Module 10 : La chaine respiratoire et la phosphorylation oxydative

Question 1

Associez chacun des sentiers qu’empruntent les électrons au complexe correspondant :

1. cyt c - CuA - hème a - centre [hème a3-CuB] - O2
2. QH2 - ISP - cyt c1 - cyt c
3. Succinate - FAD - [Fe-S] - QH2
4. NADH - FMN - [Fe-S] - QH2
5. QH2 - cyt b - Q ou Q•-

Answer 1

1. Complexe IV
2. Complexe III
3. Complexe II
4. Complexe I
5. Complexe III

Question 2

Combien de moles d’ATP peuvent être formées suite à l’oxydation complète d’une mole de glucose :

1. Si les électrons du NADH passent la navette malate-aspartate?
2. Si les électrons du NADH passent la navette glycérol-3-phosphate?

Answer 2

1. 32

2. 30

Question 3

Associez l’enzyme, la molécule ou le complexe avec la localisation cellulaire correspondante :

1. Domaine F0 de l’ATP synthase
2. Translocase ATP/ADP
3. Cytochrome c
4. Complexes I à IV de la chaîne respiratoire
5. Enzymes du sentier d’oxydation des acides gras
6. Porine
7. Coenzyme Q
8. Domaine F1 de l’ATP synthase

Answer 3

1. Membrane mitochondriale interne
2. Membrane mitochondriale interne
3. Espace intermembraniare
4. Membrane mitochondirale interne
5. Matrice mitochondriale
6. Membrane mitochondriale externe
7. Membrane mitochondriale
8. Matrice mitochondriale

Question 4

Comment appelle-t-on le mécanisme expliquant le fonctionnement de l’ATP synthase?

Answer 4

Mécanisme de changement de conformation et d’affinité

Question 5

Lequel de ces énoncés sur l’ATP synthase est faux?

A. Lors de la phosphorylation oxydative, le transport exergonique des ions H+ est couplé à la synthèse endergonique de l’ATP grâce à ce complexe.

B. La partie stationnaire est composée des sous-unités a, b et δ ainsi que de l’hexamère α3β3.
C. L’anneau c est étroitement lié à la tige centrale.
D. La colonne extérieure est constituée des sous-unités a, b et δ.
E. L’ATP synthase est le plus petit moteur moléculaire au monde.
F. La sous-unité a fait partie du rotor.
G. La partie mobile de l’ATP synthase est appelée rotor.
H. La tige centrale est constituée des sous-unités γ et ε.

Answer 5

F. La sous-unité a fait partie du rotor.

Question 6

Dans quelle conformation le site actif de l’ATP synthase fixe-t-il ses substrats?

A. Conformation L
B. Conformation T
C. Conformation O

Answer 6

A. Conformation L

Question 7

Dans quel type de tissus la thermogenèse sans frisson a-t-elle lieu chez les nouveau-nés?

A.	Tissus adipeux blancs
B.	Muscle
C.	Tissus adipeux bruns
D.	Foie
E.	Pancréas

Answer 7

C. Tissus adipeux bruns

Question 8

Quelle réaction est catalysée par la superoxyde dismutase?

A. H2O2 + 2 GSH → H2O + GSSG
B. GSSG + NADPH → 2 GSH + NADP+
C. 2 O2– + 2 H+ → H2O2 + O2

Answer 8

C. 2 O2– + 2 H+ → H2O2 + O2

Question 9

La chaine respiratoire est composée de 4 complexes. Associez chacun des énoncés au(x) complexe(s) correspondant(s) :

1. Transporte des électrons
2. Transfère les électrons à l’oxygène
3. Siège du cycle Q
4. Transfère les électrons du NADH au CoQ
5. Contient un FMN
6. Contient des atomes de cuivre
7. Réduit une petite protéine de l’espace intermembranaire
8. Enzyme du cycle de Krebs
9. Contient un ou des hèmes
10. Transfère les électrons d’un transporteur liposoluble vers un transporteur hydrosoluble.
11. Transporte des protons au travers de la membrane interne
12. Contient un FAD
13. Produit de l’eau

Answer 9

1. Tous les complexes
2. Complexe IV
3. Complexe III
4. Complexe I
5. Complexe I
6. Complexe IV
7. Complexe III
8. Complexe II
9. Complexes II, III et IV
10. Complexe III
11. Complexes I, III et IV
12. Complexe II
13. Complexe IV

Question 10

Complétez la phrase suivante :

Le rôle de (1) est de créer un gradient de protons. Celui-ci est ensuite utilisé par (2) pour produire (3).

Answer 10

1. la chaine respiratoire
2. l’ATP synthase
3. ATP

Question 11

Complétez la phrase suivante :

Lorsque l’ATP synthase est découplée de (1), l’énergie libérée par le transport (2) est alors dissipée sous forme de (3).

Answer 11

1. la chaine respiratoire
2. des électrons
3. chaleur

Question 12

Lesquels de ces énoncés sont vrais?

A. L’imperméabilité de la membrane interne permet la création de gradient ionique à travers la membrane.
B. La création d’un gradient de protons se fait en utilisant des transporteurs spécifiques.
C. L’imperméabilité de la membrane est à l’origine de la compartimentation entre le cytosol et la mitochondrie.
D. Le phosphate inorganique, une petite molécule, diffuse librement au travers de la membrane interne.

Answer 12

A. L’imperméabilité de la membrane interne permet la création de gradient ionique à travers la membrane.
B. La création d’un gradient de protons se fait en utilisant des transporteurs spécifiques.
C. L’imperméabilité de la membrane est à l’origine de la compartimentation entre le cytosol et la mitochondrie.

Question 13

Comment la thermogénine permet de maintenir la température des nouveau-nés?

A. En rendant la phosphorylation oxydative plus efficace.
B. En causant le transfert des électrons directement de l’ubiquinone à l’oxygène.
C. En découplant le transport des électrons de la synthèse d’ATP.
D. En stimulant l’accumulation de tissus adipeux bruns.

Answer 13

C. En découplant le transport des électrons de la synthèse d’ATP.

Question 14

Les complexes I et II de la chaîne respiratoire mitochondriale :

A. Transfère les électrons à l’ubiquinone
B. Pompent des protons de la matrice mitochondriale vers l’espace intermembranaire.
C. Transfèrent les électrons du NADH.
D. Contiennent un groupement prosthétique hème.

Answer 14

A. Transfère les électrons à l’ubiquinone

Question 15

Combien de paires d’électrons sont libérées lors de l’oxydation complète du glucose? Quels sont les transporteurs d’électrons utilisés lors de cette oxydation pour transporter les électrons vers la chaîne respiratoire? Combien de chacun des transporteurs sont produits?

Answer 15

12 paires pour un total de 24 électrons 10 NADH et 2 FADH2

Question 16

Dans les complexes I et II, plusieurs centres redox de type fer-soufre participent au transport d’électrons. Est-ce que les potentiels de réduction de ces différents centres fer-soufre sont identiques? Pourquoi?

Answer 16

NON. Le potentiel de réduction de l’ion fer d’un centre fer-soufre varie selon les interactions avec son environnement protéique. Cette différence de potentiel entre les différents centres [Fe-S] permet le mouvement des électrons, puisque les électrons passent de façon séquentielle d’un centre redox ayant un faible potentiel réducteur (faible affinité pour les électrons) vers un complexe ayant un potentiel réducteur plus grand (plus forte affinité pour les électrons).

Question 17

Comment les centres fer-soufre sont-ils organisés (distribués)?

Answer 17

Les centres [Fe-S] sont distribués de telle façon dans les complexes que leur potentiel rédox est croissant (section 10.2.1) et que la distance entre les centres permet un transfert (capsule 10.1).

Question 18

Pourquoi le complexe IV ne contient-il pas de centre fer-soufre?

Answer 18

Les électrons passent dans la chaîne respiratoire des composantes ayant le plus faible potentiel réducteur vers les composantes ayant des potentiels réducteurs de plus en plus élevés. Le cyt c qui transporte les électrons jusqu’au complexe IV a un potentiel redox supérieur à la plupart des centres fer-soufre. Le mouvement des électrons se ferait donc dans le sens centre [Fe-S] → cyt c. Par conséquent, les électrons ne pourraient être transportés du transporteur cyt c vers le complexe IV.

Question 19

Lors de la phosphorylation oxydative, l’ATP est produite dans la matrice mitochondriale, mais est principalement utilisée dans le cytosol. Comment l’ATP diffuse-t-il de la matrice au cytosol?

Answer 19

L’ATP ne peut diffuser directement de la matrice mitochondriale au cytosol. Un transporteur appelé translocase ATP/ADP échange l’ATP mitochondrial contre de l’ADP cytosolique. La translocation de ces molécules est favorisée par le fait que l’ATP porte une charge négative de plus que l’ADP. Puisque l’espace intermembranaire est positif, le transport de l’ATP et de l’ADP (qui permet le transport d’une charge négative vers l’espace intermembranaire) se fait selon le potentiel électrique de la membrane (section 10.1.1).

Question 20

Comment le NADH produit lors de la glycolyse diffuse-t-il du cytosol vers la matrice mitochondriale pour être régénéré?

Answer 20

Le NADH ne traverse pas la membrane interne de la mitochondrie. Seuls les électrons du NADH, et non le NADH lui-même, sont transportés vers la matrice mitochondriale. Pour ce faire, deux systèmes de navette sont utilisés : la navette malate-aspartate et la navette du glycérol-3-phosphate.

Question 21

Complétez la phrase suivante :

La chaîne respiratoire contient (1) complexes. Ces complexes contiennent de multiples sous-unités protéiques ainsi que d’autres (2) qui sont directement impliqués dans le transport des (3). Les deux transporteurs mobiles sont (4). La chaîne respiratoire est connectée au cycle de Krebs via le (5). L’hypothèse (6) suggère que la formation d’ATP est possible grâce à l’énergie potentielle fournie par le (7) de la membrane mitochondriale interne.

Answer 21

1. 4
2. cofacteurs/coenzymes et groupements prosthétiques
3. électrons
4. CoQ et cyt c
5. complexe II
6. chimiosmotique
7. gradient de protons

Question 22

Combien de protons sont transportés dans l’espace intermembranaire par chacun des complexes de la chaîne respiratoire?

Answer 22

Complexe I : 4
Complexe II : 0
Complexe III : 4
Complexe IV : 2

Question 23

Isolée, la membrane mitochondriale interne ne transporte les électrons du NADH à l’O2 que lorsque cyt c est ajouté. Pourquoi?

Answer 23

La membrane mitochondriale interne contient tous les composés nécessaires au transport des électrons, sauf cyt c qui est soluble dans l’espace intermembranaire. Par conséquent, cyt c n’est pas conservé durant la procédure de purification des membranes. Cyt c transporte les électrons entre le complexe III et le complexe IV.

Question 24

À l’exception de l’oxydation du NADH, quelles autres réactions d’oxydation mènent à la formation de QH2 dans la membrane?

Answer 24

 Oxydation du succinate (complexe II)

 Oxydation du glycérol-3-phosphate en dihydroxyacétone phosphate
–> Glycérol-3-phosphate déshydrogénase (navette du glycérol-3-phosphate)

 Oxydation des acides gras
—> Acyl-CoA déshydrogénase (étape 1 de la β-oxydation)

Question 25

Pourquoi l’oxydation du glycérol-3-phosphate mène-t-elle à la formation de seulement 1,5 mole d’ATP plutôt que 2,5 moles pour le NADH?

Answer 25

Les électrons provenant de l’oxydation du glycérol entrent dans la chaîne respiratoire au niveau de la coenzyme Q (sous forme de QH2). Ils court-circuitent donc le complexe I qui permet la translocation de 4 protons. Puisque 4 moles de protons de moins sont transportées et qu’il faut environ 4 moles de protons pour produire 1 mole d’ATP, il est normal que la production d’ATP soit moindre avec le glycérol-3-phosphate.

Question 26

À quoi sert l’hème b du complexe II?

Answer 26

L’hème b du complexe II n’est pas situé dans la voie empruntée par les électrons; il sert plutôt à diminuer la fréquence à laquelle les électrons quittent le complexe II pour réduire directement O2 et produire des radicaux oxygénés.

Question 27

Quelles sont les observations clés qui supportent l’hypothèse chimiosmotique?

Answer 27

L’hypothèse chimiosmotique implique le couplage d’une réaction chimique (la synthèse d’ATP) et d’un processus de transport (le flot des électrons au travers de la chaîne respiratoire). Le terme couplage implique un lien obligatoire entre les deux processus; ni l’un ni l’autre de ces processus ne peut avoir lieu en l’absence de l’autre.

 La consommation d’O2 et la synthèse d’ATP sont couplées. Lorsque la chaîne respiratoire est bloquée, il n’y a plus de synthèse d’ATP. De même, lorsque l’ATP synthase est bloquée, la consommation d’oxygène diminue indiquant que le transport d’électrons est également bloqué.
 Les composés qui augmentent la perméabilité de la membrane interne mitochondriale aux protons entraînent un découplage entre le transfert des électrons et les phosphorylations oxydatives.

Question 28

L’ATP synthase contient deux domaines. Quel est le rôle de chacun de ces domaines? Quelle est la composition de ces deux domaines (stœchiométrie des sous- unités chez les eucaryotes)?

Answer 28

 Le domaine F0 est un canal à proton. La base de ce domaine est constituée de 3 sous-unités selon une stœchiométrie a1b2c10-15.

 Le domaine F1 permet la synthèse de l’ATP. Ce domaine est constitué de 5 polypeptides associés selon cette stœchiométrie : α3β3γδε.

Question 29

Comment appelle-t-on la structure qui empêche l’hexamère α3β3 de tourner?

Answer 29

La colonne extérieure qui est constituée de la sous-unité a, de 2 sous-unités b et de la sous-unité δ.

Question 30

Combien de sites actifs (de synthèse d’ATP) possède l’ATP synthase? Sur quel domaine et, plus précisément, sur quelle sous-unité retrouve-t-on le site actif? Comment les sites actifs de l’ATP synthase répondent-ils aux flux de protons?

Answer 30

L’ATP synthase possède un site actif sur chacune des sous-unités β, par conséquent elle contient 3 sites actifs. Le passage de protons dans le canal formé de la sous-unité a et de l’anneau c entraîne la rotation du rotor (sous-unités c, γ et ε). La sous-unité γ s’étend jusque dans le centre de l’hexamère α3β3 et rompt la symétrie de celui-ci. La sous-unité  peut exécuter chacune des trois étapes séquentielles dans la synthèse d’ATP en changeant de conformation. Des interactions avec la sous-unité γ rendent les 3 sous-unités β non équivalentes. La rotation de la tige centrale produit un changement de conformation coopératif par lequel la sous-unité β en conformation T est convertie en O; la conformation L est convertie en T, et la conformation O est convertie en L. Il s’agit d’un mécanisme de changement de conformation et d’affinité.

Question 31

Quels autres processus (à l’exception de la synthèse d’ATP) sont possibles grâce au gradient de protons formé par la chaîne respiratoire?

Answer 31

 La synthèse de NADPH
 Le transport actif secondaire
 La rotation de flagelle
 La production de chaleur

Question 32

Quelle(s) molécule(s) active(nt) la phosphorylation oxydative? Qu’est-ce que le contrôle respiratoire? Donnez un synonyme.

Answer 32

L’ADP et le Pi activent la phosphorylation oxydative (Cahier d’accompagnement, Figure 10.15). La régulation de la vitesse de la phosphorylation oxydative par le niveau d’ADP est appelée contrôle respiratoire ou contrôle accepteur.

Question 33

Qu’arrive-t-il à la consommation d’oxygène quand les donneurs d’électrons (NADH ou succinate) et le Pi sont présents dans la mitochondrie, mais que l’ADP est absent? Que se passe-t-il lorsque de l’ADP est ajouté?

Answer 33

La consommation d’oxygène arrête en absence d’ADP. En effet, les électrons ne s’écoulent vers l’O2 à travers la chaîne de transport des électrons que lorsque de l’ADP est simultanément phosphorylé en ATP. La vitesse de consommation de l’oxygène par les mitochondries augmente de façon marquée quand de l’ADP est ajouté, puis retourne à sa valeur initiale quand l’ADP ajouté a été converti en ATP.

Question 34

Quelle(s) molécule(s) permet(tent) de coordonner la glycolyse, l’oxydation du pyruvate, le cycle de Krebs, la chaîne respiratoire et la phosphorylation oxydative? Comment ces molécules coordonnent-elles ces sentiers?

Answer 34

Ce sont les ratios ATP/ADP, NADH/NAD+, acétyl-CoA/CoASH ainsi que la concentration de citrate et la disponibilité de l’O2 qui coordonnent principalement ces voies.

Lorsque la concentration d’ADP augmente (indiquant que la cellule a besoin d’énergie), la vitesse de la phosphorylation oxydative augmente pour satisfaire les besoins en ATP. L’ADP active également la PFK-1 et la pyruvate kinase de la glycolyse ainsi que l’isocitrate déshydrogénase du cycle de Krebs, tandis que l’ATP les inhibe. L’activation de la glycolyse et du cycle de Krebs augmente la production de NADH, principal « substrat » de la chaîne respiratoire.

En absence d’O2, la chaine de transport des électrons ne fonctionne pas ce qui provoque l’accumulation de NADH. Le NADH ralentit le cycle de Krebs, mais n’a aucun effet sur la glycolyse. C’est pourquoi la glycolyse demeure active en absence d’oxygène.
L’accumulation de citrate indique que le cycle de Krebs fonctionne à pleine capacité. Le citrate sort alors de la mitochondrie afin d’inhiber la glycolyse. Cela permet d’inhiber la glycolyse sans pour autant inhiber le cycle de Krebs et la phosphorylation oxydative, ce qui est particulièrement important lorsque la principale source d’énergie n’est pas le glucose, mais les acides gras.

Question 35

La thermogenèse sans frisson se produit dans les tissus adipeux bruns des mammifères qui hibernent. Par quel processus la chaleur est-elle produite? Quel mécanisme est impliqué pour stimuler ce mécanisme?

Answer 35

Le mécanisme de la thermogénèse dans la graisse brune implique le découplage régulé de la chaîne de transport des électrons et des phosphorylations oxydatives par une protéine découplante (UCP; aussi appelée thermogénine) présente dans la membrane interne mitochondriale et qui sert de canal perméable aux protons. Les constituants de ce système sont sous contrôle hormonal. En réponse à une baisse de température, la production de noradrénaline conduit à l’activation de la thermogénine comme suit : la noradrénaline (norépinephrine) active la voie l’adénylate cyclase ce qui produit de l’AMP cyclique. L’AMPc stimule la PKA, qui active la lipase hormono-sensible (Module 8). La lipase hydrolyse les TAGs pour donner des acides gras libres. Les acides gras lèvent l’inhibition de la thermogénine, ce qui stimule le flux de protons à travers le canal et découple le transport des électrons des phosphorylations oxydatives, produisant ainsi de la chaleur. Donc pour stimuler la thermogenèse, la réponse hormonale active une lipase plutôt que directement la protéine UCP. Cela est avantageux parce que, en plus d’activer les UCP, les acides gras libres servent de source d’énergie nécessaire à la production de chaleur.

Question 36

Quel est le radical libre le plus dangereux pour la cellule? Quelle est la source principale de radicaux oxygénés dans une cellule?

Answer 36

L’espèce radicalaire hydroxyle est le radical libre le plus dangereux pour la cellule parce qu’il initie la lipoperoxidation et la génération d’autres espèces radicalaires toxiques. La source principale de radicaux oxygénés intracellulaires est la chaîne respiratoire où du superoxyde est produit par le transfert de 1 électron de l’espèce semi-quinone à O2.

Question 37

Vrai ou Faux

Les deux membranes de la mitochondrie ont la même composition.

Answer 37

FAUX. La membrane externe contient moins de protéines que la membrane interne et est relativement perméable grâce à la présence de porines. La membrane interne est riche en protéines, car elle contient les protéines de la chaîne respiratoire ainsi que le complexe V. De plus, puisqu’elle est imperméable à la vaste majorité des molécules, elle contient un grand nombre de protéines de transport afin d’assurer les échanges essentiels entre le cytosol et la matrice mitochondriale.

Question 38

Vrai ou Faux

Les cytochromes sont des protéines contenant un atome de fer coordonné à un hème qui transfère des électrons dans la chaîne respiratoire.

Answer 38

VRAI.

Question 39

Vrai ou Faux

La majorité des protéines de la chaîne respiratoire sont codées par des gènes mitochondriaux.

Answer 39

FAUX. Bien que les mitochondries possèdent leur propre génome, la grande majorité des protéines mitochondriales sont codées par des gènes nucléaires.

Question 40

Vrai ou Faux

Dans une chaîne respiratoire fonctionnant normalement, le transport des électrons ne s’effectue pas sans la formation d’ATP.

Answer 40

VRAI

Question 41

Vrai ou Faux

La complexe IV est le complexe qui transfère les électrons directement à l’O2.

Answer 41

VRAI

Question 42

Vrai ou Faux

Toutes les composantes de la chaîne respiratoire sont des protéines.

Answer 42

FAUX. L’ubiquinone (CoQ) est un lipide.

Question 43

Vrai ou Faux

Chaque complexe de la chaîne respiratoire contient un centre fer-soufre qui permet le transfert d’un électron.

Answer 43

FAUX. Le complexe IV ne contient pas de centres fer-soufre.

Question 44

Vrai ou Faux

Le transport d’électrons entraîne une augmentation de la concentration de protons dans la matrice mitochondriale.

Answer 44

FAUX. La concentration de protons augmente dans l’espace intermembranaire et diminue dans la matrice mitochondriale.

Question 45

Vrai ou Faux

La complexe IV utilise des ions cuivre et des ions fer (sous forme d’hème) pour compléter le transfert d’électrons vers l’oxygène.

Answer 45

VRAI

Question 46

Vrai ou Faux

L’oxydation d’une mole de succinate via la chaîne de transport des électrons produits 2,5 moles d’ATP.

Answer 46

FAUX. L’oxydation d’une mole de NADP produit 2,5 moles d’ATP, tandis que l’oxydation d’une mole de succinate ne produit que 1,5 mole d’ATP.

Question 47

Vrai ou Faux

La production d’ATP requiert de l’énergie qui est fournie par un gradient de concentration de protons.

Answer 47

VRAI

Question 48

Vrai ou Faux

Chacun des complexes de la chaîne respiratoire permet le transfert des protons au travers de la membrane interne.

Answer 48

FAUX. Le complexe II ne permet pas la translocation de proton.

Question 49

Vrai ou Faux

Quatre protons doivent passer dans le canal du complexe V vers la matrice mitochondriale pour qu’une molécule d’ATP soit synthétisée.

Answer 49

FAUX. En théorie, quatre protons sont requis pour la synthèse d’un ATP. Cependant, uniquement trois des quatre protons passent par le canal du complexe V. Le quatrième proton est requis pour le transport du Pi (symport Pi/H+), substrat essentiel à la synthèse d’ATP. Ce proton passe donc par le transporteur du phosphate et non par le complexe V pour revenir dans la matrice mitochondriale.

Question 50

Vrai ou Faux

Le mouvement des électrons du NADH du cytosol à la mitochondrie est plus efficace lorsque les electrons empruntent la navette du glycérol-3-phosphate.

Answer 50

FAUX. Le complexe I pompe quatre protons dans l’espace
intermembranaire par molécule de NADH réduite. Contrairement aux électrons passant par la navette malate-aspartate, les électrons qui empruntent la navette du glycérol-3-phosphate entrent dans la chaîne sans passer par le complexe I. Ces quatre protons de moins se traduisent par la production d’une molécule d’ATP de moins par molécule de NADH cytosolique régénérée.

Question 51

Vrai ou Faux

Les centres redox doivent être en contact pour transférer des électrons.

Answer 51

FAUX. L’environnement protéique permet d’attendre des vitesses de transfert d’électrons acceptables même si les centres redox ne sont pas en contact (section 10.2.2 et capsule 10.1).