complexe de 45 protéines a pour substrat le NADH,H+.
celui-ci, grâce à la NADH-déshydrogénase, va céder ses électrons au FMN.
celui-ci, grâce à la NADH-déshydrogénase, va céder ses électrons au FMN.
2.1.1.2.
Le CII : succinate-ubiquinone-oxydoréductase
Le
succinate-ubiquinone-oxydoréductase ou succinate-coenzyme Q-oxydoréductase, ce complexe comporte
une des enzymes du cycle de krebs.
Rapellons que cette enzyme a pour coenzyme le FAD. Ici, le FADH2 reçoit donc ses électrons du succinate, substrat de la succinate-déshydrogénase.
Le CII comporte en plus deux variantes constituées par des enzymes :
Rapellons que cette enzyme a pour coenzyme le FAD. Ici, le FADH2 reçoit donc ses électrons du succinate, substrat de la succinate-déshydrogénase.
Le CII comporte en plus deux variantes constituées par des enzymes :
- l'ETF-déshydrogénase : elle a reçu ses équivalents
réduits du FADH2 de l'Hélice
de Lynen permettant
la transformation des acides gras en acétyl-CoA,
- la glycérol-3-P-déshydrogénase à FAD (catabolisme des lipides et
fructose-1-P menant au glycérol-3-P qui, en réduisant le FAD, est oxydé en
PDHA).
2.1.1.3.
Le CIII : ubiquinole-cyto c-oxydoréductase
Cet ensemble d'environ 10 protéines comportent les cytochromes b et c1.
A la sortie du coenzyme Q, ce ne sont plus les paires H+,e- d'équivalents réducteurs qui sont transportées mais seuls les électrons.
Le cytochrome b est donc le premier à ne recevoir que les électrons, il les transmet ensuite au cytochrome c1.
A la sortie du coenzyme Q, ce ne sont plus les paires H+,e- d'équivalents réducteurs qui sont transportées mais seuls les électrons.
Le cytochrome b est donc le premier à ne recevoir que les électrons, il les transmet ensuite au cytochrome c1.
2.1.1.4.
Le CIV : cytochrome c-oxydase
Egalement constitué d'environ 10 protéines, il reçoit les
électrons sur son cytochrome a et celui-ci les transfére au cytochrome a3 du même complexe.
Les CI, CII et variante ETF-déshydrogénase, le CIII contiennent
des protéines à centre Fer-Soufre (Fe-S).
Le CIV contient la protéine à cuivre, et aussi du Zinc.
Le CIV contient la protéine à cuivre, et aussi du Zinc.
2.1.2. Les éléments
mobiles
Ils assurent la continuité de la chaîne.
2.1.2.1. L'ubiquinone, coenzyme Q
C'est un lipide constitué : d'une benzoquinone, d'une chaîne
isoprénoïde hydrophobe lui conférant sa mobilité sur la face externe de la
membrane interne mitochondriale.
Réduit, l'ubiquinone devient ubiquinole.
Réduit, l'ubiquinone devient ubiquinole.
2.1.2.2. Le cytochrome C
Tout aussi mobile que l'ubiquinone sur la face externe de la
membrane interne, cette petite protéine hydrosoluble est située entre le CIII
et le CIV.
2.2. Oxydoréductions
2.2.1. Généralités
Le transfert de protons et d'électrons est progressif et
fragmenté.
Chaque élément de la chaîne constitue un système rédox comportant une forme réduite et une forme oxydée. Ainsi, chaque couple peut donner et recevoir un nombre déterminé de protons et d'électrons.
La chaîne comporte 10 éléments, soit autant de couples rédox. Ces 10 couples interviennent dans un ordre déterminé par leurpotentiel rédox. La chaîne d'oxydo-réductions se déroule donc des couples les plus réducteurs vers les plus oxydants, des potentiels redox les plus négatifs vers les plus positifs.
Chaque élément de la chaîne constitue un système rédox comportant une forme réduite et une forme oxydée. Ainsi, chaque couple peut donner et recevoir un nombre déterminé de protons et d'électrons.
La chaîne comporte 10 éléments, soit autant de couples rédox. Ces 10 couples interviennent dans un ordre déterminé par leurpotentiel rédox. La chaîne d'oxydo-réductions se déroule donc des couples les plus réducteurs vers les plus oxydants, des potentiels redox les plus négatifs vers les plus positifs.
![Description : C:\Users\University\Documents\MEDDECINE\Capture.JPG](file:///C:/Users/UNIVER~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg)
2.2.2.
Première partie : transfert des protons et électrons à l'ubiquinone
L'ubiquinone reçoit les équivalents réducteurs de plusieurs
substrats par des déshydrogénases flaviniques à FMN et FAD. L'ubiquinone est donc dite "carrefour" de
la chaîne, elle est en excès. Elle est réduite par le
FADH2 et le FMNH2 en QH2.
2.2.3. Deuxième partie :
transfert des électrons, de l'ubiquinole à l'oxygène O2
Comme nous l'avons vu, suite au coenzyme Q, seuls les électrons
poursuivent la chaîne. Les protons rentrent dans la matrice mitochondriale pour
former de l'H2O en fin de chaîne.
Les électrons, eux, vont se fixer un à un sur l'hème de chaque cytochrome pour être transportés individuellement. L'atome de fer de chaque hème passe de l'état oxydé ferrique Fe3+ à l'état réduit ferreux Fe2+ et est alors transféré au cytochrome suivant (qui comporte une Fe3+...).
In fine, au sein du CIV, on observe la réduction d'une molécule d'oxygène par fixation simultanée et irréversible de 4 électrons (qui ont perdu leur énergie) sur 2 atomes de fer des cyto a et a3 et sur 2 atomes de la protéine à cuivre.
Par la disponibilité coordonnée de 4 H+, la réaction suivante peut se réaliser : O2 + 4e- + 4H+ --> 2 H2O.
Si cette réaction ne se produit pas, on risque de voir apparaitre des Radiacux Libres Oxygénés (RLO) comme l'anion superoxyde : O2 = 1e- --> O2- .
Les électrons, eux, vont se fixer un à un sur l'hème de chaque cytochrome pour être transportés individuellement. L'atome de fer de chaque hème passe de l'état oxydé ferrique Fe3+ à l'état réduit ferreux Fe2+ et est alors transféré au cytochrome suivant (qui comporte une Fe3+...).
In fine, au sein du CIV, on observe la réduction d'une molécule d'oxygène par fixation simultanée et irréversible de 4 électrons (qui ont perdu leur énergie) sur 2 atomes de fer des cyto a et a3 et sur 2 atomes de la protéine à cuivre.
Par la disponibilité coordonnée de 4 H+, la réaction suivante peut se réaliser : O2 + 4e- + 4H+ --> 2 H2O.
Si cette réaction ne se produit pas, on risque de voir apparaitre des Radiacux Libres Oxygénés (RLO) comme l'anion superoxyde : O2 = 1e- --> O2- .
2.2.4. Les flux de
protons, libération d'énergie osmotique
Nous avons vu que le transfert, donc la libération d'énergie, est progressif et fragmenté. Dès qu'il dépasse un certain seuil,
il engendre un flux de protons de la matrice vers l'espace
intermembranaire. Quand la différence de potentiel rédox est d'au moins 0,21v,
cela correspond à une variation d'énergie libre suffisante (au moins -10Kcal) pour la synthèse d'une liaison
phosphate (+7,5Kcal).
Il ya donc trois pompes à protons dans la chaîne : CI (NADH,H+ --> co Q), CIII (QH2 --> cyto c), CIV (cyto c --> O2).
Elles sont respectivement inhibées par la roténone (ou amytal), l'antimycine A, le cyanure ou l'oxyde de carbone.
Il ya donc trois pompes à protons dans la chaîne : CI (NADH,H+ --> co Q), CIII (QH2 --> cyto c), CIV (cyto c --> O2).
Elles sont respectivement inhibées par la roténone (ou amytal), l'antimycine A, le cyanure ou l'oxyde de carbone.
3. La phosphorylation
3.1. La
théorie chimio-osmotique
Selon Mitchell, l'énergie générée par les
flux de protons et le mécanisme de phosphorylation reposeraient sur un gradient
de protons à l'origine de la création d'énergie sous forme d'ATP.
L'énergie des transferts permet aux complexes I, III et IV de fonctionner comme des pompes à protons (libérant les H+ dans l'espace intermembranaire) créant un gradient électrochimique de protons, soit une différence de potentiel entre l'espace intermembranaire (+) et la matrice (-, pH plus élevé).
Les protons éjectés cherchent donc à renter dans cette matrice, à franchir la membrane interne mitochondriale sous la pression de ce gradient ou force proton-motrice. Etant donné l'imperméabilité de cette membrane, ils doivent passer par un volumineux canal, c'est celui de l'ATP-sytnhase ou complexe V.
L'énergie des transferts permet aux complexes I, III et IV de fonctionner comme des pompes à protons (libérant les H+ dans l'espace intermembranaire) créant un gradient électrochimique de protons, soit une différence de potentiel entre l'espace intermembranaire (+) et la matrice (-, pH plus élevé).
Les protons éjectés cherchent donc à renter dans cette matrice, à franchir la membrane interne mitochondriale sous la pression de ce gradient ou force proton-motrice. Etant donné l'imperméabilité de cette membrane, ils doivent passer par un volumineux canal, c'est celui de l'ATP-sytnhase ou complexe V.
3.2. Le
mécanisme de l'ATP-synthase
C'est un complexe enzymatique étudié selon deux points de vue : un "géographique" de
positionnement, et un fonctionnel.
Physiquement, on distingue deux parties :
Physiquement, on distingue deux parties :
- une intermembranaire (enchassée comme
les complexes d'oxydoréduction)
- une mitochodriale (faisant sailie dans
la mitochondrie).
Ce découpage physique explique la vision de "crêtes" au microscope électronique lorsqu'on étudie une
mitochondrie : il s'agit des complexes V.
- La première partie recevant les
protons de l'espace intermembranaire est la partie F0, intermembranaire.
Cette partie partie est constituée de 3 protéines : a, b, c. a est porteuse de b (sortant dans la matrice) et est suivie de
c, oligomère dont les 12 sous-unités disposées en canal forment le canal
transmembranaire.
- La seconde partie, mitochondriale, est
F1, tête enzymatique. Elle est liée en deux endroits à F0. Ces 5 protéines
sont : δ (liée à b), γ (lié à c) à laquelle est accolée ε, α et β formant
un cercle (3 sous-unités de chaque, en alternance). C'est la protéine β
qui est responsable de la phosphorylation d'ADP en ATP.
En fait l'ATP-synthase comporte un mouvement rotatif
intra-moléculaire amenant à une étude fonctionnelle.
Le rotor est constitué des enzymes c, γ et ε. Ce nom est justifié du fait que c'est l'énergie du flux de protons traversant le canal qui met la protéine c en mouvement.
Le stator est constitué des protéines a, b, δ, α, β. La rotation du rotor entraîne un cycle de transconformations des sous-unités α et β.
β étant ainsi activée, les phosphorylations sont effectuées et l'ATP est libéré dans la matrice mitochondriale.
L'énergie du flux de protons est transférée au rotor puis convertie en énergie chimique par la phosphorylation de l'ADP.
Le rotor est constitué des enzymes c, γ et ε. Ce nom est justifié du fait que c'est l'énergie du flux de protons traversant le canal qui met la protéine c en mouvement.
Le stator est constitué des protéines a, b, δ, α, β. La rotation du rotor entraîne un cycle de transconformations des sous-unités α et β.
β étant ainsi activée, les phosphorylations sont effectuées et l'ATP est libéré dans la matrice mitochondriale.
L'énergie du flux de protons est transférée au rotor puis convertie en énergie chimique par la phosphorylation de l'ADP.
3.3. Le transport de l'ATP
L'ATP mitochondrial tout juste produit va passer dans le cytosol
par un transporteur mitochondrial, en échange d'ADP.
C'est l'ATP/ADP-translocase. Afin d'équilibrer les charges, existe en parallèle une phosphatase-translocase faisant entrer un proton et un ion phosphate.
C'est l'ATP/ADP-translocase. Afin d'équilibrer les charges, existe en parallèle une phosphatase-translocase faisant entrer un proton et un ion phosphate.
4. Régulation de la chaîne respiratoire
Comme vu précédemment, le déroulement de la chaîne respiratoire
nécessite une quantité suffisament importante d'oxygène,
NADH,H+, ADP.
Plus les rapports NAD+/NADH,H+ et ATP/ADP,Pi sont faibles, plus la chaîne respiratoire est stimulée.
Les hormones thyroïdiennes (notamment le 2-4-dinitrophénol) exercent un effet découplant. La perméabilité aux H+ de la membrane est modifiée et l'ATP-synthase est alors court-circuitée. Il n'y a donc plus de lien entre chaîne d'oxydoréduction et phosphorylation, la thermogenèse s'effectue et explique l'augmentation du métabolisme de base.
Plus les rapports NAD+/NADH,H+ et ATP/ADP,Pi sont faibles, plus la chaîne respiratoire est stimulée.
Les hormones thyroïdiennes (notamment le 2-4-dinitrophénol) exercent un effet découplant. La perméabilité aux H+ de la membrane est modifiée et l'ATP-synthase est alors court-circuitée. Il n'y a donc plus de lien entre chaîne d'oxydoréduction et phosphorylation, la thermogenèse s'effectue et explique l'augmentation du métabolisme de base.
5.
Bilan en ATP
Reprenons les bilans pour une molécule de glucose (6
carbones) :
- glycolyse
: 2 ATP à partir de composés riches, 6 ATP à partir de 2NADH,H+ (utilisation
de la navette malate-aspartate), soit 8 ATP;
- oxydation
de 2 pyruvates en 2 lactates : 6 ATP provenant de 2NADH,H+;
- oxydation
de 2 acétyl-CoA par le cycle de Krebs : 24 ATP.
Soit, suite à la phosphorylation oxydative au sein
d'une cellule aérobie, un total de 38 ATP.
C'est 19 fois plus que pour un glucose en cellule
anaérobie. Il faudra retirer 2 ATP si la navette du
glycérol-P est utilisée.
Un ose est une molécule relativement petite.
L'oxydation d'une molécule de palmitate à 16 carbones est beaucoup plus rentable puisqu'on obtient 131 ATP :
L'oxydation d'une molécule de palmitate à 16 carbones est beaucoup plus rentable puisqu'on obtient 131 ATP :
- 96 ATP par
l'oxydation de 8 actéyl-CoA,
- 35 ATP en
7 tours d'hélice de Lynen.
Il faut néanmoins retirer 1 ATP pour l'activation du
palmitate.
L'oxydation de corps cétoniques (4C) donne 24 ATP pour
l'acétoacétate oxydée, 27 ATP pour le 3-OH-butyrate.
L'oxydation de la glutamine (5C) donne 24 ATP et celle
de l'éthanol (2C) produit 28 ATP.
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