upright=1.5|vignette|Schéma de principe de la phosphorylation oxydative dans une mitochondrie illustrant les complexes , , et ainsi que le .• Dans ce processus, la chaîne respiratoire est une chaîne de transport d'électrons qui assure l'oxydation des coenzymes réduites, telles que le NADH, issues du catabolisme, par exemple du cycle de Krebs.• Cette oxydation fournit l'énergie nécessaire au pompage de protons hors de la matrice mitochondriale vers l'espace intermembranaire mitochondrial, ce qui génère un gradient de concentration de protons et un gradient électrochimique à travers la membrane mitochondriale interne.• Le reflux des protons vers la matrice à travers la membrane interne fournit l'énergie chimiosmotique nécessaire aux ATP synthases pour phosphoryler l'ADP en ATP. vignette|Chaîne respiratoire des mitochondries simplifiée|320x320px

En biochimie, on appelle chaîne respiratoire une chaîne de transport d'électrons réalisant l'oxydation des coenzymes réduites issues de la dégradation de composés organiques ou minéraux. Ces coenzymes sont notamment le NADH et le produits dans les mitochondries par le cycle de Krebs et par la β-oxydation des acides gras. Les chaînes respiratoires sont formées d'enzymes membranaires et de transporteurs d'électrons — cytochromes, quinones, flavoprotéines — organisés autour de la membrane plasmique chez les procaryotes et des crêtes mitochondriales de la membrane mitochondriale interne chez les eucaryotes.

La chaîne respiratoire des eucaryotes a été intensivement étudiée. Elle est constituée essentiellement de quatre complexes protéiques dénombrés de à . Les électrons à haut potentiel de transfert du NADH y entrent au niveau de la NADH-déshydrogénase, ou , pour redonner du NAD+, tandis que ceux du succinate y entrent au niveau de la succinate-déshydrogénase, ou , pour donner du fumarate. Un troisième point d'entrée existe au niveau de l'ETF-déshydrogénase pour les électrons des (ETF). Dans ces trois cas, les électrons proviennent de la matrice mitochondriale et sont transférés à la pour former de l'ubiquinol , liposoluble, qui diffuse dans la bicouche lipidique constituant la membrane mitochondriale interne. Puis la -, ou , transfère les électrons du au dans l'espace intermembranaire, et l'oxydase de , ou , transfère les électrons de quatre réduits à une molécule d'oxygène pour former deux molécules d'eau .

La circulation des électrons le long d'une chaîne respiratoire génère un gradient de concentration de protons à travers la membrane biologique où elle a lieu. Chez les eucaryotes, des protons sont pompés au niveau des complexes , et . Le gradient électrochimique qui en résulte emmagasine l'énergie libérée par les oxydations de la chaîne respiratoire et permet par la suite de phosphoryler l'ADP en ATP par couplage chimiosmotique avec des ATP synthases dans le cadre d'un processus global appelé phosphorylation oxydative.

Molécules de transfert d'électrons et de protons

La chaîne respiratoire assure le transport à la fois des protons et des électrons. Ces derniers circulent de donneurs en accepteurs d'électrons, tandis que les protons circulent à travers la membrane. Ces processus utilisent des molécules de transfert dont certaines sont solubles tandis que d'autres sont liées à des protéines. Dans les mitochondries, les électrons sont transférés dans l'espace intermembranaire mitochondrial par le , une petite protéine soluble dans l'eau assurant le transfert d'un électron par molécule. Seuls les électrons sont transportés par ce cytochrome, et les transferts d'électrons de et vers cette protéine font intervenir l'oxydation et la réduction d'un atome de fer situé dans un groupe héminique lié au cytochrome. Certaines bactéries contiennent également le , chez lesquelles il est situé dans l'espace périplasmique.

redresse=1.4|vignette|Réduction d'une ubiquinone () en ubiquinol ().

Dans la membrane mitochondriale interne, les électrons sont transportés par des ubiquinones, dont la forme principale chez les mammifères est la . Celle-ci est un transporteur d'électrons et de protons liposoluble faisant intervenir un cycle rédox. Cette petite benzoquinone est très hydrophobe, ce qui lui permet de diffuser à l'intérieur de la membrane. Lorsque la accepte deux électrons et deux protons, elle donne un ubiquinol , qui en est la forme réduite ; ce dernier est susceptible de libérer deux électrons et deux protons pour redonner la , qui en est la forme oxydée. Par conséquent, si deux enzymes sont disposées de telle sorte que la soit réduite d'un côté de la membrane et que l'ubiquinol soit oxydé de l'autre, l'ubiquinone joue le rôle d'une navette transportant les protons à travers la membrane. Certaines chaînes respiratoires bactériennes utilisent des quinones différentes, comme la ménaquinone, en plus de l'ubiquinone.

Au niveau des protéines, les électrons circulent à travers une série de cofacteurs : flavine, protéines fer-soufre et cytochromes. Il existe plusieurs types de centres fer-soufre. Le plus simple de ceux présents dans les chaînes de transfert d'électrons est formé de deux atomes de fer liés à deux atomes de soufre ; ce sont les clusters [2Fe–2S]. L'autre variété de centre fer-soufre est appelée [4Fe–4S] et contient un cube formé de quatre atomes de fer et quatre atomes de soufre. Chaque atome de fer de tels clusters est coordonné à la chaîne latérale d'un résidu d'acide aminé, généralement à l'atome de soufre d'un résidu de cystéine. Les cofacteurs à ions métalliques subissent des réactions sans fixer ni libérer de protons, de sorte que, dans la chaîne de transport d'électrons, ils interviennent uniquement dans le transport des électrons à travers des protéines. Les électrons peuvent parcourir d'assez grandes distances en sautant de proche en proche le long de chaînes de tels cofacteurs. Ce mécanisme fait intervenir l'effet tunnel, qui est efficace sur des distances inférieures à .

Chaîne respiratoire mitochondriale La plupart des cellules d'eucaryotes, possèdent des mitochondries, lesquelles produisent de l'ATP à partir des produits de voies métaboliques telles que le cycle de Krebs, la β-oxydation, ou encore la dégradation des acides aminés. Dans la membrane mitochondriale interne, les électrons issus du NADH et du succinate circulent à travers la chaîne respiratoire jusqu'à réduire une molécule d'oxygène , ce qui libère une molécule d'eau . Chaque donneur d'électrons de la chaîne respiratoire transmet ses électrons à un accepteur plus électronégatif que lui selon une cascade de réactions qui se termine par la réduction de l'oxygène, le plus électronégatif des accepteurs d'électrons de la chaîne respiratoire.

Le transfert d'électrons entre un donneur et un accepteur plus électronégatif libère de l'énergie, utilisée pour pomper des protons hors de la matrice mitochondriale, ce qui génère un gradient de concentration de protons, et donc un gradient électrochimique, à travers la membrane mitochondriale interne. Ce gradient électrochimique est ensuite utilisé par l'ATP synthase pour produire de l'ATP : on dit que la chaîne respiratoire et la phosphorylation de l'ADP en ATP sont couplées par chimiosmose au moyen d'un gradient de concentration d'ions H+ à travers la membrane interne de la mitochondrie.

+ 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

Complexe : NADH-déshydrogénase redresse=1.67|vignette| Schéma de fonctionnement de la NADH-déshydrogénase.

La NADH-déshydrogénase (), également appelée complexe , est la première enzyme de la respiration cellulaire. Il s'agit d'une protéine de très grande taille qui, chez les mammifères, possède et une masse d'environ . Le détail de sa structure a été déterminé à partir de . Chez la plupart des organismes, elle a une forme rappelant grossièrement une botte. Les gènes qui encodent cette protéine se trouvent à la fois dans le noyau et dans le génome mitochondrial, comme c'est le cas pour de nombreuses enzymes mitochondriales.

Le complexe catalyse la réduction de la , une ubiquinone liposoluble présente dans la membrane mitochondriale interne, par les deux électrons à haut potentiel de transfert du NADH pour donner de l'ubiquinol, ou :

NADH + + 5 H+matriciels → NAD+ + + 4 H+intermembranaires.

L'amorçage de la réaction, et en fait de toute la chaîne de transport d'électrons, a lieu avec la liaison d'une molécule de NADH au et la cession de deux électrons du premier à un groupe prosthétique FNM du second. Les électrons du circulent ensuite à travers une série de centres fer-soufre, à la fois de type [2Fe-2S] et [4Fe-4S].

Alors que les électrons circulent à travers le complexe , quatre protons sont pompés hors de la matrice mitochondriale vers l'espace intermembranaire à travers la membrane interne. Le mécanisme exact de ce processus demeure obscur, mais il semble faire intervenir des changements conformationnels du complexe conduisant à lier des protons du côté de la face N de la membrane pour les libérer du côté de la face P. Les électrons sont finalement cédés par la chaîne de centres fer-soufre à une molécule d'ubiquinone () dans la membrane. La formation d'ubiquinol () contribue également à la génération du gradient de concentration de protons à travers la membrane interne dans la mesure où les deux protons nécessaires à cette réaction proviennent de la matrice mitochondriale.

Complexe : succinate-déshydrogénase

vignette| Schéma de fonctionnement de la succinate-déshydrogénase.

La succinate-déshydrogénase (), également appelée complexe , est le deuxième point d'entrée des électrons dans la chaîne respiratoire. Cette enzyme présente la particularité d'appartenir à la fois au cycle de Krebs et à la chaîne respiratoire. Elle est constituée de quatre sous-unités et de plusieurs cofacteurs : FAD, centres fer-soufre, et un groupe héminique qui ne participe pas au transfert des électrons à la mais jouerait un rôle important en limitant la production de dérivés réactifs de l'oxygène. Elle catalyse l'oxydation du succinate en fumarate et la réduction de la . Cette réaction libère moins d'énergie que l'oxydation du NADH, ce qui fait que le complexe ne contribue pas à la génération du gradient de concentration de protons.

Succinate + → fumarate + .

Chez certains eucaryotes tels que le ver parasite , une enzyme semblable au , la fumarate-réductase à ménaquinone, catalyse la réaction inverse pour réduire le fumarate en oxydant l'ubiquinol, ce qui permet à ce parasite de survivre dans l'environnement anaérobie du gros intestin en réalisant une phosphorylation oxydative avec le fumarate comme accepteur d'électrons. Le parasite du paludisme, Plasmodium falciparum, utilise quant à lui le dans le sens inverse pour régénérer l'ubiquinol dans le cadre de la biosynthèse de pyrimidines.

ETF-déshydrogénase

L’ETF-déshydrogénase () est un troisième point d'entrée des électrons dans la chaîne respiratoire. Il s'agit d'une enzyme capable d'utiliser des électrons de flavoprotéines — les (ETF) — de la matrice mitochondriale pour réduire la . Cette enzyme contient une flavine et un cluster mais, contrairement aux autres complexes respiratoires, elle est liée à la surface de la membrane mitochondriale interne et ne traverse pas la bicouche lipidique. Le potentiel d'oxydoréduction du couple ETFoxydée/ETFréduite vaut chez Methylophilus methylotrophus, une bactérie .

ETFréduite + → ETFoxydée + .