redresse=1.75|vignette| Schéma d'une membrane de thylakoïde montrant la chaîne formée par le , la plastoquinone, le complexe , la plastocyanine, le et la réductase assurant les réactions de la photosynthèse dépendantes de la lumière, couplée à l'ATP synthase par un gradient de concentration de protons dans le cadre d'un processus global appelé photophosphorylation.
redresse=1.75|vignette|Schéma d'une matrice mitochondriale montrant les complexes à de la chaîne respiratoire, couplés à l'ATP synthase par un gradient de concentration de protons dans le cadre d'un processus global appelé phosphorylation oxydative.
Une chaîne de transport d'électrons est une série d'enzymes et de coenzymes qui réalise globalement deux actions simultanément : elle transfère des électrons depuis des donneurs d'électrons vers des accepteurs d'électrons au cours de réactions d'oxydoréduction successives, et elle assure le pompage de protons ou d'autres cations à travers une membrane biologique. Ceci a pour effet de générer un gradient de concentration de protons à travers cette membrane, d'où un gradient électrochimique dont l'énergie potentielle peut être récupérée par des ATP synthases pour phosphoryler des molécules d'ADP en ATP. L'accepteur final d'électrons est généralement l'oxygène chez les organismes aérobies, mais peut être un autre oxydant chez certaines espèces.
Les chaînes de transport d'électrons ont pour fonction d'extraire l'énergie des électrons à haut potentiel de transfert issus essentiellement d'une part de la dégradation des biomolécules dans le cadre de la respiration cellulaire, et d'autre part de l'excitation des centres réactionnels des photosystèmes dans le cadre de la photosynthèse. Chez les eucaryotes, il existe ainsi une importante chaîne de transport d'électrons dans la membrane mitochondriale interne où se déroule la phosphorylation oxydative utilisant une ATP synthase, tandis que les plantes ont une seconde chaîne de transfert d'électrons dans la membrane des thylakoïdes au sein de leurs chloroplastes, où se déroule la photosynthèse. Chez les bactéries, la chaîne de transport d'électrons se trouve dans leur membrane plasmique.
Dans les chloroplastes, la lumière permet d'oxyder l'eau en oxygène d'une part, et de réduire le NADP+ en NADPH d'autre part, avec injection concomitante de protons dans le lumen des thylakoïdes. Dans les mitochondries, l'oxygène est réduit en eau tandis que le NADH est oxydé en NAD+ et que le succinate est converti en fumarate, avec expulsion concomitante de protons hors de la matrice mitochondriale.
Les chaînes de transport d'électrons sont des sources importantes de dérivés réactifs de l'oxygène par transfert inopiné d'électrons à des molécules d'oxygène conduisant à la formation d'ions superoxyde •− et peroxyde 2− susceptibles d'aggraver le stress oxydant.
Introduction
Une chaîne de transport d'électrons est constituée d'une suite de réactions d'oxydoréduction isolées spatialement au cours desquelles des électrons sont transférés de donneurs d'électrons à des accepteurs d'électrons. La force sous-jacente à ces réactions est la variation d'enthalpie libre ΔG : toute réaction conduisant à une baisse d'enthalpie libre entre substrats et produits de réaction peut se produire spontanément du point de vue thermodynamique.
Le rôle des chaînes de transport d'électrons est de générer un gradient électrochimique résultant d'un gradient de concentration de protons à travers une membrane biologique — membrane mitochondriale interne chez les eucaryotes, membrane des thylakoïdes chez les plantes, membrane plasmique chez les procaryotes — au cours de ces réactions d'oxydoréduction. Le reflux des protons à travers la membrane permet d'actionner un rotor moléculaire dans une ATP synthase, enzyme hautement conservée à travers les trois domaines du vivant, et ainsi de fournir l'énergie nécessaire à la phosphorylation de l'ADP en ATP.
Chaînes respiratoires de la phosphorylation oxydative
Dans les mitochondries
La chaîne respiratoire détaillée ici est celle des mitochondries de mammifères :
NADH → NADH déshydrogénase → ubiquinone () → - réductase → → oxydase → ;
succinate → succinate déshydrogénase → ubiquinone () → - réductase → → oxydase → .
Elle se compose des éléments suivants :
les électrons à haut potentiel de transfert du NADH sont transmis à la (ubiquinone) par la NADH déshydrogénase, ou . La réduite est l'ubiquinol ;
les électrons à haut potentiel de transfert du succinate sont transmis à la par la succinate déshydrogénase, ou , donnant également de l'ubiquinol ;
l'ubiquinol transfère ses électrons à deux sous l'action de la - réductase, ou ;
quatre transfèrent chacun leur électron à une molécule d'oxygène sous l'action de la oxydase, ou . Il se forme deux molécules d'eau.
Chacun de ces quatre complexes respiratoires présente une structure extrêmement complexe partiellement incluse dans la membrane mitochondriale interne. Hormis le , ce sont des pompes à protons. Les électrons circulent entre ces structures sur des transporteurs d'électrons liposolubles ou hydrophiles selon les cas.
+ Substrats et enzymes respiratoires chez les eucaryotesAnders Overgaard Pedersen et Henning Nielsen, « Medical CHEMISTRY Compendium », Aarhus University, 2008. Complexe Enzyme respiratoire Couple rédox Potentiel standard NADH déshydrogénase NAD+ / NADH Succinate déshydrogénase FMN ou FAD / ou Cytochrome c réductase Coenzyme / Cytochrome / Cytochrome Cytochrome c oxydase Cytochrome / Cytochrome Cytochrome / Cytochrome / HO− Conditions : pH = 7
L'énergie libérée par la circulation des électrons le long de la chaîne respiratoire permet de pomper des protons de la matrice mitochondriale à travers la membrane mitochondriale interne pour les injecter dans l'espace intermembranaire mitochondrial. Ceci génère un gradient de concentration de protons à travers cette membrane, correspondant à un gradient électrochimique noté ΔΨ. Le reflux des protons vers la matrice mitochondriale à travers la membrane mitochondriale interne fournit l'énergie nécessaire à la biosynthèse de l'ATP par l'ATP synthase.
La réaction ADP3− + H+ + Pi2− → ATP4− + de synthèse de l'ATP est une réaction endergonique, elle a besoin d'énergie pour avoir lieu. Sa variation d'enthalpie libre standard (ΔG°) est égale à . Trois étapes de la chaîne respiratoire libèrent suffisamment d'énergie (leur variation d'enthalpie libre standard ΔG° est inférieure ou égale à ) pour former de l'ATP :
| * NADH + H+ + FMN ou FAD ou + NAD+ || ΔG° = |- | * 2 cytochrome + 2 cytochrome 2 cytochrome + 2 cytochrome || ΔG° = |- | * 2 cytochrome + 1/2 2 cytochrome + O2− || ΔG° =
NADH déshydrogénase
Le complexe , ou NADH déshydrogénase, transfère deux électrons du NADH à une molécule d'ubiquinone, la , qui est un transporteur d'électrons liposoluble. Cette dernière est par conséquent réduite en ubiquinol , qui diffuse librement dans la membrane mitochondriale interne. Le pompe quatre protons de la matrice mitochondriale vers l'espace intermembranaire, ce qui contribue à générer un gradient de concentration de protons à travers la membrane interne. Ce complexe est la principale source d'ions superoxyde •− et peroxyde 2− par fuite d'électrons sur l'oxygène.
Le mécanisme réactionnel fait circuler les électrons du NADH tout d'abord vers un FMN, réduit en par un transfert de deux électrons en une seule étape. Le est ensuite oxydé par deux transferts successifs d'un électron à un cluster fer-soufre via une semiquinone, qui est un radical libre. Les deux électrons sont finalement transférés à une ubiquinone, convertie successivement en semiquinone et en ubiquinol par transfert successif d'un électron à chaque fois.
Succinate déshydrogénase
Le complexe , ou succinate déshydrogénase, convertit également une molécule d'ubiquinone en ubiquinol, cette fois à partir d'électrons issus du succinate via un cofacteur FAD. Ces électrons peuvent également provenir d'autres sources, telles que le glycérol-3-phosphate ou la dégradation des acides gras. Contrairement au précédent, ce complexe n'est pas une pompe à protons.
Coenzyme Q-cytochrome c réductase
Le complexe , ou - réductase, transfère séquentiellement les deux électrons à haut potentiel de l'ubiquinol à deux en injectant quatre protons dans l'espace intermembranaire. Il possède un mécanisme réactionnel en deux étapes appelé cycle Q qui double sa contribution à la génération du gradient électrochimique. Ce complexe génère également des ions superoxyde et peroxyde lorsque le transfert d'électrons est réduit, que ce soit en raison d'un potentiel électrochimique de membrane trop élevé ou à la suite d'un empoisonnement.
Cytochrome c oxydase
Le complexe , ou oxydase, transfère quatre électrons de quatre à une molécule d'oxygène pour former deux molécules d'eau tandis que quatre protons sont pompés vers l'espace intermembranaire.
Couplage avec la phosphorylation de l'ADP en ATP
Selon la théorie chimiosmotique, proposée en 1961 par le biochimiste britannique Peter Mitchell à qui elle a valu le prix Nobel de chimie en 1978, la chaîne respiratoire et la phosphorylation de l'ADP en ATP sont couplées par le gradient de concentration de protons à travers la membrane mitochondriale interne selon un processus global appelé phosphorylation oxydative. Ce gradient de concentration génère un gradient électrochimique utilisé par l'ATP synthase pour produire de l'ATP. La région FO de l'ATP synthase fonctionne comme un canal ionique permettant le reflux des protons vers la matrice mitochondriale. Ceci permet de libérer l'énergie accumulée dans le potentiel électrochimique de membrane et d'actionner un rotor moléculaire dans la région F1 de l'ATP synthase qui transmet l'énergie nécessaire à la formation de l'ATP.
Le couplage de la chaîne respiratoire avec la phosphorylation de l'ADP en ATP est crucial pour l'efficacité du mécanisme de production d'ATP dans la cellule. Cependant, dans certains cas particulier, le découplage de ces deux processus peut être biologiquement utile. Des protéines découplantes, telles que la thermogénine du tissu adipeux brun, permet aux protons de refluer vers la matrice mitochondriale en traversant la membrane interne, ce qui assure la thermogenèse plutôt que la production d'ATP. Il existe des agents de découplage synthétiques tels que le 2,4-dinitrophénol, qui sont létaux à forte dose.
Chez les bactéries
La situation est plus complexe chez les bactéries car les électrons peuvent entrer dans la chaîne respiratoire à trois niveaux au lieu de deux : au niveau d'une déshydrogénase, au niveau d'une ubiquinone, ou au niveau d'un cytochrome transporteur d'électrons, par ordre de potentiel standard croissant, c'est-à-dire avec une variation d'enthalpie libre décroissante avec l'accepteur d'électrons final.
Les bactéries ont recours à plusieurs chaînes respiratoires, souvent de façon simultanée. Elles peuvent utiliser différents donneurs d'électrons, différentes déshydrogénases, différentes cytochrome oxydases, différentes cytochrome réductases, et différents accepteurs d'électrons. Ainsi, Escherichia coli peut utiliser deux NADH déshydrogénases différentes et deux quinol oxydases distinctes, ce qui correspond à quatre chaînes respiratoires fonctionnant simultanément.
Les chaînes respiratoires bactériennes possèdent au moins une pompe à protons parmi les différentes enzymes qui les composent, mais peuvent en compter jusqu'à trois, comme celles des mitochondries.
On distingue notamment :
la chaîne respiratoire des bactéries dites « oxydase + » (Pseudomonas, Vibrio, etc.), qui est sensiblement la même que celle des mitochondries ;
la chaîne respiratoire des bactéries dites « oxydase – » (Enterobacteriaceae, etc.), qui est plus courte : il n'y a pas de complexe , correspondant à la cytochrome oxydase.