Processus de transformation d’énergie

Processus de transformation d’énergie

Différents mécanismes

Les processus de conversion d’énergie ont été un élément essentiel de l’apparition de la vie, ainsi qu’un mécanisme fondamental pour son évolution. Les principaux mécanismes de transformation d’énergie sont très conservés au sein des trois domaines du vivant.

L’énergie convertie par les cellules est distribuée majoritairement sous forme d’adénosine tri-phosphate (ATP). L’hydrolyse de l’ATP en ADP et phosphate inorganique (Pi) possède un ∆G de -57 kJ/mol, dû au ratio [ATP]/[ADP] maintenu loin de l’équilibre dans la cellule. En effet, le rapport d’action de masse [ATP]/[ADP] à l’équilibre est de 0,0000001, contre 1000 dans le cytoplasme. L’ATP est générée par la phosphorylation de l’ADP par une molécule de Pi , et utilisée pour effectuer des réactions endergoniques, comme la synthèse de molécules, le passage de constituants à travers des membranes, la contraction musculaire, etc…

Il existe différents mécanismes de transformation d’énergie en ATP.
1. La fermentation comprend les mécanismes de transformation d’énergie qui ne mettent pas en jeu des potentiels chimiques transmembranaires, mais repose sur la phosphorylation au niveau des substrats (« substrate level phosphorylation », en anglais). Elle peut avoir lieu aussi bien en présence qu’en absence d’oxygène. Comme exemples, on peut mentionner la production d’acide lactique ou d’éthanol à partir du glucose. La fermentation a un rendement en ATP par molécule de glucose bien inférieur aux processus respiratoires décrits ci-dessous.
2. Les mécanismes qui mettent en jeu un potentiel électrochimique transmembranaire généré par une différence de concentration d’ions, généralement H+ (mais aussi parfois Na+). Ils regroupent les processus décrits par la théorie chimiosmotique de Peter Mitchell (cf. I.1.4) qui va associer les transports de protons à un transfert d’électrons à travers la membrane. Le potentiel électrochimique de proton ∆µH+ ainsi généré va pouvoir être utilisé, entre autre, pour la synthèse d’ATP par l’ATP synthase. Il est courant de diviser ces mécanismes en deux grands groupes qui distinguent la source d’énergie utilisée pour générer ce gradient, bien que ceux-là peuvent se retrouver agir de concert dans une même membrane : La photosynthèse Dans les processus photosynthétiques, l’excitation lumineuse transmise principalement par des chlorophylles ou bactériochlorophylles, va se retrouver dans un centre réactionnel où généralement une paire de (bactério)- chlorophylles va être excitée pour céder un électron. Les chaînes photosynthétiques peuvent être divisées en deux grands groupes : La photosynthèse anoxygénique. Dans ce cas, les électrons utilisés pour transférer les protons à travers la membrane par l’intermédiaire d’une quinone vont, une fois libérés, soit effectuer un cycle et être réutilisés pour reréduire la (bactério-)chlorophylle soit être transférés sur les ferredoxines et revenir dans la chaîne par l’intermédiaire du complexe NADH déshydrogénase. La photosynthèse anoxygénique est principalement effectuée par des bactéries photosynthétiques anoxygéniques (comme les bactéries pourpres, les chlorobi ou les héliobactéries). La photosynthèse oxygénique. Au contraire dans la  oxygénique, deux centres réactionnels sont présents : le premier, dans le photosystème II, va utiliser l’eau pour réduire la chlorophylle oxydée par l’excitation lumineuse, libérant ainsi protons et oxygène moléculaire ; le deuxième, dans le photosystème I, va récupérer à la fin de la chaîne de transfert l’électron produit dans le photosystème II pour lui faire traverser la membrane et réduire une molécule de NADP en NADPH. Nous sommes ici en présence d’une réduction nette, appelée aussi phosphorylation réductrice. Les équivalents de réduction produits vont être utilisés dans la partie dite obscure de la photosynthèse qui comprend la fixation du CO2. La photosynthèse oxygènique est responsable de la production de l’oxygène atmosphérique terrestre, elle est présente chez les cyanobactéries et les chloroplastes des plantes. La respiration utilise une chaîne de transfert d’électrons analogue à celle utilisée par la photosynthèse, mais l’énergie nécessaire pour la faire fonctionner ne provient pas de photons mais de deux couples redox, l’un injectant des électrons au début de la chaîne et l’autre les récupérant en bout de chaîne. Le premier groupe doit donc être réducteur et l’autre oxydant, la différence de potentiel entre les deux doit être suffisante pour générer un ∆µH+ assez grand pour la synthèse d’ATP. Il est courant de diviser les chaînes respiratoires en deux grands groupes selon l’utilisation ou non du couple oxygène/eau comme accepteur terminal d’électrons : Respiration anoxygénique utilise un autre couple redox que O2/H2O. Différent oxydants peuvent être observés, par exemple, certaines bactéries du phylum Pseudomonas utilisent le couple NO− 3 /NO− 2 comme accepteur terminal d’électrons, alors que les bactéries du genre Clostridium utilisent le couple SO2−4 /SO2−3 . Respiration oxygénique Les électrons transitent d’un donneur d’électron (réducteur), par exemple le couple NAD+/NADH, jusqu’à l’accepteur final qui est l’oxygène du couple O2/H2O. C’est la chaîne respiratoire la plus étudiée car elle est présente dans la plupart des mitochondries, ainsi que chez de nombreux procaryotes.

Quelques données sur l’évolution de ces processus

L’évolution des processus énergétiques suscite le débat depuis plusieurs décennies. En 1929, dans un article sur les origines de la vie, J. Haldane présente la fermentation comme le mécanisme primordial de transformation de l’énergie, et le décrit, tout comme Pasteur le fit auparavant, comme étant « la vie sans oxygène » (Haldane, 1929). Pendant longtemps l’idée que la fermentation était le processus ancestral, la première voie de transformation de l’énergie utilisée par les cellules, a été un pilier de l’hypothèse de la « primordial-soup » (soupe originelle). Cependant cette théorie sur l’origine de la vie a été depuis remise en question (Lane et al., 2010), tout comme le « modèle de la fermentation ».

Ce modèle repose principalement sur les données géochimiques montrant l’absence d’oxygène dans l’environnement primitif. Il apparaît cependant que les premiers processus chimiosmotiques ne reposaient pas sur l’oxygène mais utilisaient du CO2,   présent à cette époque dans l’atmosphère. La fermentation est un processus complexe qui requiert de nombreuses enzymes. Les grandes divergences existantes entre les enzymes des archées et celles des bactéries suggèrent que la fermentation n’est pas le mode de production d’énergie le plus ancestral, et que ce processus a évolué indépendamment dans ces deux règnes (Ducluzeau et al., 2013).

La découverte relativement récente de cheminées hydrothermales alcalines (Kelley et al., 2001) a permis l’émergence de nouvelles théories sur l’origine de la vie et de la bioénergétique. Ces cheminées créent des gradients de protons, qui auraient pu être utilisés pour effectuer les premières synthèses de molécules organiques. La théorie chimiosmotique aurait donc joué un rôle primordial dans l’apparition de la vie sur terre. Il existe de nombreuses théories divergentes sur l’origine de la bioénergétique (pour une revue voir Ducluzeau et al. (2013)), notamment sur les voies métaboliques utilisées par LUCA (Last Common Universal Ancestor) pour transformer l’énergie. Des nombreuses données (Lane et al., 2010) suggèrent que LUCA transformait l’énergie par couplage chimiosmotique, de ce fait, LUCA possédait une membrane différente de celles de archées et bactéries « modernes », à travers laquelle un gradient de proton était établit. Il semblerait que LUCA poussait sur un milieu contenant H2/CO2, et utilisait le mécanisme chimiosmotique pour transformer l’énergie. Ce point de vue permet de comprendre pourquoi ce mécanisme et les enzymes qui mettent en place les gradients d’ions sont ubiquitaires et très conservées.

La respiration cellulaire basée sur la théorie chimiosmotique est apparue très probablement avant la photosynthèse, tout comme les processus de fermentation. Cependant, l’apparition de la photosynthèse a profondément influé sur l’évolution de la respiration et de la fermentation. En effet, l’augmentation de l’oxygène atmosphérique a conféré un avantage sélectif aux organismes capables d’utiliser l’oxygène pour produire leur énergie et a ainsi favorisé la respiration aérobie. La fermentation de type « glycolyse » est apparu, permettant le catabolisme du glucose produit par la photosynthèse en acide lactique, éthanol ou CO2. La respiration cellulaire est beaucoup plus efficace en terme de production d’ATP que la glycolyse. A part quelques exceptions, toutes les cellules utilisent les réactions oxydatives comme principale source d’énergie.

Les transferts d’électrons

Les mécanismes qui mettent en jeu un potentiel électrochimique transmembranaire nécessitent une translocation de protons à travers la membrane. Cette réaction est endergonique et thermodynamiquement défavorable, et doit être associée à une réaction exorgonique : les transport d’électrons d’une espèce réductrice vers une espèce oxydatrice. Les électrons transitent dans des complexes protéiques membranaires par l’intermédiaire de groupes redox, au sein de ce qu’on appelle une chaîne de transfert d’électrons (CTE). Les CTE sont composées de complexe protéiques, la plupart transmembranaires, qui peuvent varier selon le type de chaîne ou d’organisme (cf. I.1.5).

Les réactions d’oxydo-réduction

Les CTE fonctionnent grâce à des séquences de réactions d’oxydo-réduction dans lesquelles les électrons sont transférés d’un couple redox à l’autre. Le nombre d’électrons transférés dépend du couple redox.

Par exemple, le cytochrome c effectue une oxydo-réduction à 1 e−
Fe3+.cyt c + 1 e− ⇋ Fe2+.cyt c

Alors que la ménaquinone effectue une réduction à 2 e− couplée à une addition de 2 H+
MK + 2 e− + 2 H+ ⇋ MKH2

Le potentiel redox d’une espèce reflète la capacité de cette espèce à accepter ou à céder des électrons. Les électrons se déplacent vers les potentiels redox plus élevés.

La relation entre potentiel redox et △G La différence d’énergie libre de Gibbs △G disponible lors d’une réaction d’oxydo-réduction dépend de la différence de potentiel d’oxydo-réduction △Eh entre le couple donneur et accepteur. En général pour les couples redox A et B :

△Eh = Eh(A) − Eh(B)

Il existe une relation directe entre la différence de potentiel redox de 2 couples △Eh, et la variation d’énergie libre de Gibbs △G accompagnant le transfert d’électron entre les 2 couples :

△G = −nF△Eh

Avec n le nombre d’électrons transférés et F la constante de Faraday. A partir de cette équation, on peut déduire un équilibre pour △Eh = 0. La stœchiométrie du transfert de proton dépend de l’énergie libre libérée par le transfert d’électrons, en tenant compte non pas des potentiels redox à l’équilibre Em mais des potentiels redox effectifs qui prennent en compte les concentrations respectives des formes oxydes et réduites.

Table des matières

I Introduction
I.1 Processus de transformation d’énergie
I.1.1 Différents mécanismes
I.1.2 Quelques données sur l’évolution de ces processus
I.1.3 Les transferts d’électrons
I.1.4 La théorie chimiosmotique
I.1.5 Les acteurs des chaînes respiratoires aérobies
I.1.6 Les chaînes respiratoires procaryotes
I.2 L’organisation en super-complexes
I.2.1 Deux théories contradictoires
I.2.2 Les super-complexes, pour quoi faire ?
I.3 Le super-complexe de la chaîne respiratoire de G. stearothermophilus
I.3.1 Geobacillus stearothermophilus : une bactérie thermophile
I.3.2 Le super-complexe cytochrome b6c : CcOx caa3
I.3.3 La chaîne respiratoire de G. stearothermophilus
I.4 Objectifs
II Matériel et Méthodes
II.1 Matériel
II.1.1 Souches bactériennes
II.1.2 Produits chimiques
II.1.3 Systèmes de purification et colonnes
II.1.4 Spectrophotomètres
II.2 Méthodes
II.2.1 Production et purification du super-complexe
II.2.2 Analyses biophysiques de l’échantillon
III Résultats
III.1 Production du super-complexe
III.2 Purification
III.2.1 Solubilisation et test de détergents
III.2.2 G. stearothermophilus possède-t-il un super-complexe ?
III.2.3 Mise en place d’un protocole de purification
III.2.4 Vers la cristallographie
III.3 Caractérisation du super-complexe purifié
III.3.1 Composition en sous-unités du super-complexe
III.3.2 Polydispersité de l’échantillon
III.3.3 Spectroscopie visible
III.3.4 Étude du super-complexe par spectroscopie RPE
III.3.5 Fixation du CO sur le super-complexe
III.4 Titration redox des cofacteurs
IV Discussion
IV.1 Diversité des oxydases
IV.2 L’isolement d’un super-complexe respiratoire
IV.2.1 Le(s) super-complexe(s) de G. stearothermophilus
IV.2.2 Le(s) super-complexe(s) purifié(s)
IV.3 Caractérisation de l’hème ci
IV.4 Les transferts d’électrons dans une chaîne respiratoire à ménaquinone
IV.4.1 Un décalage des potentiels redox
IV.4.2 Le Q-cycle et les ménaquinones
IV.5 Perspectives
V Bibliographie

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