COURS DE BIOLOGIE PARTIE 3

Description structurale et fonctionnelle des protéines

1. Protéines fibreuses

Elles sont également nommées protéines fibrillaires. Elles constituent un tiers des protéines des vertébrés supérieurs. Elles ont une fonction dans la protection externe en étant les composants majeurs des couches les plus externes de la peau, des ongles, cheveux, corne. Elles interviennent aussi dans l'architecture des organismes par l'importance de leur présence dans les tissus conjonctifs, les tendons, les cartilages, les os, parfois dans le squelette intracellulaire (kératine).
On les trouvera aussi participant à la mobilité cellulaire (myosine, tropomyosine). Quelques protéines fibreuses participeront à des processus physiologiques comme la coagulation sanguine (c'est le cas du fibrinogène par exemple). Elles sont donc majoritairementinsolubles ou peu solubles dans l'eau.

Les protéines fibreuses se distinguent des protéines globulaires par la monotonie de leur structure secondaire, elles ne comportent qu'un motif sur toute la longueur de leur chaîne. Les structures tertiaires et quaternaires ne les concernent donc pas. Elles compensent ce déficit en se juxtaposant pour créer des architectures dite de "degré d'organisation supérieur".

1.1. Kératine α

Elle tient son nom de sa forme caractéristique composée de longues hélices α. On la trouve en forte quantité dans la peau, les phanères et les ongles. Elle y parait ordonnée mais elle peut être trouvée sous une forme désordonnée dans le cytoplasme des cellules. Cette forme désordonnée est expliquée par l'absence de ponts disulfures dans le cytoplasme. Insoluble, sa chaîne polypeptidique est riche d'acides aminés à radicaux hydrophobes (ou peu solubles) : phénylalanine, isoleucine, valine,méthionine, alanine et quelques pourcents de cystéine. Comme ces chaînes sont orientées vers l'extérieur, vers l'eau, la partie externe des fibrilles de kératine α est hydrophobe donc insoluble.
La kératine des phanères est organisée en structure complexe. 3 hélices α s'enroulent pour former une protofibrille de diamètre: 20 angström. 11 protofibrilles s'associent pour former une microfibrille (diamètre : 80 angström). La réunion de plusieurs microfibrilles donne une macrofibrille, et celle-ci associée à d'autres macrofibrilles formera un cheveu/poil. Protofibrilles et microfibrilles pourront être stabilisées entre elles par des ponts disulfures (donc intercaténaires). On distingue, in fine, trois niveaux d'organisation protéique: la structure primaire, la structure secondaire et le surenroulement des hélices et juxtapositions.
La solidité des fibres est due à la présence de ponts disulfures. L'élasticité des fibres est fonction des liaisons hydrogènes. Chauffées en milieu humide et étirées, les hélices de la kératine doublent de dimension pour prendre la configuration d'un feuillet β plissé. Les ponts disulfures disparaissent et le nombre de liaisons hydrogènes diminue fortement laissant la structure polypeptidique atteindre cette configuration dans une certaine stabilité.

1.2. Le collagène

Le collagène est ubiquitaire et est donc le polypeptide le plus abondant chez les vertébrés supérieurs. On le trouve plus spécifiquement dans la peau, le cartilage, les ligaments, les tendons, les parois vasculaires, les os et les dents. Sa grande résistance à la traction est sa caractéristique principale ( une fibre d'1 mm de diamètre peut résister à une traction de 10 kg).
Il existe différentes sortes de collagène qui ont une organisation spécifique de leurs tissus. Ainsi le collagène de type I est le plus représenté constituant 90% du collagène corporel. Il entre dans la composition des tissus conjonctifs, comme les collagène de types II et III. Chaque subunité est longue de 300 nm. Comme pour la kératine, les subunités de collagène sont faites de trois chaînes polypeptidiques (1000 acides aminés chacune) qui se juxtaposent et s'enroulent pour former une super hélice gauche. Elle est très résistante et peut comporter à ses extrêmités des cristaux d'hydroxyapatite, dans le tissu osseux. 
Le collagène est une protéine à la composition particulière car contenant des acides aminés hydroxylés. Elle est très riche en glycocolle puisque près d'un tiers des acides aminés en sont. Elle contient également de l'alanine (11%), proline (12%), lysine, OH-proline (9%), OH-lysine. L'hydroxylation de ces deux derniers acides aminés est co-traductionnelle et s'effectue par une hydroxylase en présence de vitamine C. Il est ici présent en tant que cofacteur. Son déficit est à l'origine des troubles du scorbut, donnant un collagène défectueux. La conformation en hélice gauche est la résultante de l'importante présence de proline et OH-proline, acides aminés cycliques. De façon post-traductionnelle il peut aussi y avoir addition d'oses sur les OH-lysines.
La présence non négligeable de lysine et OH-lysine est à l'origine de la stabilité des fibrilles de collagènes. En effet, des liaisons transversales intramoléculaires et intermoléculaires covalentes vont se mettre en place entre ces deux aminoacides. Ces ponts covalents s'établissent par des réactions chimiques complexes et seront en nombres variables d'un tissu à l'autre. Le nombre de pontage augmentant est responsable d'une plus grande rigidité: c'est ce qui passe avec le cartilage et l'avancée dans l'âge.

Les fibroblastes, cellules peu différenciées, synthétisent le collagène en plusieurs étapes.
D'abord, 4 étapes intracellulaires :

• synthèse traductionnelle d'une chaîne peptidique plus longue que la subunité de collagène,
• hydroxylation des lysines et prolines en présence de vitamine C,
• addition de quelques oses aux OH des OH-lysines (O-glycosylation dans l'appareil de Golgi),
• formation du procollagène à extrêmités dépassantes et sa structure en triple hélice.

Puis, 4 étapes extra-cellulaires :

• sécrétion du procollagène dans le milieu extra-cellulaire,
• coupure des extrémités aboutissant à la subunité de collagène,
• association des molécules de collagène créant les fibres,
• formation des ponts covalents entre des chaînes latérales d'OH-lysine entre chaînes et molécules voisines : on obtient le collagène mature.

1.3. L'élastine

Elle est caractérisée par son extensibilité. On la trouve donc massivement dans les fibres élastiques, pouvant atteindre plusieurs fois sa longueur en étant étirée et retrouver rapidement ses dimensions et forme d'origine. Elle trouve donc aisément sa place dans lestissus conjonctifs élastiques aux côtés du collagène et de polyosides. Par ses qualités elle sera également trouvée à juste titre dans les parois des vaisseaux sanguins (permettant la modulation de la force du pompage pulsatile du sang par le coeur) et dans les poumons.

La tropo-élastine de 800 acides aminés est la subunité de l'élastine. Sa composition est proche de celle du collagène : 30% de glycine, 30% d'alanine et de valine, de nombreux résidus lysines et prolines aux extrémités.
Elle ne contient donc pas d'OH-prolines et d'OH-lysines, donc on n'observe pas les liaisons covalentes de type collagène mais des liaisons covalentes caractéristiques : des ponts desmosines s'établissant entre les lysines (4) des sous-unités. En fait les lysines et arginines sont en bout de segment et les radicaux de 4 lysines sont transformés en desmosine. Ainsi les chaînes de tropo-élastine sont unies et peuvent être étirées de façon réversible.
L'élastine est aussi caractérisée par son absence de forme : elle est amorphe. Elle ne comporte pas de structure secondaire.

1.4. Protéines de la matrice cellulaire et du tissu conjonctif

Trois composants majeurs entrent dans la constitution du tissu conjonctif : collagène, élastine et protéoglycanes. Les deux premiers composants sont des protéines fibreuses présents dans la plupart des tissus conjonctifs. Les protéoglycanes correspondent à des protéines liées par covalence à des glucides (90% de glucides). Ces trois constituants sont en étroites relations pour constituer tissu conjonctif et matrice cellulaire.

2. Protéines globulaires

Elles se différencient des protéines fibreuses par :

• une structure primaire présentant la plupart des 20 acides aminés protéinogènes, donc variée,
• une structure secondaire tout aussi riche et diversifiée,
• une structure tertiaire lui conférant la configuration spatiale nécessaire à sa fonction biologique,
• une structure quaternaire facultative mais à rôle biologique quand elle est présente.

2.1. Protéines globulaires solubles

2.1.1. La myoglobine

La structure de la myoglobine est composée d'hélices α reliées par des coudes, soit 8 segments séquences. Le plus long segment possède 23 acides aminés et le plus court en possède 7. Sa fonction est de mettre en réserve l'oxygène dans la cellule musculaire.

2.1.2. La triose phosphate isomérase TPI

La triose phosphate isomérase une enzyme de la glycolyse permettant l'interconversion entre le glycéraldéhyde-3-P et ladihydroxyacétone phosphate. Elle a donc une fonction de catalyse enzymatique.
Sa structure secondaire présente en alternance 8 hélices α amphiphiles et 8 brins β reliés entre eux. Cet ensemble s'organise en un tonneau plaçant les hélices en extérieur et les brins en interne, tapissant la cavité centrale qui accueille le substrat. C'est unestructure fréquente chez les enzymes de la glycolyse.

2.1.3. La protéine de transport du rétinol (RBP)

Cette protéine est plasmatique, comporte 182 acides aminés. Sa structure secondaire est constituée de 8 brins β anti-paralléles. On retrouve la configuration en tonneau à intérieur hydrophobe recevant le ligand transporté, le rétinol (ou vitamine A liposoluble). Elle le transporte du foie jusqu'aux tissus utilisateurs, c'est un transporteur plasmatique.

2.1.4. La calmoduline (Calcium modulated protein)

La calmoduline capte le calcium des cytoplasmes permettant la mesure du Ca²⁺ intracellulaire et la diffusion de l'information aux protéines actives sensibles au calcium. Sa structure secondaire organise les 148 acides aminés en hélices α uniquement. Elle comporte deux domaines globulaires de 3 hélices α chacun. Il sont reliés par un connecteur qui pourra être fait d'une ou de deux hélices α selon que du Ca²⁺ soit fixé ou non. Chaque tête globulaire est capable de fixer 2 atomes de Ca²⁺ , soit 4 atomes de Ca²⁺par calmoduline.
Quand il n'y a pas de calcium, le connecteur est sous forme compacte donc présente le motif hélice-boucle-hélice. En présence de calcium, la molécule s'étire pour le fixer (connecteur : 1 hélice α), laissant apparaitre deux zones non polaires riches en méthionine, zones liant les protéines cibles par interactions hydrophobes. Quand la liaison calmoduline-protéine cible est en place, le connecteur retrouve une forme compacte : hélice-coude-hélice (coude de 4 acides aminés, selon un angle de 100°), enfermant la protéine cible.

2.2. Protéines membranaires

50% de la masse d'une membrane plasmatique est constituée par les protéines (cf cours sur les membranes histo Mr Macé). Deux types de protéines membranaires existent :

• les protéines périphériques, en contact avec une seule face de la membrane,
• les protéines intégrales, transmembranaires. Elles comportent une zone hydrophobe transmembranaire (chaînes latérales hydrophobes non polaires), une zone extra-membranaire polaire et hydrophile, une zone intra-membranaire polaire et hydrophile. Les liaisons peptidiques polaires forment entre elles des liaisons hydrogène diminuant leurs possibilités d'interaction répulsive avec l'environnement hydrophobe.

Les protéines membranaires traversant plusieurs fois la membrane ont une chaîne polypeptidique faite d'une série d'hélice α hydrophobes.

3. Modifications co-traductionnelles et post-traductionnelles des protéines

Certaines protéines nécessitent, suite à leur synthèse, des modifications pour acquérir leur activité biologique (ou être inactivées) dans leur conformation spatiale ou leur composition. Ces modifications seront co- ou post-traductionnelles, enzymatique ou non, réversibles ou non.

3.1. Modifications non enzymatiques

3.1.1. Glycation

NON enzymatique, elle concerne toutes les protéines et augmente avec la glycémie (plus forte disponibilité en oses). Les fonctions amines des protéines longtemps exposées au glucose extracellulaire vont être glyquées. La première étape du processus est la formation réversible d'une base de Schiff. Le réarrangement d'Amadori la rend stable. Le dosage de l'hémoglobine glyquée (durée de vie des globules rouges : 4 mois) permet ainsi la mesure d'une glycémie sur trois mois permettant le suivi thérapeutique des diabétiques. 
Les composés obtenus sont toxiques

3.1.2. Oxydation

C'est un phénomène à ne pas négliger car responsable de l'accumulation de protéines endommagées et parfois non fonctionnelles. Cette oxydation de certains radicaux est irréversible sauf pour la méthionine. Elle sera oxydée en méthionine sulfoxyde mais pourra enzymatiquement être régénérée.

3.2. Modifications enzymatiques

3.2.1. Glycosylation des protéines

C'est l'une des plus importantes modifications post-traductionnelle. Sont particulièrement concernées les protéines sécrétées et les protéines membranaires. Elle semblerait protéger des protéases et joue un rôle dans la fonction biologique de la protéine.
La N-glycosylation est co-traductionnelle et se déroule dans le réticulum endoplasmique. Elle se fait avec la fonction amide de l'asparagine, asparagine localisée dans un séquence particulière. Une "copule glucidique" est formé par les glucides ajoutés, il s'agit d'un oligosaccharide aux tailles et formes variables. Ces copules ont toujours un motif commun, le pentasaccharide : 
N-acétylglucosamine -- N-acétylglucosamine -- mannose -- 2 mannoses
La O-glycosylation est post-traductionnelle et s'effectue dans le trans-golgi-network. L'accepteur glucidique sera le radical d'une sérine ou thréonine, voire d'une 5-hydroxylysine pour les collagènes. Le premier ose fixé est toujours une N-acétyl galactosamine. On peut ajouter jusqu'à 15 oses différents. Elle s'effectue sur un grand nombre d'accepteurs situés dans une même région. 
Parfois cette glycosylation peut aboutir à des protéines dont 50% du poids moléculaire correspond à des oses. C'est par exemple le cas des mucines au rôle protecteur des muqueuses aériennes et digestives. Une telle impotance en glycane les rend très hydrophiles et résistantes aux enzymes protéolytiques.

La glycosylation, en outre, participe activement à la reconnaissance entre cellules, à la structure des récepteurs des membranes plasmiques, à l'adressage des protéines vers leur destination cellulaire définitive.

3.2.2. Acylation des protéines

C'est la fixation d'un lipide. 4 types existent :

• myristoylation: +1 acide myristique,
• palmitoylation: +1 acide palmitique,
• glypiation: +1 phosphatidylinositol,
• farnésylation ou géranylation: +1 dérivé de chaînon isoprène comme le farnésyl (15C) ou le géranyl.

Cette fixation se fait avec des enzymes spécifiques de l'acide aminé accepteur et du lipide. Les acides aminés accepteurs ne sont pas toujours les mêmes mais varient en fonction de la copule lipidique à ajouter. Elle est soit co-traductionnelle et se déroulera dans le réticulum endoplasmique, soit post-traductionnelle et se déroulera dans le golgi cis. cette acylation permettra l'ancrage à la face interne ou externe des membranes plasmiques ou aux membranes des organites intracellulaires, selon la copule.

3.3. Modifications post-traductionnelles régulant l'activité biologique

3.3.1. Par clivage protéolytique limité

Irréversibles, ces réactions peuvent activer ou inactiver des protéines. Ce clivage provoque des changements de conformation créant l'apparition ou disparition des propriétés biologiques. 
Ce clivage s'effectue sur une liaison sensible séparant le peptide inhibiteur/activateur du reste de la protéine, permettant ainsi un remaniement de la structure tertaire (modifications des liaisons H et de van der walls). Ce type de régulation est présent dans de nombreux mécanismes cellulaires et extracellulaires. citons par exemple le "zymogène" forme inactive d'enzymes digestives protéolytiques :

• pepsine,
• trypsine,
• chymotrypsine.
• L'enzyle deviendra active en arrivant dans le tube digestif.
• On retrouvera également ce type de régulation dans les systèmes du complément, de la coagulation, de l'angiotensine.

3.3.2. Par phosphorylation/déphosphorylation

Réversible, la fixation par liaison covalente d'un groupement phosphate (sur un groupement OH du radical de Ser, Thr ou Tyr) peut activer ou inhiber l'activié biologique d'une protéine.

C'est une protéine kinase qui phosphoryle. La déphosphorylation est réalisée par une phosphatase. Cette modification chimique est secondaire. C'est son influence par modification des charges électriques des atomes et remaniement des liaisons H, forces de Van der Walls et liaisons ioniques qui importe.
Ce changement de conformation va influencer l'affinité de la protéine pour son ligand.
On retrouve ce mode de régulation dans beaucoup de réactions du métabolisme cellulaire.

Le Cycle de Krebs

1. Présentation générale

Le catabolisme énergétique cellulaire est à l'origine de 90% de l'énergie cellulaire. Cette énergie sert à l'anabolisme, auxsynthèses.
Le catabolisme permet la génération d'ATP = Adénosine Tri-Phosphate, principal donneur d'énergie libre, "monnaie énergétique" de la cellule.
Découvert en 1929, l'adénosine triphosphate contient une liaison phospho-ester normale puis 2 liaisons anhydride phosphoriquetrès riches en énergie.
Ce sont ces liaisons qui seront génératrices d'énergie lors de leur hydrolyse. Le dernier phosphate est ajouté à l'ADP = Adénosine Di-Phosphate par réaction de phosphorylation, réaction endergonique (nécessitant de l'énergie): environ 7500 cal. L'ajout de cet H₃PO₄ se fait en présence de Mg⁺⁺ générant l'apparition de la quatrième fonction ionisée de l'ATP.
Deux autres nucléotides sont capables de donner de l'énergie au sein de la cellule mais ceci de façon beaucoup moins importante: leGTP = Guanosine TriPhosphate et l'UTP = Uracile TriPhosphate.

Le catabolisme aérobie est mitochondrial. Il s'y trouve l'O₂, sous forme libre diatomique, libre, permettant le déroulement du cycle de Krebs et de la chaîne respiratoire. Cette voie métabolique est centrale.
Le cycle de Krebs sert à obtenir les substrats énergétiques, énergie chimique des nutriments. Elle est conservée sous la forme d'atome d'hydrogène. Il contient un proton et un électron.

2. Entrée des nutriments

2.1. Entrée du glucose

La glycolyse aboutit au pyruvate qui possède un transporteur pour passer à travers la membrane interne mitochondriale. Cette réaction est la première réaction aérobie mitochondriale permettant au pyruvate de se transformer en acétyl-CoA (acétyl Coenzyme A), substrat du cycle de Krebs. L'enzyme catalysant cette réaction est la pyruvate déshydrogènase = PDH, elle réalise unedécarboxylation et une déshydrogénation. La PDH est en fait un complexe de 3 enzymes et 5 coenzymes (dont 4 sous forme active de vitamines du groupe B).
La première enzyme à agir est la pyruvate déshydrogénase proprement dite qui permet la décarboxylation du pyruvate et le transfert du résidu sur le TPP ( thiamine-pyrophosphate, vitamine B1) et l'oxydation du résidu en acétyl.
Ensuite cette pyruvate déshydrogènase transfére l'acétyl et les équivalents réducteurs sur le lipoate passant à l'état réduit (dihydrolipoate). La seconde enzyme du complexe PDH peut alors agir.
La dihydrolipoate-transacétylase transfére le résidu acétyl au CoA (vitamine B5) formant l'acétyl-CoA. Le dihydrolipoate restant est réoxydé par la troisième enzyme du complexe, la dihydrolipoate-déshydrogènase, en lipoate.
Les équivalents capteurs sont alors captés par le FAD puis au NAD. Cette réaction libére donc 2 NADH,H+ qui vont rejoindre directement la chaîne respiratoire.

2.2. Entrée des acides gras

Elle se fait par l'oxydation des acides gras. Cette voie, la plus énergétique pour la plupart des cellules, se déroule dans la mitochondrie et aboutit à la formation d'acétyl-CoA et de coenzymes réduits.
Les acides gras sont tout d'abord activés en acyl-CoA par des acyl-CoA synthétases, réaction endergonique consommant deux liaisons riches en énergies (ATP --> AMP = Adénosine MonoPhosphate).
Ainsi activés, les acides gras rentrent dans la mitochondrie. Ceux dont la chaîne carbonée est longue ( >12C ) passent par l'intermédiaire de la L-carnitine. Une fois dans la mitochondrie, l'acyl-CoA va être oxydé par l'Hélice de Lynen, ensemble de 4 réactions aboutisant à la libération d'un acyl-CoA diminué de 2 carbones et d'acétyl-CoA (les deux carbones perdus).
Ce cycle se répéte donc n fois et in fine, conduit à la formation d'un résidu de 3 carbones, le propionyl-CoA, dégradé dans le cycle de Krebs par le biais du succinyl-CoA.
Chaque tour d'hélice permet la génération donc d'un acétyl-CoA, d'un FADH2 et d'un NADH,H+. Le NADH,H+ sera directement réduit par la chaîne respiratoire. Le FADH2 donne ses équivalents réduits à l'ETF (Electron Transfer Flavoprotein) qui devient ETFH2.

2.3. Entrée des acides aminés

Elle se fait selon les mécanismes de désamination et de transamination étudiés dans le cours sur les acides aminés.

3. Le cycle de Krebs

3.1. Présentation

Il s'agit d'une plate-forme commune au catabolisme des substrats énergétiques.
Il a pour but la décarboxylation de l'acétyl-CoA et l'extraction de son énergie.
Il contient sept enzymes solubles et une fixée dans la membrane interne mitochondriale.

3.2. Les 8 réactions

3.2.1. Condensation de l'acétyl-CoA et de l'oxaloacétate

Le produit commun de la dégradation des nutriments, l'acétyl-CoA est irréversiblement condensé à l'oxaloacétate par la citrate-synthase en utilisant l'énergie libérée de l'hydrolyse de la liaison thioester.
Cette réaction nécessite une molécule d'H₂O. Elle permet la formation du citrate (6C), premier acide carboxylique du cycle (posséde une fonction alcool tertiaire, molécule symétrique).

3.2.2. Isomérisation du citrate

En présence de Fe⁺⁺, l'aconitase déshydrate le citrate créant un composé intermédiaire: le cis-aconitate. Celui-ci est hydraté et forme l'isocitrate.
Cis-aconitate et isocitrate sont les deux autres acides tricarboxyliques du cycle.

3.2.3. Décarboxylation et déshydrogénation de l'isocitrate

L'isocitrate-déshydrogénase extrait irréversiblement 2H⁺ de l'isocitrate et les transfére sur le NAD réduit passant à l'état oxydé NADH,H+; réaction s'effectuant en présence de Mg⁺⁺ ou Mn⁺.
Sont issus de cette réaction: un CO₂ et un acide alpha-cétonique dicarboxylique: l'alpha-cétoglutarate (5C).

3.2.4. Décarboxylation et déshydrogénation de l'alpha-cétoglutarate

C'est un complexe enzymatique comparable à celui de la PDH qui va réaliser ces modifications.
Il s'agit donc également d'une oxydation irréversible. Le complexe alpha-cétoglutarate-déshydrogénase est constitué de 3 enzymes et 5 coenzymes (TPP, lipoate, CoA,FAD,NAD) et nécessite la présence de Mg⁺⁺. Le FAD extrait deux hydrogènes puis les transfère au NAD.
Un CO₂ est alors libéré et on obtient un composé à 4 carbones enrichi en énergie (liaison thioester donnée par le CoA). ce composé est le succinyl-CoA.

3.2.5. Phosphorylation liée au substrat riche en énergie

Cette étape va servir à extraire l'énergie du succinyl-CoA.
La succinyl-thiokinase (ou succinyl-CoA synthétase), en consommant une molécule d'H₂O, phosphoryle un GDP
. Le GTP obtenu sera transformé en ATP.
Le produit de cette réaction est le succinate.

3.2.6. Déshydrogénation du succinate

L'enzyme de cette réaction, la succinate-déshydrogénase, appartient au complexe II de la chaîne respiratoire comportant le coenzyme FAD. Celui-ci va oter 2H⁺ au succinate formant le fumarate.

3.2.7. Hydratation du fumarate

La fumarase nécessite une molécule d'eau pour transformer le fumarate en malate.

3.2.8. Déshydrogénation du malate

La malate-déshydrogénase transfère 2H⁺ du malate à son coenzyme, le NAD. On aboutit à l'oxaloacétate.
Ce dernier est régénéré en fin de cycle mais pas en quantité suffisante pour "remplir" le cycle. Il doit donc être fourni en supplément.
Il peut alors provenir soit de la décarboxylation du pyruvate par la pyruvate décarboxylase, soit de la transamination de l'aspartate par l'ASAT.

3.3. Bilans

3.3.1 Equation bilan

CH3-CO-S~CoA + 3H2O --> 2CO2 + 8H+ + SH~CoA

3.3.2. Bilan énergétique

Nous avons donc vu qu'en un tour de cycle, l'acétyl-CoA donne: 1 ATP, 3NADH,H+ qui donneront 9 ATP une fois réoxydés par la chaîne respiratoire, 1 FADH2 qui donnera 2 ATP. Soit au total : 12 ATP

3.4. Régulation

Principale enzyme régulatrice: l'isocitrate-déshydrogénase car activée allostériquement par l'ADP et le NAD+ (donc quand la cellule demande de l'énergie) et inhibée par l'ATP et le NADH,H+.
Les disponibilités en acétyl-CoA, oxaloacétate et oxygène conditionnent également l'activité du cycle de Krebs.

3.5 Les substrats du cycle de Krebs

3.5.1 Le NADH,H+

Ce coenzyme d'oxydoréduction ne peut pas franchir la membrane mitochondriale et utilise donc le système des navettes. D'origine vitaminique, il dérive du nicotinamide (vitamines B3 ou PP).C'est le principal collecteur d'H puisqu'il peut en fixer 2 : 1H⁺libre et 1H⁺ et 2e^- de façon fixe
. C'est le coenzyme mobile de nombreuses déshydrogénases cytosoliques et mitochondriales. Il transporte les paires d'H au complexe I de la chaîne respiratoire.

3.5.2. Le FADH2

Lui aussi coenzyme d'oxydoréduction, il n'est produit que dans la mitochondrie. Comme le NADH, il est d'origine vitaminique et dérive de la flavine (vitamine B2). Contrairement au NADH, il est lié à ses déshydrogénases mitochondriales. C'est le coenzyme de la succinate déshydrogénase du complexe II, donc appartient au cycle de krebs (succinate + FAD --> FADH2 + fumarate) et à la chaîne respirtoire (FADH2 + Q --> QH2 + FAD).
c'est également le coenzyme de l'acyl-CoA déshydrogénase de l'Hélice de Lynen : le FADH2 est alors connecté à la chaîne respiratoire par l'ETF qui transporte ses 2H à une variante du complexe II.

4. La navette malate-aspartate

Elle est constituée de deux cycles liés par les mécanismes de déshydrogénation et de transamination.

4.1. Le cycle malate-oxaloacétate

L'oxaloacétate cytosolique passe par la malate-déshydrogénase pour entrer dans la mitochondrie selon la réaction : oxaloacétate + NADH,H+ --> malate + NAD+.
Une fois dans la mitochondrie grâce au transporteur malate-cétoglutarate, l'isoenzyme mitochondriale redonne l'oxaloacétate en inversant la réaction précédente.

4.2. Le cycle glutamate-aspartate

Par l'action de l'aspartate transaminase, l'oxaloacétate va pouvoir retourner dans le cytosol en utilisant le transporteur commun aspartate-glutamate.
Une fois dans le cytosol, l'aspartate va être retransaminé en oxaloacétate par l'ASAT cytosolique.

Les mouvements couplés du glutamate et de l'alpha-cétoglutarate 

COURS DE BIOLOGIE PARTIE 2

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:

• 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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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:

• 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...

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.

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.

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).

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.

• 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.

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 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).

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 :

• 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 :

• 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.

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 :

1. 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,
2. 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.

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.

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.

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.

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- .

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.

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.

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 :

• 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.

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.

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.

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 :

• 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.