Réactions d'oxydo-réduction - Relation de Nernst - NAD(P)+ Chaîne respiratoire - Théorie chimio-osmotique - Synthèse d'ATP |
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1. Réactions d'oxydo-réduction et potentiel de réduction standard
2. Potentiel de réduction de 2 demi-réactions redox : Relation de Nernst 3. Relation entre le potentiel de réduction standard et l'énergie libre de Gibbs standard 4. Structure du NAD+ et du NADP+. Mécanisme de transfert de l'ion hydrure 5. Rôles biologiques des formes réduites NADH et du NADPH |
6. Respiration cellulaire : la chaîne respiratoire
7. Respiration cellulaire : la synthèse d'ATP par phosphorylation oxydative et l'ATP synthase
8. Cours sur la respiration chez les végétaux 9. Liens Internet et références bibliographiques |
1. Réactions d'oxydo-réduction et potentiel de réduction standard. a. Définitions : réducteur - oxydant - réaction et couple redox. De nombreuses réactions du métabolisme mettent en jeu des transferts d'électrons et bien souvent de protons. Une même molécule va donc être dans un état réduit ou oxydé et ces deux formes de la même molécule s'appelle un couple oxydo-réducteur ou couple rédox. Considérons une molécule A. Par convention, les deux formes oxydée et réduite de A s'écrivent : (Aox / Ared) La réaction d'oxydo-réduction ou réaction redox entre ces deux formes s'écrit : αA Aox + n e- <=> βA Ared
On mesure un potentiel de réduction standard à l'aide d'une pile électrochimique constituée de 2 demi-piles. Chaque demi pile est un couple redox, siège d'une réaction rédox. Quand on mesure le potentiel rédox standard d'un couple rédox, l'une de ces demi-piles sert de référence pour la mesure (de la même manière que la mesure de l'énergie libre de Gibbs nécessite que l'on ait fixé des conditions de référence). Cette demi-pile de référence est l'électrode à hydrogène (qui est le siège de l'oxydation de l'hydrogène) :
Cependant, pour les réactions biologiques, les conditions standard se rapportent à une concentration d'ions H+ de 10-7 M (pH = 7) dans la demi pile de référence. Ainsi, pour les réactions biologiques, on définit un potentiel de réduction standard dans les conditions physiologiques : E°'. |
2. Potentiel de réduction de 2 demi-réactions redox : Relation de Walther Hermann Nernst Lorsque les électrodes d'une pile sont réunies par un conducteur extérieur au système, un courant électrique traverse spontanément la pile et parcourt l'ensemble du circuit. a. La réaction d'oxydation qui se produit à l'anode où se trouve le couple oxydo-réducteur (Box / Bred) s'écrit : αB Bred <=> βB Box + n e-
b. La réaction de réduction qui se produit à la cathode où se trouve le couple oxydo-réducteur (Aox / Ared) s'écrit : αA Aox + n e- <=> βA Ared
c. La réaction électrochimique totale dans la pile est la somme des 2 demi-réactions rédox et s'écrit : αA Aox + αB Bred <=> βA Ared + βB Box avec : E°'A > E°'B Voir la règle pour orienter les 2 demi-réactions rédox lors du couplage. Le potentiel de réduction de cette réaction globale, ΔE'réaction, est donné par la relation de Nernst :
Voir une démonstration de l'équation de Nernst. Exercices de calculs de potentiels rédox (et autres : thermodynamique, cinétique ...). 3. Relation entre la différence de potentiel de réduction standard et la variation d'énergie libre de Gibbs standard La différence de potentiel de réduction standard, ΔE°', pour le transfert d'électrons d'une molécule à une autre, est liée à la variation d'énergie libre standard par la relation : ΔG°'réaction = - n . F . ΔE°'réaction |
4. Structure du NAD+ et du NADP+. Mécanisme de transfert de l'ion hydrure Dans un trés grand nombre de réactions d'oxydo-réduction qui ont lieu dans la cellule, les électrons sont transférés par des coenzymes : on peut citer à titre d'exemple, la nicotinamide adénine dinucléotide ou NAD+ et la nicotinamide adénine dinucléotide phosphate ou NADP+.
Enfin, les spectres d'absorption des formes oxydée et réduite sont distincts et cette propriété est utilisée dans les dosages enzymatiques qui mettent en jeu des déshydrogénases. 5. Rôles biologiques des formes réduites NADH et du NADPH Malgré des structures très semblables, les formes réduites de ces deux coenzymes sont employées dans la cellule de manière très différente.
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6. Respiration cellulaire : la chaîne respiratoire a. Généralités sur la respiration cellulaire aérobie De manière schématique, les réactions du catabolisme ont deux finalités :
La respiration cellulaire correspond donc aux processus suivants :
Source : "Biologie"Campbell (1995) Ed. De Boeck Université Chez les plantes un processus analogue a lieu dans les chloroplastes. Un processus très semblable se déroule chez les bactéries. |
b. La mitochondrie et la chaîne
respiratoire
La mitochondrie est limitée par deux membranes caractérisées par des propriétés très différentes :
c. Les protéines de la chaîne respiratoire La chaîne respiratoire est un ensemble de complexes protéiques qui assurent un transfert de protons et/ou d'électrons comme le ferait "une équipe de rugby qui se passe le ballon". Les caractéristiques des quatre complexes protéiques sont les suivants : |
Complexe | Protomères | Masse molaire (Da) | Composants |
complexe I : NADH-coenzyme Q oxydoréductase | 25 | 800.000 |
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complexe II : succinate-coenzyme Q oxydoréductase | 4 | 125.000 |
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complexe III : coenzyme Q-cytochrome c oxydoréductase | 8 | 220.000 |
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complexe IV : cytochrome c oxydase | 12 | 200.000 |
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d. Mécanismes du transfert des électrons Le (NADH + H+) cède ses électrons par paire (sous forme d'ion hydrure, H-) alors que le coenzyme Q (ou ubiquinone) les accepte un par un. Le complexe I catalyse la réduction de la FMN ou flavine mononucléotide par le (NADH + H+) selon les étapes suivantes : +H+, +
H- -H+ , - e- -H+ , - e- La FMN est donc une sorte de "convertisseur" d'un flux bi-électronique en un flux mono-électronique. Elle cède ses électrons à un ensemble de centres Fe - S, accepteurs mono-électroniques, qui eux-même les cèdent au coenzyme Q qui est réduit en passant par un intermédiaire semi-quinone : +e- +2H+ , + e-
Complexe III
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Au cours de la glycolyse, 2 molécules de NAD réduit (NADH + H+) 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 l’intermédiaire de systmes de transport appelés navette. La navette glycérol phosphate : elle met en jeu 2 enzymes : une glycérol 3-phosphate déshydrogénase (G3PDH) cytosolique et un complexe G3PDH membranaire qui contient un groupe prosthétique FAD. Le pouvoir réducteur entre dans la mitochondrie de la manière suivante :
La navette malate - aspartate : elle met en jeu 2 enzymes : la malate déshydrogénase et l'aspartate transaminase. Ces deux enzymes sont présentes à la fois dans le cytosol et dans la mitochondrie. Le mécanisme extrêmement sophistiqué qui permet au pouvoir réducteur d'entrer dans la chaîne de transport d'électrons est le suivant :
Remarque : chez les organismes anaérobies (ou au cours de la fermentation), il n'y a pas de chaîne respiratoire (ou elle n'est pas employée). La réoxydation du NADH formé au cours de la glycolyse se fait via la conversion du pyruvate en lactate ou en éthanol. |
f. Bilan - résumé de la chaîne de transport d'électrons L'enchaînement des réactions d'oxydo-réduction qui ont lieu lors du transfert des électrons de la chaîne respiratoire est résumé dans la figure ci-dessous. L'énergie libre de Gibbs étant une grandeur d'état thermodynamique, on peut ne considèrer que les réactions impliquant le premier donneur de protons et d'électrons (NADH) et le dernier accepteur d'électrons (l'oxygène moléculaire, O2). Les deux demi-réaction rédox qui, du point de vue énergétique, résument la chaîne respiratoire sont : |
(1) NADH + H+ -> NAD+ + 2H+ +2 e- | E°'(NAD+/ NADH) = - 0,32 V |
(2) 1/2 O2 + 2H+ +2 e- -> H2O | E°'(1/2 O2 / H2O) = + 0,82 V |
Réaction : NADH + H+ + 1/2 O2 -> NAD+ + H2O | E°'(1/2 O2 / H2O) - E°'(NAD+/ NADH) = + 1,14 V |
D'après la relation qui lie la différence de potentiel de réduction standard, ΔE°'réaction, à la variation d'énergie libre de Gibbs standard, ΔG°'réaction : ΔG°'réaction = - n . F . ΔE°'réaction = - (2 . 96500 . 1,14) ≈ - 220 kJ.mol-1 Puisque la variation d'énergie libre standard de la synthèse de l'ATP est environ +30,5 kJ.mol-1 , la variation d'énergie libre standard liée à la réoxydation du NADH devrait permettre, en théorie, la synthèse de [220 kJ.mol-1 / 30,5 kJ.mol-1] = 7 molécules d'ATP par molécule de NADH réoxydé. Or ce sont 3 molécules d'ATP qui sont synthétisées.
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7. Respiration cellulaire : la synthèse d'ATP par phosphorylation oxydative et l'ATP synthase a. Force proton-motrice et théorie chimio-osmotique La théorie chimio-osmotique formulée par Peter Mitchell en 1961 (Prix Nobel en 1978) postule que le gradient de concentration de protons crée à travers la membrane sert de réservoir d'énergie libre de Gibbs pour la synthèse d'ATP. En d'autres termes, au fur et à mesure que les électrons traversent les quatre complexes de la chaîne de transport d'électrons, des protons passent de la matrice à l'espace intermembranaire et générent un gradient de concentration de protons qui constitue ce réservoir d'énergie libre. En effet, quand ces protons repassent la membrane interne en traversant une protéine membranaire intrinsèque, l'ATP synthase, cette énergie libre est libérée et utilisée par l'ATP synthase pour synthétiser l'ATP. En conséquence, la matrice devient :
que l'espace intermembranaire. Voir l'article : Mitchell P. (1961) "Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism" Nature 191, 144 - 148. |
b. Le complexe V ou ATP synthase Le complexe V, appelé ATP synthase F0F1 (nom officiel : H+-transporting two-sector ATPase, E.C. 7.1.2.2), utilise le gradient de concentration de protons comme source d'énergie pour synthétiser l'ATP :
Attention : il ne faut pas confondre l'ATP synthase F0F1 et les ATPases de type "F" (ou F0F1-ATPase). Ces dernières sont des pompes ioniques ou ATPases ionophores : elle hydrolysent l'ATP. L'énergie qu'elles libèrent en hydrolysant l'ATP est utilisée pour le transport d'ions. Il existe plusieurs autres types de pompes ioniques ATPases qui hydrolysent l'ATP.
D'autres types d'ATPases :
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d. Le mécanisme de la synthèse de l'ATP par l'ATP synthase La réaction peut s'écrire de manière générale n H+matrice + ADP + Pi -> n H+espace intermembranaire + ATP + H2O
Le composant F1 de l'ATP synthase de E. coli a une stoechiométrie α3β3γδε (chaque lettre indiquant un type différent de sous-unité).
source : http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1997/ Les états conformationnels adoptés par les sous-unités β sont appelés : βO pour "ouvert" ("open"), βL pour "relâché"("loose") et βT pour "à haute affinité" ("tight"). Le mécanisme est le suivant : Source : Université de Leeds
Voir des compléments concernant le mécanisme de l'ATP synthase. Considérons la molécule d'ATP qui est synthétisée au niveau de la sous-unité dans la conformation βT:
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9. Liens Internet et références bibliographiques |
"Principes de Biochimie" Horton, Moran, Ochs, Rawn et Scrimgeour (1994) - Ed. DeBoeck Universités - ISBN : 2-8041-1578-X | |
"ATP synthase web page" Voir une liste de sites consacrés à l'ATP synthase Voir une série d'animations et d'illustrations consacrés à l'ATP synthase |
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Mitchell P. (1961) "Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism" Nature 191, 144 - 148. Boyer et al. (1973) "A new concept for energy coupling in oxidative phosphorylation based on a molecular explanation of the oxygen exchange reactions" PNAS 70, 2837 - 2839 Abrahams et al. (1994) "Structure at 2.8 A resolution of F1-ATPase from bovine heart mitochondria" Nature 370, 621 - 628 |