Respiration tissulaire : caractéristiques générales
La respiration tissulaire est l'ensemble des réactions d'oxydation de substrats organiques au cours desquelles les atomes d'hydrogène sont transférés sur l'oxygène moléculaire avec formation d'eau et libération d'énergie. Environ 60 % de cette énergie est dissipée sous forme de chaleur et environ 40 % est stockée dans les liaisons riches en énergie de l'ATP lors de la phosphorylation oxydative.
L'arrachement de l'hydrogène des substrats est assuré par des enzymes, les déshydrogénases, localisées principalement dans la matrice mitochondriale. Selon le type de coenzyme, elles se divisent en deux groupes :
- Déshydrogénases NAD-dépendantes — le coenzyme NAD+ est faiblement lié à la protéine et se détache facilement sous sa forme réduite NADH (par exemple, lors de l'oxydation du malate en oxaloacétate, de l'isocitrate, du glutamate, du pyruvate) ;
- Déshydrogénases FAD-dépendantes — le coenzyme FAD est lié de manière covalente à l'enzyme, c'est pourquoi un second accepteur d'hydrogène est nécessaire : l'ubiquinone (CoQ). Un exemple classique est la succinate déshydrogénase, qui oxyde le succinate en fumarate avec formation de FADH₂.
Donneurs primaires d'hydrogène — produits du catabolisme : pyruvate, isocitrate, α-cétoglutarate, malate, glutamate pour les enzymes NAD-dépendantes ; succinate et acyl-CoA pour les enzymes FAD-dépendantes.
Chaîne de transport d'électrons
Le transfert des électrons des coenzymes réduits vers l'oxygène est assuré par un système de transporteurs intégrés dans la membrane mitochondriale interne et formant la chaîne de transport d'électrons (CTE). Elle comprend cinq complexes :
- Complexe I — NADH déshydrogénase (NADH:ubiquinone oxydoréductase) ;
- Complexe II — succinate déshydrogénase ;
- Complexe III — CoQH₂ déshydrogénase (cytochrome bc₁) ;
- Complexe IV — cytochrome c oxydase ;
- Complexe V — ATP synthase.
Les composants sont disposés par ordre croissant de potentiel redox — du plus bas pour le NADH au plus haut (environ +0,8 V) pour l'oxygène. Cela garantit un flux d'électrons unidirectionnel et une libération d'énergie par étapes.
Gradient de protons et synthèse d'ATP
Le transport d'électrons à travers les complexes I, III et IV est couplé au transport de protons de la matrice vers l'espace intermembranaire. Il en résulte la formation d'un potentiel proton-moteur électrochimique ΔμH⁺, constitué de composantes chimique (de concentration) et électrique, le rôle principal revenant au gradient de protons.
Lors de l'atteinte d'un niveau critique de ΔμH⁺, l'ATP synthase (complexe V) est activée : les protons retournent dans la matrice par son canal (sous-unité F₀), et l'énergie de leur mouvement est utilisée par la sous-unité catalytique F₁ pour phosphoryler l'ADP en ATP. Ce couplage entre le transport d'électrons et la synthèse d'ATP par l'intermédiaire du gradient de protons est décrit par la théorie chimio-osmotique de Mitchell.
Le rapport de phosphorylation oxydative (P/O) — nombre de molécules d'ATP synthétisées lors du transfert de deux électrons sur un atome d'oxygène :
- lors de l'oxydation du NADH, P/O ≈ 3 (les électrons traversent les complexes I, III, IV) ;
- lors de l'oxydation du FADH₂, P/O ≈ 2 (les électrons entrent au niveau de l'ubiquinone en contournant le complexe I).
Contrôle respiratoire
La vitesse de la respiration tissulaire et de la phosphorylation oxydative est étroitement couplée aux besoins énergétiques de la cellule. En cas de consommation active d'ATP, la concentration d'ADP dans la matrice augmente. L'ADP étant le substrat de l'ATP synthase, son activité s'intensifie, le gradient de protons diminue, ce qui lève l'inhibition du transport d'électrons et augmente la consommation d'oxygène ainsi que l'oxydation des substrats. Cette dépendance de la vitesse de respiration vis-à-vis de la concentration d'ADP est appelée contrôle respiratoire.
Agents découplants et inhibiteurs
Les agents découplants sont des composés lipophiles qui transportent les protons de l'espace intermembranaire vers la matrice en contournant l'ATP synthase. Ils diminuent ΔμH⁺ ; l'oxydation des substrats et la consommation d'oxygène se poursuivent, mais l'énergie est dissipée sous forme de chaleur. Parmi les agents découplants, on trouve :
- le 2,4-dinitrophénol — agent découplant artificiel classique ;
- les acides gras libres — agents découplants naturels ; sous l'effet de l'adrénaline, la lipase est activée, la concentration en acides gras augmente, ce qui intensifie la thermogenèse (mécanisme important de thermorégulation).
Inhibiteurs spécifiques de la CTE :
- barbituriques, roténone — bloquent le complexe I (NADH déshydrogénase) ;
- antimycine A — inhibe le complexe III (CoQH₂ déshydrogénase) ;
- cyanures, monoxyde de carbone (CO), sulfure d'hydrogène (H₂S) — bloquent le complexe IV (cytochrome c oxydase), arrêtant la réduction de l'oxygène ; l'intoxication au cyanure évolue de manière fulminante et entraîne la mort ;
- oligomycine — inhibe l'ATP synthase : les protons s'accumulent dans l'espace intermembranaire, mais la synthèse d'ATP s'arrête.
Points clés
- Respiration tissulaire : oxydation des substrats avec transfert d'hydrogène à l'oxygène ; ~40 % de l'énergie est stockée dans l'ATP, ~60 % est dissipée en chaleur.
- Les déshydrogénases se divisent en NAD-dépendantes et FAD-dépendantes ; le FAD est lié de manière covalente à la protéine et transfère l'hydrogène à l'ubiquinone.
- La CTE de la membrane mitochondriale interne se compose de cinq complexes disposés par ordre croissant de potentiel redox.
- Les complexes I, III et IV transportent les protons dans l'espace intermembranaire, formant le potentiel électrochimique ΔμH⁺.
- L'ATP synthase utilise l'énergie du flux rétrograde de protons pour phosphoryler l'ADP (couplage chimio-osmotique).
- Le rapport P/O est de 3 pour le NADH et de 2 pour le FADH₂.
- Le contrôle respiratoire est la régulation de la vitesse de respiration par la concentration d'ADP.
- Les agents découplants (2,4-dinitrophénol, acides gras) intensifient la thermogenèse ; les inhibiteurs bloquent des complexes spécifiques de la CTE ou l'ATP synthase.