1. La mitochondrie et la chaîne respiratoire

2. Caractéristiques générales des complexes protéiques de la chaîne respiratoire

3. Rôles biologiques des formes réduites NADH et NADPH

4. Les systèmes de navette pour transporter le pouvoir réducteur

a. La navette glycérol phosphate
b. La navette malate - aspartate

5. La force proton-motrice et la synthèse d'ATP par l'ATP synthase

6. Transport du P_i, de l'ADP et de l'ATP

a. Transport du P_i au travers de la membrane interne
b. Transport de l'ADP et de l'ATP au travers de la membrane interne
c. Autres fonctions de la translocase ANT1

d. Transport de l'ATP au travers de la membrane externe
e. Vision globale des transporteurs membranaires de la mitochondrie

7. Découplage [dissipation du gradient de protons / synthèse d'ATP]

a. Les protéines de découplage
b. UCP1 et la thermogénèse
c. Fonctionnement de UCP1
d. Rôle de la cardiolipine

8. Les espèces réactives de l'oxygène de la mitochondrie

a. Généralités
b. Rôle des mtROS
c. Sélénium : UCP1, séléno-cystéine et ROS

9. Quelques inhibiteurs et agents découplants

10. Liens Internet et références bibliographiques

La mitochondrie est limitée par deux membranes caractérisées par des propriétés très différentes :

La membrane externe est pauvre en protéines. Elle contient, en particulier, des protéines transmembranaires, les porines, qui permettent le passage des ions et des métabolites hydrosolubles de masse molaire < 7000 Daltons.

A l'inverse, la membrane interne est très riche en protéines mais elle est quasiment imperméable aux ions et aux métabolites hydrosolubles. Ces substances ne peuvent traverser la membrane qu'à l'aide de protéines membranaires de transport (l'ATP, l'ADP et le Pi sont transportés par ce type de protéines), ou de systèmes plus complexes qu'on appelle navette.

L'espace entre ces deux membranes s'appelle l'espace intermembranaire.

La zone interne de la mitochondrie (bordée par la membrane interne) s'appelle la matrice. Elle contient les enzymes du cycle de Krebs et la plupart de celles qui catalysent l'oxydation des acides gras.

La chaîne respiratoire est localisée dans la membrane interne des mitochondries. Le nombre des crêtes accroit la surface de cette membrane et ainsi chaque mitochondrie contient des milliers d'exemplaires de la chaîne de transport d'électrons. Les crêtes pénètrent dans la matrice.

Certaines protéines mitochondriales sont synthétisées par la mitochondrie (génome mitochondrial), mais la plupart d'entre elles sont codées par le génome nucléaire puis importées dans la mitochondrie.

Voir un cours sur la biogénèse (synthèse, adressage et assemblage) des protéines membranaires intégrales.

La chaîne respiratoire est un ensemble de complexes protéiques qui assurent un transfert de protons et/ou d'électrons. Les caractéristiques des complexes protéiques sont les suivants :

3. Rôles biologiques des formes réduites NADH et NADPH

Malgré des structures très semblables, les formes réduites de ces deux coenzymes sont employées dans la cellule de manière très différente.

Le NADH est produit par des réactions de voies du catabolisme (dégradation) :

• Puis il est réoxydé en NAD⁺ dans des conditions aérobies avec production concomitante d'ATP : c'est la phosphorylation oxydative.
• Le NADH représente donc une source énergétique préalable à l'ATP.

Le NADPH est produit par des réactions de voies de l'anabolisme (biosynthèse) telles que la voie des pentoses phosphate.

• Le NADPH constitue un pouvoir réducteur : il fournit des électrons aux voies métaboliques de biosynthèse réductrices (exemples : biosynthèse d'acides gras, biosynthèse d'acides aminés, biosynthèse des nucléotides). 
• La cytochrome P450 réductase est une enzyme liée à la membrane du réticulum endoplasmique qui transfère les électrons du NADPH au cytochrome P₄₅₀ et à d'autres protéines à hème (exemples : hème oxygénase ou cytochrome B5) : NADPH -> FAD -> FMN -> P₄₅₀ -> O₂

4. Les systèmes de navette ("shuttle") pour transporter le pouvoir réducteur

Au cours de la glycolyse, 2 molécules de NAD réduit (NADH) sont formées par molécule de glucose dégradé.

• En aérobiose, la réoxydation des coenzymes réduits se fait dans la mitochondrie via la chaîne respiratoire.
• Or la membrane mitochondriale est imperméable aux coenzymes pyridiniques.
• L'entrée du pouvoir réducteur (2 H⁺ + 2 e^-) dans la mitochondrie se fait par 2 systèmes de transport appelés navette.

a. La navette glycérol phosphate

Elle met en jeu 2 enzymes :

• Une glycérol 3-phosphate déshydrogénase (G3PDH ou GPD1 - E.C. 1.1.1.8) cytosolique.
• Un complexe G3PDH membranaire qui contient un groupe prosthétique FAD.

Le pouvoir réducteur entre dans la mitochondrie de la manière suivante :

• Celui-ci est d'abord transféré à la dihydroxyacétone phosphate (DHAP, intermédiaire de la glycolyse) pour former le glycérol 3-phosphate.
• Ce dernier est reconverti en DHAP par le complexe G3PDH membranaire qui transfère le pouvoir réducteur au FAD pour former FADH₂.
• Enfin le pouvoir réducteur est transféré à un élément mobile (Q) qui le transfère à la chaîne de transport d'électrons au niveau du complexe III.

b. La navette malate - aspartate

Elle met en jeu de nombreuses enzymes et transporteurs membranaires : en particulier, la malate déshydrogénase (MDH1 et MDH2 - E.C. 1.1.1.37) et l'aspartate transaminase (GOT1 et GOT2, E.C. 2.6.1.1), présentes à la fois dans le cytosol et dans la mitochondrie.

Les principales étapes du mécanisme sophistiqué par lequel le pouvoir réducteur du NADH entre dans la mitochondrie sont les suivantes :

• Le pouvoir réducteur est transféré au malate par MDH1 dans le cytoplasme : oxaloacétate + NADH <=> malate + NAD⁺.
• Le malate entre dans la mitochondrie via un antiport [malate-α-cétoglutarate] (transport membranaire).
• Le malate est converti en oxaloacétate par MDH2 et le pouvoir réducteur est transféré au NAD⁺ mitochondrial.
  • Le NADH formé est pris en charge par la chaîne de transport d'électrons.
  • L'oxaloacétate est converti en aspartate par l'aspartate aminotransferase.
• L'aspartate retourne vers le cytosol via un antiport [glutamate-aspartate].

En conséquence, 3 molécules d'ATP sont synthétisées lors de la réoxydation du NADH formé au cours de la glycolyse quand le pouvoir réducteur entre dans la mitochondrie via la navette malate - aspartate.

5. La force proton-motrice et la synthèse d'ATP par l'ATP synthase

La théorie chimio-osmotique formulée par Peter Mitchell en 1961 (Prix Nobel en 1978) postule que :

• L'énergie libre de Gibbs associée aux réactions d'oxydo-réduction de la chaîne de transport d'électrons est utilisée (en partie) pour le transport de protons de la matrice vers l'espace intermembranaire.

• Le gradient électrochimique de protons ainsi créé au travers de la membrane interne de la mitochondrie sert de réservoir d'énergie libre de Gibbs pour le fonctionnement de l'ATP synthase : c'est la force proton-motrice.

• En effet, ces protons retraverse la membrane interne via l'ATP synthase (protéine membranaire intrinsèque) et l'énergie libre de Gibbs libérée permet la synthèse de :
  • 3 molécules d'ATP par paire d'électrons issus du NADH.
  • 2 molécules d'ATP par paire d'électrons issus du FADH₂.

Voir un cours complet sur l'ensemble de ces processus.

6. Transport du P_i, de l'ADP et de l'ATP

a. Transport du P_i au travers de la membrane interne

Le phosphate inorganique P_i est importé de l'espace intermembranaire vers la matrice par le transporteur du P_i ("Phosphate Carrier" - PiC) ou SLC25A3 ("Solute Carrier family 25 member 3").

• Ce symport assure le transport électro-neutre [P_i^- / H⁺].
• Ce co-transport illustre l'utilisation de la force proton-motrice pour le fonctionnement d'autres protéines membranaires que l'ATP synthase.

Figure adaptée de : Kunji et al. (2016)

PiC possède 6 domaines transmembranaires et ses extrémités N- et C-terminales se trouvent dans la matrice. Sa structure est similaire à ANT1 et UCP1.

P_i est utilisé pour :

• La phosphorylation de l'ADP pour former l'ATP.
• Chélater le Ca²⁺ dans la matrice et former l'hydroxyapatite (os et dents).

b. Transport de l'ADP et de l'ATP au travers de la membrane interne

La quantité d'ATP nécessaire aux besoins de la cellule hors mitochondrie est exportée de la matrice vers l'espace intermembranaire par un antiport qui transporte l'ADP en sens inverse : la translocase [ADP/ATP] 1 (SLC25A4 - "Solute Carrier family 25 member 4") ou ANT1.

C'est l'une des protéines les plus abondantes de la membrane interne des mitochondries qui assure le premier transport et le dernier transport (import d'ADP / export d'ATP) de la phosphorylation oxydative des eucaryotes.

On estime que chaque jour, l'équivalent du poids du corps humain en ADP et en ATP est transporté par l'ensemble des translocases des mitochondries de toutes les cellules pour assurer les processus cellulaires nécessitant de l'énergie.

La chaîne polypeptidique de la translocase ANT1 :

• A des extrémités N- et C-terminales situées dans l'espace intermembranaire.
• Est caractérisée par un motif signature de la famille des transporteurs mitochondriaux : Px[DE]xx[KR].
• Forme 6 hélices α qui traverse la membrane interne de la mitochondrie.

Fonctionnement de la translocase ANT1

C'est un antiport : ADP^3-_{espace intermembranaire} + ATP^4-_matrice <=> ADP^3-_matrice + ATP^4-_{espace intermembranaire}

• Qui importe l'ADP dans la matrice mitochondriale pour la synthèse de l'ATP (ATP synthase).
• Qui exporte dans l'espace intermembranaire l'ATP synthétisé nécessaire aux besoins du reste de la cellule.
• Le potentiel de membrane mitochondrial généré par le gradient de protons est la force proton-motrice de cet antiport.

ANT1 change de conformations entre un état ouvert dans le cytoplasme (état c) et un état ouvert dans la matrice (état m) avec une fixation alternée du ligand sur un seul site orienté alternativement vers le cytosol et vers la matrice.

c. Autres fonctions de la translocase ANT1

ANT1 assure également le transport de protons : cette fonction contribue au découplage [chaîne de transport d'électrons / ATP synthase] qui provoque la thermogenèse mitochondriale.

H⁺_{espace intermembranaire} <=>H⁺_matrice

L'activité transport de protons (thermogénèse) de ANT1 est inhibée par son activité antiport [ADP:ATP] (synthèse d'ATP) : ANT1 (SLC25A4) participe donc à la régulation de production d'énergie dans la mitochondrie en maintenant un équilibre entre ces 2 activités opposées.

Source : Bround et al. (2020)

ANT1 a également un rôle important dans l'ouverture des pores de transition de perméabilité mitochondriale ("Mitochondrial Permeability Transition Pore" - MPTP) de la membrane interne qui s'ouvrent en réponse à une forte élévation de la concentration du Ca²⁺ dans la matrice : l'organite gonfle puis rompt, provoquant la mort cellulaire.

Enfin, ANT1 favorise la mitophagie via son interaction avec TIM44 : la translocase de préséquence TIMM23 est inhibée, ce qui contribue à stabiliser PINK1.

d. Transport de l'ATP au travers de la membrane externe

Le canal sélectif d'anions dépendant du potentiel de membrane ("Voltage-Dependent Anion-selective Channel" - VDAC) est une protéine membranaire en tonneau β ("β-barrel") de la membrane externe ("outer membrane") de la mitochondrie qui régule l'entrée / sortie de métabolites et d'ions :

• Par un mécanisme de détection du potentiel de membrane ("voltage-sensing mechanism") et via la fixation du soluté transporté.
• Exemples de métabolites et d'ions transportés par VDAC : ATP, ADP, NAD⁺, NADH, les nucléotides, le citrate et Ca²⁺.

VDAC adopte une conformation :

• Ouverte à un potentiel de membrane nul ou faible : cet état a une sélectivité faible vis-à-vis des anions.
• Fermée à des potentiels supérieurs à 30-40 mV : cet état a une sélectivité forte vis-à-vis des cations.

Voir un cours sur les transports.

Autres rôles de VDAC

Des métabolites tels que NADH et ATP établissent un lien entre la glycolyse (cytosol) et la phosphorylation oxydative (membrane interne de la mitochondrie). En conséquence, le rôle essentiel de VDAC dans le métabolisme énergétique et dans l'homéostasie du calcium en fait une cible thérapeutique importante.

Par ailleurs, VDAC participe à la réponse au stress de la mitochondrie en régulant la formation des pores MPTP (voir ci-dessus) formés dans la membrane interne lors d'un fort stress oxydatif ou d'un taux de calcium élevé dans le cytosol.

e. Vision globale des transporteurs membranaires de la mitochondrie

Les complexes de la chaîne de transport d'électrons sont représentés en vert et l'ATP synthase est en bleu (au centre de la figure).

Source : Kunji et al. (2020)

Q : ubiquinone ; Pi : phosphate; ALA : acide aminolévulinique.

Les protéines de transport identifiées sont en jaune et celles qui ne sont pas identifiées sont en violet.

• MPC : transporteur du pyruvate issu de la glycolyse.
• AAC1-4 (ANT1 à ANT4), APC1-4 et PIC : protéines de transport [ADP/ATP], [ATP-Mg/Pi] et du phosphate, respectivement.
• AGC1-2, BAC, CAC, CIC et DIC : transporteurs de [Asp/Glu], d'acides aminés basiques, de [carnitine-acylcarnitine], du citrate et de l'acide dicarboxylique, respectivement.
• GC1-2, GLYC, MTFRN1-2, ODC et OGC : transporteurs du glutamate, de la glycine, de mitoferrines, d'oxo-adipate et d'oxoglutarate, respectivement.
• ORC1-2, SAMC et TPC : transporteurs d'ornithine, de S-adénosylméthionine et de pyrophosphate de thiamine, respectivement.
• UCP1 : protéine de découplage 1 ; UCP2 : protéine de découplage 2

7. Découplage [dissipation du gradient de protons / synthèse d'ATP]

a. Les protéines de découplage

Cinq isoformes de protéine de découplage ("UnCoupling Protein" - UCP) sont identifiées chez les mammifères (UCP1 à UCP5).

• UCP1 a principalement un rôle de maintien de la température corporelle dans un environnement froid grâce à la thermogenèse "sans frissons".

• UCP2 et UCP3 (paralogues d'UCP1) ont une identité de séquence d'environ 60% avec UCP1 et une identité d'environ 70% entre elles.

• UCP2 et UCP3 ont un rôle dans la réduction du stress oxydatif. La production d'espèces réactives de l'oxygène dans les mitochondries est inhibée par diminution du potentiel de membrane ΔΨ.

• UCP4 et UCP5 ont 30% d'homologie avec UCP1 et sont principalement synthétisées dans le système nerveux central des mammifères.

• UCP4 et UCP5 transportent les protons comme UCP1 à UCP3 et ont également un rôle dans la réduction du stress oxydatif.

b. UCP1 et la thermogénèse

La protéine de découplage 1 ("Mitochondrial brown fat uncoupling protein 1" - UCP1) se trouve principalement dans les mitochondries du tissu adipeux brun des mammifères.

UCP1 est un symport ("Solute Carrier family 25 member 7" - SLC25A7) qui transporte un acide gras à longue chaîne (AGLC) et un proton.

UCP1 est responsable de la perméabilité aux protons de la membrane interne des mitochondries de ce tissu.

• Le gradient électrochimique généré par la chaîne respiratoire est dissipé sans être couplé au fonctionnement de l'ATP synthase.
• L'énergie libre de Gibbs d'oxydation du substrat est donc convertie en chaleur et non pas en molécules d'ATP.

Les adipocytes bruns sont donc impliqués dans la production de chaleur lors de la thermogenèse dite "sans frisson" (adaptée aux variations de température et d'alimentation).

c. Fonctionnement de UCP1

L'activité d'UCP1 :

• Est contrôlée par le coenzyme Q (intermédiaire de la chaîne respiratoire).
• Est inhibée par les nucléotides puriques (composants énergétiques centraux, par exemples : ATP et NAD⁺).
• Les AGLC ne se dissocient pas de UCP1 en raison des interactions hydrophobes établies par leurs queues hydrophobes : UCP1 fonctionne donc comme un transporteur de protons activé par les AGLC.

Ces derniers sont produits dans les adipocytes bruns par la lipolyse de gouttelettes lipidiques issues du cytoplasme lors d'une stimulation adrénergique.

Source : Crichton et al. (2017)
β3 : récepteur β3-adrénergique / Gs : protéine Gα / AC, adénylate cyclase / PKA, protéine kinase A / HSL, lipase hormonosensible.

Partie gauche de la figure : la noradrénaline (NE) libérée en réponse à un stimulus physiologique active une voie dépendante de l'AMP cyclique (AMPc) qui libère des acides gras à partir des réserves lipidiques cellulaires.

Partie droite de la figure :

• Les acides gras libres activent UCP1 dans les mitochondries, ce qui compense l'inhibition de UCP1 par les nucléotides puriques cytosoliques.

• UCP1 activée dissipe le gradient électrochimique de protons au travers de la membrane interne de la mitochondrie avec un découplage de la synthèse d'ATP : l'énergie libre de Gibbs issue de la réoxydation des substrats de la chaîne respiratoire est libérée sous forme de chaleur.

Il existe au moins 3 protéines de découplage mitochondriales qui participent à des fonctions spécifiques : la thermogenèse "sans frisson" (UCP1), la signalisation de la satiété (UCP2) et le métabolisme musculaire (UCP3).

d. Rôle de la cardiolipine

UCP1 fixe 3 molécules de cardiolipine qui stabilisent sa structure.

La cardiolipine (diphosphatidylglycérol) est un glycérophospholipide qui représente 18 à 20% des phospholipides de la membrane interne des mitochondries.

La cardiolipine a de nombreux rôles :

• Elle fixe les protons à ses groupes phosphates et contribue ainsi pour beaucoup à l'imperméabilité de la membrane interne aux protons, ce qui évite la dissipation du gradient électrochimique.

• Elle interagit avec la translocase ANT1, le symport PIC, le complexe III, le complexe IV de la chaîne respiratoire et l'ATP synthase : elle contribue à l'optimisation de leur structure et à leur orientation pour le transfert des électrons au sein de la chaîne respiratoire.

• Elle intervient dans la jonction entre les deux membranes de la mitochondrie ce qui permet le passage de certaines protéines.

• Elle joue un rôle dans l'import du cholestérol pour la synthèse des stéroïdes dans la mitochondrie.

8. Les espèces réactives de l'oxygène de la mitochondrie

a. Généralités

Les espèces réactives de l'oxygène ("Reactive Oxygen Species" - ROS) sont des dérivés de l'oxygène générés par le métabolisme cellulaire de toutes cellules qui utilise l'oxygène.

• Exemples : l'anion superoxyde O₂°^-, le peroxyde d'hydrogène H₂O₂, le radical hydroxyle °OH.
• Ces espèces sont caractérisées par des électrons de valence non appariés qui les rendent extrêmement réactives.

Les ROS mitochondriales ("mitochondrial ROS"  - mtROS) sont générées par les mitochondries.

• Dans les conditions physiologiques, 0,2 à 2% des électrons de la chaîne de transport des électrons s'en échappent (on parle de fuite d'électrons - "electron leak") et interagissent avec l'oxygène.
• Pour l'instant, 11 sites de production de superoxyde et/ou de peroxyde d'hydrogène sont identifiés dans les mitochondries de mammifères.
• Le complexe I et le cycle Q du complexe III sont les principaux sites de génération de mtROS : superoxyde dans la matrice et H₂O₂ dans l'espace intermembranaire.

Source : Koju et al. (2019)

Le superoxyde est transformé en H₂O₂ par des superoxyde dismutases (oxydoréductases) : 2 H⁺ + 2 O₂°^- <=> H₂O₂ + O₂

La superoxyde dismutase 1 (SOD1 - E.C. 1.15.1.1) agit dans l'espace intermembranaire et la superoxyde dismutase 2 (SOD2) agit dans la matrice.

b. Rôle des mtROS

Avantages

Les mtROS ont un rôle important de molécules de signalisation. Exemples : la prolifération cellulaire, l'adaptation à l'hypoxie, la détermination du devenir cellulaire, la signalisation antivirale mitochondriale et certaines réponses antivirales, ...

Les ROS sont impliquées dans différentes cascades de signalisation des protéines kinases. Exemples : les voies de la protéine kinase B, de la protéine kinase activée par l'AMP (AMPK) et de la PK3 activée par le mitogène qui agit sur le devenir de la cellule (autophagie vs. apoptose).

Les mtROS sont des composants antimicrobiens impliqués dans la défense innée contre les infections bactériennes.

Inconvénients

Un excès de ROS peut provoquer des dommages cellulaires irréversibles, voire la mort cellulaire.

La survenue de nombreuses maladies et l'hypoxie sont étroitement liées à l'augmentation de la production de ROS.

c. Sélénium : UCP1, séléno-cystéine et ROS

Le sélénium (₃₄Se) est impliqué dans le métabolisme énergétique des mitochondries et dans la capacité thermogénique du tissu adipeux.

• Les sélénols sont des analogues cellulaires dans lesquels le sélénium remplace le soufre (₁₆S).
• Exemple : le groupement thiol R-SH de la chaîne latérale de certaines cystéines devient R-SeH.
• Les niveaux de sélénoprotéines (SeP) circulant dans le sang sont élevés dans des conditions d'obésité.

Figure ci-dessous, à gauche : la sélénocystéine (Sec) peut être incorporée de manière facultative dans UCP1 (Jedrychowski et al., 2020).

• Cette incorporation s'effectue de manière spécifique en position 253 (Sec253), qui est un site régulateur de la fonction métabolique de UCP1.
• UCP1-Sec253 est très sensible aux variations du potentiel rédox dans la mitochondrie car les sélénols ont une réactivité accrue vis-à-vis des ROS.

La supplémentation alimentaire en sélénium :

• Augmente son incorporation facultative dans UCP1.
• Augmente la dépense énergétique via le tissu adipeux brun (thermogenèse) et protège de l'obésité.

Source : Takeda et al. (2023)

Figure ci-dessus à droite : le sélénium délivré par les SeP dans les mitochondries active la glutathion peroxydase 4 (GPX4), enzyme anti-oxydante dépendante du sélénium. En conséquence :

• Le taux de mtROS est diminué par GPX4.
• La sulfénylation au niveau de Cys253 est inhibée.
• UCP1 n'est pas activée.

9. Quelques inhibiteurs et agents découplants des processus de la respiration

Source : O'Rourke et al. (2005)