La conversion de l’énergie

La conversion de l’énergie

On sait que l’intégralité des anabolismes (= synthèses) et des catabolismes (= destructions) se font à l’intérieur des cellules.

Or, on sait que l’énergie nécessaire à ses mécanismes provient de l’environnement extérieur que ce soit l’oxygène de l’air, des aliments ou la lumière solaire. Comment ces énergies vont pouvoir être transmise aux cellules?

La membrane cytoplasmique gouverne le trafic des molécules entre l'intérieur des cellules et le milieu ambiant. Les gaz et les petites molécules hydrophobes diffusent directement à travers la bicouche phospholipidique, et ceci d’autant plus vite qu’elles sont plus solubles dans un solvant hydrocarboné.

Au contraire, les ions, les glucides et les acides aminés ne peuvent pas traverser cette bicouche phospholipidique ou du moins pas suffisamment vite pour répondre aux exigences de la cellule et ils doivent être véhiculés par un autre type de protéines membranaires intrinsèques. Grâce à l’action catalytique de leurs perméases, certaines molécules pénètrent dans la cellule sous la seule pression de leur gradient de concentration. Les perméases sont spécifiques de certains produits et de certaines cellules. Le glucose, par exemple, va pouvoir pénétrer dans l’érythrocyte grâce à une glucose perméase qui va permettre un passage transmembranaire aux molecules de glucoses fixés sur la perméase. C’est un passage spécifique qui ne concerne que le glucose et quelques rares molécules apparentées (molecule parasite qui profite du passage pour entrer dans l'erytrocyte).

Le passage de certaines molécules dans la cellule exige un transport contre un gradient de concentration ionique ; auquel cas une dépense énergétique est engagée. C'est la cas d'une enzyme, la sodium potassium ATPase, elle va permettre l’entrée de deux ions potatium et en même temps, la sortie de 3 ions sodium en consommant l’énergie d’hydrolyse de l’ATP. Il existe aussi une calcium ATPase qui va pomper deux ions calcium de l’intérieur vers l’extérieur de la cellule, dans le muscle, elle permet de faire sortir deux ions calcium des vesicules carcoplamiques.

Ce sont ces pompes qui permettent de garder des concentrations intérieures basses en sodium et en calcium et riches en potassium.

Il existe une pompe à protons dépendante de l’ATP qui est active au niveau des membranes des lysosomes et des endosomes, elle sert à maintenir, dans ces organites, une concentration en ions H⁺, ce qui maintient un pH plus bas, donc plus acide que le pH environnant.

Toutes les cellules ont besoin d’énergie pour la synthèse et le catabolisme : elle ne peut venir que d’éléments extérieurs à la cellule. Ces éléments vont servir aux transports des molécules à travers la membrane plasmique et à travers la membrane des mitochondries. Le transport se fait le plus souvent contre un gradient de concentration.

Il arrive que de petites molécules puisse être exportées ou importées contre son gradient de concentration mais sans nécessité d’énergie, ce transfert va se faire par couplage avec celui d’une autre molécule ou d’un autre ion. En général, le glucose et les acides aminés arrivent aux cellules par couplage avec le flux des ions sodium.

Dans les cellules cardiaques, l’exportation de calcium est couplée au flux entrant de sodium. Les membranes cellulaires sont souvent différenciées, ce qui veut dire qu’il existe différentes zones qui contiennent différents types de perméases qui exécutent des mécanismes de transfert ou de transport différents.

Il existe des zones différentes dans une même membranes (segment topologiquement différencié) possédant des permeases spécifique et qui donc exécute des transports différents.

Dans les cellules intestinales, les sites glucose/ions H⁺ et les sites acides aminés/ions sodium sont confinés à la membrane du bord apical des cellules (c’est-à-dire tournés vers la lumière intestinale) alors que la sodium/potassium ATPase ainsi que les perméases du glucose et des acides aminés sont logées au niveau du segment basolatéral de la cellule (c’est-à-dire face aux capillaires sanguins = irrigation sanguine). Cette combinaison va donc permettre le transfert des acides aminés et du glucose de la lumière intestinal au courant sanguin.

Les cellules oxyntique de l'estomac disposent dans leur pole apical d'une pompe a proton ATPdépendante et au pôle basolatéral d'un antiporteur d'anion qui va échanger l'HCO3- contre Cl-, et cet échange maintient la neutralité du pH cytoplasmique malgrés le pH excessivement acide de la lumière de l'estomac.

Le déplacement de l’eau à travers les couches cellulaires est entraîné soit par la pression hydrostatique différente entre vaisseaux sanguins et cellules, soit par la pression osmotique. Lorsque les cellules pariétales de l’estomac sécrètent des ions H⁺ et Cl^- (acide chlorhydrique), le gradient osmotique produit une sortie massive d’eau hors des cellules.

Les protéines, les bactéries et les virus pénètrent, eux, dans les cellules par des mécanismes particulier totalement différents où une partie de la membrane cytoplasmique se détache pour former des vésicules intracellulaires : c’est le phénomène de phagocytose (ou endocytose).

La phagocytose exige en premier lieu des récepteurs spécifiques à la surface de la cellule. Ils vont se fixer les uns après les autres à la particule de telle sorte que la membrane plasmique va petit à petit l’entourer pour former une vésicule qui sera intra cytoplasmique. La vésicule va fusionner avec un ou plusieurs lysosomes pour y produire la dégradation de cette particule. La fixation des anticorps sur des particules étrangères facilite leur absorption et donc leur destruction. La pinocytose est un autre type de traversée de la membrane : c’est une endocytose non spécifique et le passage se fait en fonction de leur concentration dans le milieu extracellulaire. Une fois dans la cellule, il y a acidification du contenu des vésicules et soit elles sont détruite soit elle survive dans le cas de virus.

Formation d’ATP dans les mitochondries et les bactéries

La molécule la plus importante est l’ATP (énergie), elle est produite dans une réaction qui nécessite de l’énergie (endergonique), il faut donc une énergie libre G, on aura incorporation de pyrophosphate.

Pi²⁺ + H⁺ + ADP ^3-  ATP ^4- + H₂O dG°'=7,3 Kcal.mol^-1

Cette énergie sera apportée par la photosynthèse dans les chloroplastes des plantes supérieures et dans certaines bactéries. Ceci par la transformation de l’énergie lumineuse en énergie chimique. Dans les cellules animales, c’est la dégradation aérobie du glucose qui va fournir l’énergie est a l'origine de la formation de 32 ATP.

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 32 H⁺ + 32 Pi^2- + 32 ADP ^3-  6 CO₂ + 34 ATP^4- + 38 H₂O

L'énergie de départ du catabolisme du glucose provient de la rupture d'une liaison phosphoanhydride de l'ATP. L'énergie peut provenir aussi d'une autre réaction dans laquelle l'ATP va se transformer en AMP + 2Pi mais dans cette réaction dG°=0.

Cette étape débutera dans le cytoplasme et se terminera dans la mitochondrie. Tous les processus qui sont mis en jeu dans la croissance et le métabolisme cellulaire exigent cette fourniture d’énergie qui viendra de la rupture des régions phosphores et phosphates de l’ATP. On ne connaît pas encore exactement l’enzyme qui scinde l’ATP en AMP et deux molécules de phosphates mais l’hydrolyse de l’ATP peut donner de l’AMP par perte de deux pyrophosphates qui seront hydrolysés par une pyrophosphatase. Quand les deux liaisons sont scindées, une énergie double est libérée et on aura dG°'=-14,6. On ne retrouve jamais de complexe PiPi, il est immédiatement scindé. La réaction ATP -> AMP + PiPi -> AMP + Pi+Pi avec dG°'=-14,6 est faite par un complexe enzymatique.

Les processus de photosynthèse et d’oxydation aérobie paraissent bien différents mais pourtant ces réactions aboutiront aux mêmes résultats : la formation de l’ATP avec un même procédé de formation dans les bactéries, chloroplaste et mitochondrie. Le gradient de concentration en proton et le potentiel électrique membranaire (=force proton motrice) sont la force direct qui met en route le processus. Dans la photosynthèse, le gradient engendré par l’énergie récupérée des radiations lumineuses est un gradient de concentration de protons qui provoque aussi une différence de potentiel entre membrane interne et membrane externe que l’on appelle la force proton-motrice.

Dans la mitochondrie, l’énergie récupérée de l’oxydation des glucides, des acides gras ou même d’autres substances, va pousser des protons sur une des faces de la membrane de la mitochondrie et va générer une force proton motrice. Cette force proton motrice va être capable d'être utilisée dans la fabrication de divers composés comme par exemple la formation d'ATP à partir d'ADP. L'énergie des gradients de concentration des protons va servir a transporter a travers la membrane certaines petites molecules contre leur gradient de concentration.

Flux énergétiques dans le cytoplasme

Le cytoplasme est le carrefour des voies métaboliques, on va donc aborder les premières étapes du métabolisme du glucose puis ce qu’il se passe dans la mitochondrie.

La glycolyse est la première étape du catabolisme du glucose et de la production d’ATP (figure page1).

Dans le cytoplasme, la glycolyse est la première étape du catabolisme du glucose pour la formation d’ATP. Chaque molécule de glucose est convertit en deux molécules tri carbonée : le pyruvate. Les réactions chimiques aboutissent par la voie de Embden Meyerhoff ou glycolyse dans le cytoplasme et sans apport d’oxygène moléculaire. La voie de la glycolyse est étroitement contrôlée est ne se fait que pour répondre au besoin énergétique de la cellule.

Tous les intermédiaires produits entre le produit final et de depart, sont des composés phosphorylés.

La glycolyse produit 4 molécules d’ATP à partir de molécules d’ADP : deux sont formées à la première étape par la phosphoglycérate kinase et deux autres par la pyruvate kinase.

Il a fallu deux molécules d’ATP pour former deux molécules de pyruvate. Le bénéfice net de cette première étape est de deux molécules d’ATP.

Au bilan de ces réactions chimiques vont apparaître quatre protons (H+) et quatre électrons.

C₆H₁₂O₆  2 C₃H₄O₃ + 4 H⁺

Ces atomes d’hydrogènes viennent de la réaction catalysée par la glycéraldéhyde 3 phosphate déshydrogénase.

Les quatre électrons et deux des quatre protons sont transférés à deux molécules qui se trouvent sous forme oxydée d’un transporteur d’électron. Le nicotyl amide adénine dinucléotide (NAD⁺) va se transformer avec deux électrons et deux protons en NADH. La réaction est :

2 NAD⁺ + 2 H⁺ + 2 e^-  2 NADH pour obtenir une forme réduite : le NADH.

Le bilan du premier tronçon du catabolisme du glucose va s’exprimer par :

C₆H₁₂O₆ + 2 NAD + 2 ADP ^2- + 2Pi ^2-  2 C₃H₄O₃ (pyruvate) + 2 NADH + 2 ATP ^4- + 2 H⁺.

Dans la glycolyse, la cellule utilise essentiellement deux voies pour produire son ATP. Dans les chloroplastes et les mitochondries, l’énergie peut être puisée directement dans les gradients ioniques au travers d’une membrane.

Dans la glycolyse, l’ATP est formé par une phosphorylation au niveau du substrat

Une autre source possible est la phosphorylation au niveau des substrats et des composés solubles du cytoplasme. Ils sont transformés par des enzymes hydrosolubles sans qu’interviennent ni membrane, ni gradient. La glycolyse donne lieu à deux phosphorylations au niveau du substrat.

Le glycéraldéhyde 3 phosphate

G3P^2- + NAD⁺ + Pi^2-  1- 3 bis phospho glycérate + NADH + H⁺ .

Cette réaction nécessite 1,5 Kcal/molécule. Mais il est couplé avec la disparition du 1-3 bisphosphoglycérate pour donner du 3 phospho glycérate avec formation d’une molécule d’ATP. La réaction fournit 4,5 Kcal/molécule. On a au départ une réaction qui nécessite de l’énergie et qui au final met en réserve 3 Kcal / molécule. La somme de ces deux réactions est fortement exergonique. Chaque molécule de fructose 1-6 bisphosphate produit deux molécules de glycéraldéhyde 3 phosphate et une molécule de glucose va produire deux molécules d’ATP. Tous les produits sont présents dans le cytoplasme. Les étapes ultérieures de la glycolyse vont produire la liaison phosphate du phosphoénolpyruvate qui est une liaison riche en énergie. Ces deux exemples nous montre bien le processus par lequel se fait l’inter conversion chimique de molécules qui se couplent pour la formation d’ATP. L’utilisation complète du glucose fournira 32 molécules d’ATP. Les 30 autres molécules sont synthétisées dans la mitochondrie par des mécanismes totalement différents qui font appelle à des gradients de concentrations de protons à travers la membrane.

Certaines cellules d’eucaryotes et de procaryotes dégradent le glucose en l’absence d’O₂

La plupart des cellules eucaryotes sont des cellules aérobies strictes car elles ne survivent qu’en présence d’oxygène : elles vont catabolisées le glucose jusqu’à la formation de CO₂ en produisant ainsi une grande quantité d’ATP. Quelques cellules eucaryotes (certaines levures) sont capables de vivre en absence d’oxygène. Il existe donc un mécanisme anaérobie du glucose mais celui-ci ne fera pas intervenir les mitochondries. Le glucose n’y est pas entièrement convertit en CO₂ mais il produit un ou plusieurs composés possédant un ou plusieurs atomes de carbone de sorte que la production d’ATP par molécule de glucose soit beaucoup plus faible. Les levures qui peuvent fermenter le glucose en anaérobiose vont former deux molécules d’éthanol et deux molécules de CO₂. Il y a deux fois moins d’ATP produits. C’est cette fermentation qui est la base de l’industrie de la bière et du vin.

L’oxydation des glucides se termine dans les mitochondries, où la plus grande partie de l’ATP est produit

L’oxydation du glucose se termine dans la mitochondrie et c’est dans cette mitochondrie que se produit la majeure partie de l’ATP.

Le pyruvate formé dans le cytoplasme est transporté jusqu’à la mitochondrie où il est couplé à l’oxygène.

CH₃ - CO -COOH + 5/2 O₂  3 CO₂ + 2 H₂O

NADH _cyto + NAD⁺ _mit ->NAD⁺ _cyt + NADH _myt

Les deux molécules de NADH produites dans le cytoplasme vont réduire deux molécules de NAD à l’intérieur de la mitochondrie et le NADH de la mitochondrie va être oxydé par l’oxygène dans la mitochondrie pour donner du NAD⁺. Et ce sont toutes ces réactions d’oxydoréduction qui sont la source de la majorité de l’ATP produit dans la conversion du glucose. Dans le cycle complet, on obtient 30 molécules d'ATP (énorme). L'ATP sera utilisé parfois directement au passage de membrane ou en chaleur mais la mitochondrie est la centrale énergétique de la cellule.

Mitochondries et métabolisme des glucides et des lipides

Les membranes externe et interne de la mitochondrie diffèrent par leur structure et leur fonction

Les membranes externes et internes de la mitochondrie diffèrent par leur structure et leur fonction. Les mitochondries sont visibles au microscope optique. La mitochondrie comporte deux membranes tout à fait distinctes qui délimitent deux compartiments sous mitochondriaux et l’espace situé entre les deux membranes est nommé le compartiment central. Leur composition en protéine et en phospholipides est connu ainsi que l’endroit exact (membrane ou compartiment) où se déroule chacune des réactions mitochondriales. La membrane externe qui délimite le pourtour externe lisse de la mitochondrie, on y trouve des petits trous ménagés dans la membrane par des protéines : les porines. La partie externe de la membrane est du fait de ces pores donc tout à fait perméable aux petites molécules de poids moléculaires en général inférieure à 10 000 Da et donc particulièrement aux protons. C’est donc la membrane interne de la mitochondrie qui est la seule véritable barrière entre le cytoplasme et la matrice mitochondriale. La teneur en protéine de cette membrane interne et beaucoup plus élevé que celle de n'importe quelle autre membrane cellulaire et représente 76 % du poids total de la membrane. Il existe dans cette membrane interne la cardiolipine qui est un lipide particulier à cette membrane interne et on pense que c’est cette cardiolipine qui pourrait jouer un rôle dans la perméabilité aux protons, elle réduirait la perméabilité au proton. Cette partie de la membrane contient de nombreuses particules riches en protéines mobile dans le plan de la membrane et certaines sont servent au transfert d’électrons du NADH au FADH2 jusqu’à l’oxygène. Certaines autres particules sont des perméases qui permettent à des particules comme l’ADP ou des particules phosphorylées de passer du cytoplasme à la matrice.

Les réactions d'oxydation et de dégradation du pyruvate et des acides gras vont se faire dans la matrice et la paroi interne des mitochondries.

Ces processus complexes impliquent de nombreuses étapes que l’on peut schématiser en trois groupes :

1) l’oxydation du pyruvate ou des acide gras en CO₂. C’est une réaction qui va être couplé à la réduction de transporteur d’électron (NAD⁺ et FAD). Elle se déroule dans la matrice et dans des protéines de la membrane interne.

2) le transfert des électrons du NADH et du FADH₂ jusqu'à l'oxygène se fait à l’intérieur de la membrane interne. Il est couplé à la formation d’un gradient électrochimique de protons : la force proton motrice.

1. l’utilisation de l'énergie cumulée dans la force proton motrice pour la synthèse d’ATP. Cette synthèse est catalisée par la F₀F₁ATPase qui se situe dans la membrane interne.

Les procédés 2 et 3 font intervenir des protéines multimériques qui sont orientées d'une façon asymétrique dans la membrane mitochondriale interne. Les replies de la membrane interne augmente les procédés de synthèse de l'ATP.

En résumé, on a la transformation du glucose dans le cytoplasme puis passage à travers le feuillet externe de la mitochondrie et enfin, passage passif à travers la membrane interne de la mitochondrie.

Figure page 6

Tous les métabolismes sont liés entre eux, un blocage empêche tout de fonctionner.

L’acétyl CoA est un intermédiaire clé dans le catabolisme mitochondriale du pyruvate.

L’AcétylcoA est un intermédiaire dans le catabolisme mitochondriale du pyruvate. Le pyruvate va être produit dans le cytoplasme par la glycolyse et est transporté dans la matrice mitochondriale après avoir traversé les membranes par des perméase. L’oxydation complète du pyruvate en CO₂ et H₂O s’effectue à l’intérieur de la mitochondrie en utilisant l’oxygène qui sera l’accepteur final des électrons. A son arrivée dans la mitochondrie, le pyruvate va réagir avec la co-enzyme A et va donner du CO₂ et de l’acétyl Coenzyme-A. Cette réaction est fortement exergonique, elle va libérer 8 Kcal / molécule (dG°'=-8Kcal.mol^-1) : c’est une réaction irréversible car le CO2 est directement éliminé et le NADH va donner son énergie dans d'autres réactions. Cette réaction est catalysée par une enzyme : la pyruvate déshydrogénase qui est une enzyme parmi les plus complexes connues. C’est une enzyme géante de 30 nm de diamètre et d’un poids moléculaire de 4,6 millions Dalton : elle est plus grosse qu’un ribosome et faite de l'association de 60 monomères dans laquelle ont a isolé 3 enzymes distinct et des peptides de régulation et 5 types de coenzymes tous parfaitement ordonnés dans le complexe.

CH₃-CO-COO^- + HSCoA + NAD⁺ → CH3-CO-SCoA + CO2 + NADH dG°'=-8KCal.mol^-1

L'acetyl Coenzyme-A est le point d'entré dans le cycle de Krebs

Voir dans le poly les structures.

Le catabolisme des acides gras s’effectue dans la mitochondrie et fait aussi intervenir l’acétyl CoA

Les acides gras sont aussi catabolisés dans la mitochondrie : ils font aussi intervenir l’acétyl co-enzyme A. Les réserves de lipide de l’organisme sont constituées de tri acyl glycérol que l’on retrouve dans les cellules adipeuses. En réponse à certaines excitations hormonales comme l’adrénaline par exemple, ces triacylglycérols sont hydrolysés en acides gras et en glycérol.

Ces acides gras sont alors libérés dans la circulation sanguine, absorbés par des cellules et récupéré par d'autres cellules où ils seront oxydés et dégrades dans la mitochondrie. Chez l’homme, la dégradation des graisses est quantitativement plus importante comme source d’ATP que celle du glucose. L'oxydation d’un gramme de triacylglycérol en CO₂ fournit 6 fois plus d’ATP que la dégradation d’un gramme de glycogène. Une fois dans le cytoplasme, les acides gras libres vont se lier aux co-enzymes A pour former un acyl co-enzyme A (à n atones de carbone) dans une réaction exergonique couplée à l’hydrolyse de l’ATP avec la réaction ATP ->AMP+2Pi.

Le groupe acyl est ensuite transporté dans la matrice mitochondriale en traversant la membrane par l’intermédiaire d’une translocase et il est refixé dans la mitochondrie sur une autre molécule de co-enzyme A. Chaque molécule d’acyl co-enzyme A oxydée dans la mitochondrie produit une molécule d’acétyl co-enzyme A et une molécule d’acyl co-enzyme A. Ce dernier est amputé de deux atomes de carbones. En même temps, on a une molécule de NAD⁺ et une molécule de FAD qui sont réduites : cette réaction va se reproduire en cercle fermé sur ces acides gras par amputation successive de deux atomes de C jusqu‘aux derniers atomes de carbone retirés. On va jusqu’à l’hydrolyse complète de l’acide gras. Ceci pour former des molécules de NADH et de FADH2.

Une autre façon de former des molécules de NADH et de FADH₂ : dans le cycle de Krebs ou cycle de l’acide citrique.

Le cycle de Krebs est le tronçon final de l’oxydation des glucides et des lipides et c’est une suite complexe de neuf réactions. Il faut remarquer que l’oxygène n’intervient pas et qu’une seule région phosphoryle d’énergie élevée est formée.

CH3COSCoA + 3NAD⁺ + FAD + GDP^3- + 2Pi^2- + 2H2O

→ 2CO₂ + 3NADH + H⁺ + FADH₂ + GTP^4- + 2H⁺ + HSCoA

Les électrons sont transférés du NADH et du FADH₂ vers l’O₂ moléculaire par des protéines transporteurses d’électrons.

Les deux atomes de carbones de l’acétyl-coenzyme A seront oxydés en deux molécules de CO2 et en même temps, les électrons produits vont être transférés du NAD et du FAD pour former le NADH et FADH₂.

Le cycle débute par la condensation d’un groupe acétyl coenzyme A à une molécule à 4 C d’oxaloacétate. Le produit obtenu est un citrate à 6 atomes de C.

Dans les réactions 2 et 3, il y a influence de la cis-aconitate (enzyme unique = aconitase) qui va donner naissance, par accumulation d’une molécule d’eau à l’isocitrate. Au cours de la réaction 4, l’isocitrate va nous donner du a-cétoglutarate (molécule à 5 C seulement) donc élimination d’une première molécule de CO2. Et une molécule de NAD est transformée en NADH. Cet a-cétoglutarate va être transformé en succynyl-coenzyme A (à 4 C) en présence d’HS coenzyme A, formation d’une molécule de CO2 et formation d’une seconde molécule de NADH+H⁺. Ce succynyl coenzyme A va perdre son radical HS CoA pour donner la succinate (4C). Cette perte d’HS CoA formation de GDP en GTP. Ce succinate va se transformer en fumarate par perte de deux hydrogènes au niveau des carbones centraux. Ces hydrogènes se fixant sur FAD  formation de FADH₂. Ce fumarate en présence d’eau va donner du malate qui va perdre deux hydrogènes se fixant sur NAD  l’oxaloacétate. Puis possibilité de faire un autre cycle.

La plupart des enzymes et des petites molécules qui entrent dans ce cycle du citrate sont solubles en solution aqueuse et sont donc confinées dans la matrice de la mitochondrie. Trois produits font exception : la coenzyme A, l’acétyl coenzyme A et la succynyl coenzyme A car la coenzyme A possède un fragment hydrophobe qui est fixé dans la membrane mitochondriale alors que la partie acétyl et succynyl sont dirigées vers la matrice.

La concentration en protéine de la matrice mitochondriale est grande ce qui lui confère une consistance gélatineuse.

La succinate déshydrogénase qui catalyse la réaction 7 et l’a-cétoglutarate déshydrogénase qui catalyse la réaction, sont les deux seules enzymes logées dans la membrane de la mitochondrie.

Si on isole des mitochondries, si on les lyse, soit par des ultrasons, soit par lyse osmotique, toutes les enzymes non fixées à la membrane sont libérées sous forme d’un énorme complexe protéinique multienzymatique (on ne sait pas comment il intervient dans le cycle de Krebs : le produit de réaction d’une des enzymes passerait directement sur l’enzyme suivante sans diffuser dans la solution mitochondriale?), le produit des réactions passe sur un autre site pour effectuer la suite de la réaction, on ne change pas de protéine.

Le cycle aboutissant finalement à la conversion d’une molécule de glucose en 6 molécules de CO2, à la réduction de 10 molécules de NAD en NADH et de deux molécules de FAD en FADH₂.

L’oxygène de l’air (moléculaire) ne sert qu’à réoxyder les coenzymes réduites. Par contre, cette réoxydation ne peut pas se faire directement. Le NADH et le FADH₂ transfèrent leur paire d’électrons à des molécules acceptrices : molécules qui appartiennent à la membrane mitochondriale interne. Ces électrons vont passer successivement sur une série de transporteurs qui sont des protéines constitutives de la membrane interne.

Ces électrons vont passer par une série de transporteurs (schéma page 6) qui sont tous des protéine de la membrane interne, les électrons vont finir leur circuit sur l’ O₂ qui est l’accepteur final des électrons pour former une molécule d’eau.

NADH+H⁺+1/2O2 <=> NAD⁺+H2O avec DG = -52,6 Kcal/mole.

FADH2+1/2O2<=>FAD+H2O avec DG = -43,4 Kcal/molécule.

La transformation du NADH sur l’oxygène en NAD⁺ + H₂O est une réaction qui va donner un DG° négatif, il va donc fournir de l’énergie à la cellule. Le passage de FADH₂ en FAD + eau avec DG = -43 Kcal/molécule.

Donc l’oxydation de ces deux coenzymes sont des réactions très exergoniques de tel sorte que la majeure partie de l’énergie libérée par l’oxydation du glucose est sauvegardée sous la forme réduite de coenzyme.

Cette énergie récupérée par transfert d’électrons va suffire à alimenter la synthèse de plusieurs molécules d’ATP.

Pendant le transfert des électrons de NADH₂ à l’oxygène, des protons sont pompés en différents sites particuliers à travers la membrane mitochondriale et il va donc s’installer un gradient membranaire de protons. L’expulsion de cess protons (chargées positivement) à travers la membrane va produire un potentiel électrique qui existe entre les deux faces de la membrane interne, la matrice devenant négative par rapport à l’espace intermembranaire. Une partie de l'énergie libre récupérée par l’oxydation du FADH₂ ou du NADH est mise en réserve dans ce gradient de protons, et le retour des protons à l’intérieur de la mitochondrie est couplé à la synthèse d’ATP en présence de Pi.

Des vésicules fermées sont indispensables à la synthése d'ATP.

L’addition de substances comme le pyruvate ou le succinate à des mitochondries intactes provoque une synthèse non négligeable d’ATP qui n’a lieu que si la membrane interne n’est pas détruite.

Si l’on rajoute des traces de détergents qui rendent la membrane interne perméable (= destruction de la membrane interne), l’oxydation du pyruvate a toujours lieu mais il n’y a aucune synthèse d’ATP. Il n’existera alors ni gradient protonique ni potentiel électrique.

La force motrice protonique est la résultante d’un gradient de concentration de protons et d’un potentiel électrique de membrane

On en a donc déduit que la force proton motrice est la résultante d’un gradient de concentration de protons et d’un potentiel électrique de membrane. Que ce soit dans les chloroplastes, dans les bactéries ou dans les mitochondries, le flux transmembranaire des protons dans le sens de leur gradient de concentration est couplé à la synthèse d’ATP.

L’injection de protons dans la face interne de la membrane externe ne produira un potentiel électrique que si la membrane est très peu perméable aux anions (comme le chlorure). Ce passage de protons n’entraîne pas réellement de potentiel électrique, il n’empêche que le pompage de protons génère un gradient de pH (membrane externe). Pour la membrane interne qui est relativement perméable aux anions, il existe un potentiel électrique de membrane sur la membrane interne et le gradient de pH est moins élevé.

On a pu mesurer ce potentiel électrique entre les deux faces de la membrane interne qui atteint 200 mV.

Le complexe de l’ATP synthétase (F₀F₁) couple la synthèse de l’ATP au niveau de la membrane mitochondriale au flux de protons (figure page 12). Ce complexe est une protéine majeure de la membrane mitochondriale interne, c'est ce facteur de couplage : il comprend deux éléments principaux différents distincts : F1 et F0.

Le complexe F0 comprend les mêmes éléments quel que soit l’espèce que se soit dans les bactéries ou dans les mitochondries : il est composé de trois unités différentes a, b et c. Il existe selon les espèces en plus de 2 à 5 peptides additionnels qui ne sont pas correctement identifiés. La seule chose qui diffère entre les espèces sont les proportions.

Le complexe F1, qui est intracytoplasmique est constitué de 5 polypeptides différents a, b, g, e, d. Il est de conformation a3b3ged .

C’est la fixation de F1 sur F0 qui va permettre l’entrée des protons dans la cellule avec la formation d’un ATP (ADP + Pi). Dans la mitochondrie, le transfert d’électrons est couplé au pompage de protons (H⁺). mais, en anaérobiose, une préparation de mitochondrie n’oxyde pas le NADH ni les autres substances susceptibles de donner des électrons. En effet, l’accepteur final est l’oxygène mais en absence, la mitochondrie ne produit pas d’ATP. L’apport d’une petite quantité, même minime d’oxygène provoque l’oxydation d’une quantité double de NADH. Quand on effectue les mesures, on voit que le NADH a cédé deux électrons au lieu d’un et qu’un atome d’oxygène a été réduit. Quand on introduit une quantité limitante d’oxygène dans une suspension mitochondriale, le milieu s’acidifie parce que les protons s’accumulent dans l’espace intermembranaire. Ceci parce que la membrane est très perméable au protons et donc le pH du milieu baisse. On estime que dix protons seraient pompés à l’extérieur pour une paire d’électrons transférés. Les électrons font donc passer le NADH et le FADH₂ à l’oxygène en empruntant une chaîne de transporteur d’électrons. La plupart de ces transporteurs sont des groupes prosthétiques comme les flavine, les hèmes, dont le centre de la molécule est soit du fer, du soufre ou du cuivre. Un seul transporteur fait exception à la règle : l’ubiquinone qui est aussi la Co enzyme Q (CoQ).

RESUME

La combinaison d’un gradient de concentration de protons et d'un potentiel electrique a travers la membrane mitochondrial interne alimente la principale source d'energie servant a synthétiser l'ATP. La membrane des chloroplastes (= membrane thylacoïde) ou la membrane plasmique bactérienne alimentent la principale source d’énergie servant à la synthèse d’ATP. La résultante de ce gradient de pH et de ce potentiel est appelée la force proton motrice. Le complexe protéique F0/F1 catalyse la synthèse d’ATP. La structure de ce complexe est très semblable dans les trois systèmes : chloroplaste, bactérie et mitochondrie. F0F1 détaché = pas de synthése d'ATP. F0 est un complexe transmembranaire qui ménage un tunnel à protons réglable et F1, fortement attaché à F0 en activité renferme le site de transformation de l’ ATP en présence d'ADP et Pi (phosphate inorganique).

Dans le cytoplasme de cellules eucaryotes, le métabolisme du glucose suit en premier lieu la voie d’Embden Meyerhoff (voie de la glycolyse) qui va le transformer une molecule de glucose en deux molécule de pyruvate avec un gain de deux molécules d’ATP et la réduction de deux molécules de NAD+ en NADH.

Dans les cellules anaérobies, cette glycolyse ne s’arrête pas au niveau du stade pyruvate mais se poursuit jusqu’à la formation en lactate (acide lactique) ou en éthanol avec libération de CO2, et cette réaction produit également une réduction supplémentaire de NADH.

La majeure partie de l’ATP produit par les mitochondries et les bactéries aérobies résulte de l’oxydation du pyruvate en CO₂. Pyruvate → acetylCoA avec production de NADH et de FADH2. Sans AcoA, on ne pourrait pas bruler les graisses.

Le flux d’électrons du NADH ou du FADH₂ vers l’oxygène est couplé à l’éjection transmembranaire de protons de la matrice. Les principaux éléments de la chaîne de transfert d’électrons sont quatre complexes multiprotéiques qui sont chacun orientés de façon particulière dans la membrane mitochondriale interne. Le premier complexe est la succinate coenzyme Q réductase, puis il y a la NADH coenzyme Q réductase, ensuite la coenzyme Q dihydrogène cytochrome C réductase, et pour finir la cytochrome C oxydase (transfére les électrons a l'oxygène), qui sont les principales enzymes du transfert d’électrons.

Dans la mitochondrie, le passage de ces électrons au sein de ces trois dernier complexes est couplé à l’éjection de proton. Le coenzyme Q, fonctionne de façon réversible comme transporteur liposoluble d’électrons et de protons ceci grâce à sa mobilité dans toute l'épaisseur de la membrane. Comme la membrane mitochondriale interne est imperméable aux anions, la composante principale de la force proton motrice est le potentiel électrique membranaire qui atteint des valeurs près de 200 mV. La partie négative de la membrane étant tournée vers l’intérieur de la mitochondrie, cette force proton motrice est le moteur de la synthèse mitochondriale d’ATP. La conversion du glucose en pyruvate est sous une régulation serrée en grande partie par une inhibition allostérique de la phosphofructokinase. La voie d’Emden Meyerhof est inhibée par un excès d’ATP ou de NADH (principe de régulation en fit back).

La production de pyruvate est inhibée à l’oxydation mitochondriale du pyruvate.