L'ATP synthase comme un moulin moléculaire
La cellule ne dispose pas d'une prise secteur pour recharger l'ATP, c'est pourquoi l'énergie nécessaire à sa synthèse est produite grâce à un mécanisme moléculaire particulier situé dans la membrane mitochondriale interne. Ce mécanisme est l'enzyme ATP synthase, qui fonctionne selon le principe d'une éolienne.
L'ATP synthase est composée de deux parties : la partie membranaire F0 (le rotor à travers lequel passent les protons) et la partie catalytique F1 (où se produit la liaison du phosphate inorganique à l'ADP). Le flux de protons traversant F0 fait tourner le rotor : tous les trois protons, il tourne de 120°, et à chaque rotation de ce type, une molécule d'ATP est synthétisée sur l'une des sous-unités. Un tour complet produit environ trois molécules d'ATP.
Gradient de protons et espace intermembranaire
Pour que l'ATP synthase tourne, une concentration élevée de protons H+ doit être maintenue dans l'espace intermembranaire de la mitochondrie, et une concentration faible dans la matrice. Cette différence crée un gradient électrochimique, désigné par ΔμH+, et se compose de deux éléments : le potentiel chimique (différence de concentration) et le potentiel électrique (différence de charge de part et d'autre de la membrane).
Il est d'usage de nommer les faces de la membrane interne de la manière suivante :
- Face P (positive) — orientée vers l'espace intermembranaire, chargée positivement en raison d'un excès de protons ;
- Face N (negative) — orientée vers la matrice, chargée négativement.
Les protons tendent à retourner de la face P vers la face N, mais la membrane est imperméable, et le seul passage possible se fait par le rotor de l'ATP synthase.
Sources d'électrons : NADH et FADH2
Les protons sont pompés dans l'espace intermembranaire grâce à l'énergie libérée lors du transfert des électrons. Les sources d'électrons sont les coenzymes réduits formés dans le cycle de Krebs et d'autres réactions :
- NADH + H+ — transporte en réalité un ion hydrure (H−) muni de deux électrons ;
- FADH2 — sert également de donneur de deux électrons et de deux protons.
Les électrons sont transmis successivement le long des complexes protéiques de la membrane interne, perdant de l'énergie qui est utilisée pour pomper les protons.
Complexes I et II de la chaîne respiratoire
Complexe I — NADH-ubiquinone-oxydoréductase (NADH-déshydrogénase). Il accepte deux électrons du NADH par l'intermédiaire du flavine mononucléotide (FMN) et les transfère à l'ubiquinone (Q). En recevant deux électrons et deux protons de la matrice, l'ubiquinone se transforme en ubiquinol (QH2). Parallèlement, 4 protons sont pompés de la matrice vers l'espace intermembranaire.
Complexe II — Succinate déshydrogénase. Il ne pompe pas de protons. Son rôle est de maintenir le pool d'ubiquinol par l'oxydation du succinate en fumarate (réaction du cycle de Krebs) avec la formation de FADH2, suivie du transfert des électrons à l'ubiquinone. L'hème B présent dans le complexe empêche la fuite d'électrons vers l'oxygène, ce qui prévient la formation de peroxyde d'hydrogène et d'espèces réactives de l'oxygène.
Complexe III et cycle Q
Complexe III — Ubiquinol-cytochrome-c-oxydoréductase. Il utilise l'énergie de la ré-oxydation de l'ubiquinol. Il possède deux sites actifs : l'un du côté P, l'autre du côté N. Les électrons provenant du QH2 sont séparés : l'un part vers le cytochrome c par l'intermédiaire de la protéine soufre-fer de Rieske, l'autre vers l'hème B et ensuite de nouveau vers l'ubiquinone, le réduisant du côté N (cycle Q).
La rupture des liaisons covalentes lors de la redistribution des électrons libère de l'énergie, grâce à laquelle le complexe pompe 4 protons dans l'espace intermembranaire. Le cytochrome c est un transporteur mobile qui achemine les électrons vers le complexe suivant.
Complexe IV et formation d'eau
Complexe IV — Cytochrome c oxydase. Il accepte un électron à la fois de quatre molécules de cytochrome c. Son centre actif contient un amas bimétallique avec des atomes de fer et de cuivre. Les électrons sont transférés successivement à l'oxygène moléculaire O2.
La réduction contrôlée de l'oxygène exclut la formation de peroxyde : des protons provenant de la matrice s'y fixent progressivement, ce qui conduit à la formation de deux molécules de H2O. L'énergie du processus est utilisée pour pomper 2 protons dans l'espace intermembranaire. Ainsi, la chaîne respiratoire « rejette » en toute sécurité les électrons sur l'accepteur final, à savoir l'oxygène.
Bilan énergétique
Nombre total de protons pompés :
- Oxydation d'une molécule de NADH : 4 (complexe I) + 4 (complexe III) + 2 (complexe IV) = 10 protons ;
- Oxydation d'une molécule de FADH2 : 4 (complexe III) + 2 (complexe IV) = 6 protons.
Étant donné que la synthèse d'un ATP nécessite environ 3 à 4 protons, le rendement est d'approximativement 2,5 ATP par NADH et 1,5 ATP par FADH2 (arrondi respectivement à 3 et 2).
Points clés
- L'ATP synthase est une enzyme F0F1 qui synthétise l'ATP grâce à l'énergie du gradient de protons.
- Le gradient électrochimique de H+ est généré par les complexes I, III et IV de la chaîne respiratoire.
- Le NADH cède ses électrons au complexe I, et le FADH2 au complexe II par l'intermédiaire de la succinate déshydrogénase.
- L'ubiquinone (Q) et le cytochrome c sont des transporteurs d'électrons mobiles.
- Le complexe II ne pompe pas de protons, mais maintient simplement le pool d'ubiquinol.
- Le complexe IV réduit l'O2 en H2O, prévenant ainsi la formation de peroxyde.
- L'oxydation du NADH produit environ 2,5 ATP, et celle du FADH2 environ 1,5 ATP.
- La fuite d'électrons vers l'oxygène entraîne la formation d'espèces réactives de l'oxygène et des lésions cellulaires.