La phosphorylation oxydative est le processus permettant la phosphorylation de l’ADP en ATP grâce à l’énergie libérée par l’oxydation de donneurs d’électrons par la chaîne respiratoire.
A. Les conditions permettant la synthèse d’ATP
Pour mettre en évidence le rôle des sphères pédonculées dans la respiration, on réalise l’expérience présentée ci-dessous : des mitochondries isolées sont soumises à l’action d’ultrasons, elles se découpent et des fragments de leur membrane interne se retournent et forment des particules submitochondriales, il s’agit de vésicules dont les sphères pédonculées sont orientées vers l’extérieur.
On place ces particules submitochondriales dans des milieux variés ; le tableau ci-dessous présente les conditions de cette expérience et les résultats obtenus.
* FCCP : substance qui rend la membrane interne des mitochondries perméable aux H+.
Les conditions permettant la synthèse d’ATP :
- Présence d’ADP et de Pi.
- Présence de sphères pédonculées qui contiennent l’ATP synthase.
- Différence de pH entre le milieu interne (espace intermembranaire) et le milieu externe (matrice), donc le milieu interne doit être plus concentré en H+ (Gradient de H+).
- Membrane interne imperméable au protons H+.
B. Rôle des protéines de la chaine respiratoire dans la réoxydation des coenzymes
La membrane mitochondriale se caractérise par la présence de plusieurs protéines qui constituent ce que l’on appelle la chaîne respiratoire.
Ces protéines se caractérisent par la différence de leur potentiel d’oxydo-réduction, ce qui leur permet d’accepter et de donner des électrons. La figure ci-dessus représente le potentiel d’oxydo-réduction de certaines de ces molécules. Les flèches entre ces molécules représentent le transfert d’électrons.
Le flux des e– dans la chaine respiratoire s’effectue spontanément dans le sens croissant du potentiel Redox, depuis le premier donneur (le couple NADH+H+/NAD+), jusqu’au dernier accepteur (le couple O2/H2O), en passant par les protéines de la chaine respiratoire : T1 puis T2 puis T3… jusqu’à T5.
L’oxydation de FADH2 se fait par T2.
C. Réactions de la chaîne respiratoire : La phosphorylation oxydative
Au niveau de la membrane interne mitochondriale, les transporteurs réduits NADH+H+ subissent une réoxydation par les protéines de la chaine respiratoire, il en résulte la libération d’e– et de H+.
Les e– cédés par NADH+H+ sont transportés par les protéines de la chaine respiratoire jusqu’à O2 qui va être réduit en H2O. On parle d’oxydation respiratoire.
Au cours du transport des e– par la chaine respiratoire, certaines protéines de cette chaine utilisent l’énergie libérée par les e– pour pomper des H+ de la matrice vers l’espace intermembranaire.
La concentration en H+ dans l’espace intermembranaire devient supérieure à celle de la matrice (gradient de protons). Il en résulte la création d’un flux de H+ qui passent de l’espace intermembranaire vers la matrice à travers les canaux des sphères pédonculées, ces dernières s’activent et utilisent l’énergie du flux de H+ pour la synthèse de l’ATP à partir de la phosphorylation de l’ADP.
On parle ainsi de la phosphorylation oxydative.
Chaque NADH+H+ permet la synthèse de 3 ATP, alors que chaque FADH2 oxydés permet la synthèse de 2 ATP, puisque l’oxydation se fait par T2 au lieu de T1.
Réactions de la phosphorylation oxydative :
- Oxydation des transporteurs d’électrons :
NADH+H+ ➔ NAD+ + 2H+ + 2e–
FADH2 ➔ FAD + 2H+ + 2e–
- Réduction d’oxygène :
½ O2 + 2H+ + 2e– ➔ H2O
Ou : O2 + 4H+ + 4e– ➔ 2H2O
- Phosphorylation d’ADP :
ADP + Pi + Energie ➔ ATP
- Equation globale de la respiration cellulaire :
C6H12O+ + 6O2 ➔ 6CO2 + 6H2O + Energie (ATP)