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Understanding the Electron Transport Chain
Ces molécules d’ATP fournissent finalement l’énergie nécessaire aux
la plupart des réactions de la cellule.
Tout comme les centrales électriques humaines produisent de l’énergie électrique
en utilisant le flux du vent, de l’eau ou de la vapeur pour faire tourner une
turbine,
la synthase fabrique l’ATP grâce au flux de protons
d’un côté de la membrane interne à l’autre pour faire tourner des sous-unités
protéiques.
Sans gradient de protons, les sous-unités de la synthase cessent
de tourner, et la cellule peut vite se retrouver privée de
d’énergie et
mourir.
Par conséquent, les complexes protéiques et les petites molécules qui établissent
ce gradient et le maintiennent jouent un rôle essentiel dans la
vie de la cellule.
Au cœur de ce système se trouvent quatre complexes protéiques, numérotés
de un à quatre.
Les complexes un, trois et quatre pompent directement
des protons de la matrice vers l’espace intermembranaire.
Le complexe II ne pompe pas directement les protons, mais il favorise
le pompage des protons dans les complexes III et IV.
Le pompage des protons nécessite de l'énergie, et les quatre complexes protéiques
obtiennent cette énergie en transférant des électrons à travers une
série de réactions couplées.
Ce processus lié de transport d'électrons explique pourquoi les quatre
complexes sont collectivement appelés la chaîne de transport
d'électrons.
Concentrons-nous sur le complexe I.
Un sous-produit du métabolisme des sucres appelé NADH
dépose deux électrons à haute énergie dans le complexe I,
où ils sont transmis le long d'une chaîne de centres redox.
Les centres redox sont des groupes d'atomes qui ont différentes affinités pour les
électrons selon leurs configurations atomiques uniques.
Examinons de près une paire de centres redox pour révéler deux
les raisons pour lesquelles un électron se déplace du centre rédox supérieur vers le centre inférieur.
Premièrement, le centre rédox inférieur a une plus grande
affinité que celui du haut.
Deuxièmement, la distance entre ces centres rédox
adjacents
est idéale pour qu'un électron saute, ce qui explique pourquoi
les électrons ne contournent généralement pas le centre rédox inférieur.
Une petite quantité d'énergie est libérée chaque fois qu'un électron
est transféré
entre les centres rédox.
Le complexe I exploite cette énergie dans l'ensemble des centres rédox
et l'utilise pour pomper des protons.
Le dernier centre rédox du complexe I donne deux électrons à
une molécule de coenzyme Q.
Le complexe II est semblable au complexe I de deux façons importantes.
Premièrement, des électrons à haute énergie entrent aussi dans le complexe
II
par un sous-produit du métabolisme du sucre, bien qu'ici, la molécule soit
le FADH2.
Deuxièmement, le complexe deux transfère aussi des électrons
entre
plusieurs centres rédox avant de les donner à la coenzyme Q.
Une différence majeure, toutefois, est que le complexe deux n'utilise pas l'énergie
libérée pour pomper des protons.
Les molécules de coenzyme Q des complexes un et deux
donnent leurs électrons au complexe trois.
Un électron est recyclable et peut réintégrer le complexe trois plus tard,
mais l'autre passe par deux centres rédox avant d'atteindre
le cytochrome c.
Le cytochrome c transporte l'électron vers le complexe quatre.
La chaîne de transport d'électrons se termine au complexe quatre, où une série de
réactions impliquant quatre électrons transforme une molécule
d'oxygène en deux molécules d'eau.
Le gradient de protons est renforcé car quatre protons provenant de
la
matrice sont intégrés dans des molécules d'eau, et quatre autres sont
pompés dans l’espace intermembranaire.
En l’absence d’oxygène, le transfert d’électrons s’arrête,
ce qui signifie que la synthèse d’ATP s’arrête aussi.
En effet, si nous respirons de l’oxygène, c’est pour qu’il puisse être le
accepteur final d’électrons à la fin de la chaîne de transport
d’électrons.
Dans cette animation, nous avons exploré chaque complexe protéique
isolément, mais en réalité, ils sont très densément regroupés.
Ensemble, ils font de toute la surface
de la membrane interne
mitochondriale une gigantesque centrale électrique cellulaire.
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Original transcript (English)
These ATP molecules ultimately provide the energy for most of the cell's reactions. Just as man-made power plants produce electrical energy by using the flow of wind, water, or steam to rotate a turbine,
the synthase makes ATP by using proton flow from one side of the inner membrane to the other to rotate protein subunits. If there is no proton gradient, synthase subunits stop rotating, and the cell can quickly become starved of
energy and die. Therefore, the protein complexes and small molecules that establish this gradient and maintain it play an essential role in the life of the cell.
At the heart of this system are four protein complexes, numbered one through four. Complexes one, three, and four directly pump protons from the matrix into the intermembrane space. Complex two does not directly pump protons, but it does promote
proton pumping in complexes three and four. Proton pumping requires energy, and the four protein complexes get this energy by transferring electrons through a series of coupled reactions. This linked process of electron transport is why the four
complexes are collectively referred to as the electron transport chain. Let's focus on complex one. A by-product of sugar metabolism called NADH deposits two high-energy electrons in complex one,
where they are passed along a chain of redox centers. Redox centers are clusters of atoms that have different affinities for electrons based on their unique atomic configurations. Let's closely consider a pair of redox centers to reveal two reasons why an electron moves from the top redox center to the bottom.
First, the bottom redox center has higher affinity than the top one. Second, the distance between these adjacent redox centers is ideal for an electron jump to occur, which explains why
electrons typically don't bypass the bottom redox center. A small amount of energy is released each time an electron is passed between redox centers. Complex one harnesses this energy across all the redox centers
and uses it to pump protons. The last redox center in complex one donates two electrons to a coenzyme Q molecule. Complex two is similar to complex one in two important ways. First, high-energy electrons also enter complex
two via a by-product of sugar metabolism, although here the molecule is FADH2. Second, complex two also transfers electrons between
several redox centers before donating them to coenzyme Q. One major difference, however, is that complex two does not use the energy liberated to pump protons. Coenzyme Q molecules from complexes one and two donate their electrons to complex three.
One electron is recyclable and can reenter complex three later, but the other passes through two redox centers before reaching cytochrome c. Cytochrome c carries the electron to complex four. The electron transport chain ends in complex four, where a series of
reactions involving four electrons converts a molecule of oxygen to two molecules of water. The proton gradient is strengthened because four protons from the matrix are incorporated into water molecules, and another four are
pumped into the intermembrane space. In the absence of oxygen, the electron transfer comes to a halt, meaning that ATP synthesis also stops. Indeed, the reason we breathe oxygen is so that it can serve as the final electron acceptor at the end of the electron transport
chain. In this animation, we have explored each protein complex in isolation, but in reality, they are very densely packed. Together, they effectively make the entire surface of the inner
mitochondrial membrane a giant cellular power plant.
