Bioénergétique
Chaîne respiratoire : chaîne de transfert d'électrons
Complexe I, NADH déshydrogénase ou NADH:ubiquinone oxidoréductase

Vue d'ensemble du complexe I de la chaîne respiratoire

1. Le complexe I, NADH déshydrogénase ou NADH:ubiquinone oxidoréductase, i.e. EC 7.1.1.2, est une oxydoréductase membranaire de la chaîne respiratoire qui catalyse la réaction :

$\ce{NADH + ubiquinone (Q) + 4H+_$matrice$}$
$\leftrightharpoons$ $\ce{NAD+ + ubiquinol (QH_2) + 4H+_$IMS$}$

a. Pour le transfert d'électrons chez l'homme, le complexe I utilise l'ubiquinone (Q) ou coenzyme Q10 (CoQ10), localisée dans la membrane mitochondriale interne (IMM), mais d'autres CoQ existent.

2. NADH est la forme réduite de NAD (nicotinamide adénine dinucléotide), coenzyme essentielle au métabolisme présente dans toutes les cellules vivantes.

NADH doit passer dans la matrice mitochondriale grâce à deux navettes différentes selon les organes :

• la navette malate-aspartate dans le foie, les reins et le muscle cardiaque,
• la navette glycérol phosphate dans les muscles ou le cerveau qui fait intervenir FADH₂ utilisée directement par le complexe II de la chaîne respiratoire.

NADH passe la membrane mitochondriale externe (OMM) à travers des porines.

3. NADH apporte 2 électrons à haute énergie au complexe I qui les transporte de la matrice mitochondriale dans l'espace intermembranaire (IMS), via plusieurs centres redox ( mécanisme du complexe I).

• Le premier est le groupe prosthétique de la FMN (Flavine MonoNucléotide) pour produire FMNH₂, i.e. le cycle isoalloxazine, l'accepteur d'électron, qui est le même que celui de la FAD (Flavine Adénine Dinucléotide).
• Les autres sont des clusters fer-soufre [Fe-S].

a. Ce transfert s'effectue d'un centre redox supérieur de faible activité vers un centre redox inférieur de forte activité.

b. La réaction globale est très exergonique ($\Delta G_0'$ est égale -51 kj.mole^-1) et permet le pompage de 4 protons de la matrice vers l'espace intermembranaire.

4. Le dernier centre redox donne deux électrons à une molécule d'ubiquinone (Q) ou coenzyme Q10 (CoQ10) pour la réduire en QH₂ (ubiquinol).

Remarque : la plastoquinone, utilisée dans la photosynthèse, ne possède que 9 unités isopréniques.

Structure du complexe I

Le complexe I est le plus grand des complexes respiratoires (Mitochondrial NADH:ubiquinone oxidoreductase (complex I) in eukaryotes: A highly conserved subunit composition highlighted by mining of protein databases 2011).

Si les bactéries ne comprennent que 14 à 17 sous-unités, ce complexe a triplé sa composition en sous-unités au cours de l’évolution des eucaryotes, par le recrutement de sous-unités dites accessoires, dont une partie est spécifique à des lignées évolutives distinctes.

1. Chez les mammifères, l'enzyme, en forme de L, contient 45 protéines membranaires périphériques solubles, ancrées aux constituants de la membrane (Is the NDUFV2 subunit of the hydrophilic complex I domain a key determinant of animal longevity? 2021).

a. 14 des 44 protéines, indispensables à l'activité métabolique, sont conservées de la bactérie à l'homme, et constituent la base du complexe (Energy Converting NADH:Quinone Oxidoreductase (Complex I) 2006).

• 7 sont codées par le génome nucléaire, i.e. NDUFV1, V2, S1, S2, S3, S7 et S8.
• 7 sont codées par le génome mitochondrial, i.e. ND1, 2, 3, 4, 4L, 5 et 6.

b. Les 31 sous-unités codées par l’ADNn forment une couverture autour du noyau, pour laquelle la fonction détaillée n’est pas encore claire (The origin of the supernumerary subunits and assembly factors of complex I: A treasure trove of pathway evolution 2016 et Unraveling the complexity of mitochondrial complex I assembly: A dynamic process 2016).

c. Les espèces lipidiques étroitement liées stabilisent davantage les interactions entre les sous-unités, en particulier la cardiolipine (Atomic structure of the entire mammalian mitochondrial complex I 2016).

On note une présence importante d’acides gras insaturés qui sont très sensibles aux attaques des ROS (dérivés réactifs de l'oxygène) associés à la longévité.

2. La structure du complexe I comprend deux domaines.

a. Le domaine hydrophile, ou bras périphérique, qui comprend tous les centres redox connus et le site de liaison NADH, qui peut être divisé en (Structure of the Hydrophilic Domain of Respiratory Complex I from Thermus thermophilus 2006) :

• module N impliqué dans l'oxydation de NADH, en particulier par le groupe prosthétique de la flavine (FMN), i.e. NDUFS1, NDUFV1 et NDUFV2,
• module Q lié à la réduction de la CoQ, i.e. NDUFS2, NDUFS3, NDUFS7 et NDUFS8.

b. Le bras membranaire, qui comprend environ 60 hélices transmembranaires, correspond au module P impliqué dans le pompage de protons et peut être subdivisé en :

• 

  un module proximal (P_P), i.e. ND1, ND2, ND3, ND6 et ND4L,
• un module de pompage de protons distal (P_D), i.e. ND4 et ND5.

Les deux modules du bras membranaire sont liés par une longue hélice de surface latérale qui appartient à la sous-unité ND5.

Remarque : À l'heure actuelle, NDUFA4, intégrée auparavant dans le complexe I, semble faire partie du complexe IV ( sous-unités du complexe IV).

Mécanisme du complexe I

Le mécanisme du complexe I est sophistiqué et toutes les réactions redox ont lieu dans son domaine hydrophile.

1. NADH se lie initialement au complexe I et transfère deux électrons au groupe prosthétique de la FMN (Flavine MonoNucléotide) pour produire FMNH₂.

2. Les électrons sont ensuite transférés à travers le FMN via une série de clusters fer-soufre (Fe-S), i.e. Nx, et enfin à l'ubiquinone (Q), via (Direct assignment of EPR spectra to structurally defined iron-sulfur clusters in complex I by double electron–electron resonance 2010) :

FMN ➞ N3 ➞ N1b ➞ N4 ➞ N5 ➞ N6a ➞ N6b ➞ N2 ➞ Q

3. Le mécanisme du complexe I consiste à :

• pomper 4 H⁺ de la matrice mitochondriale dans l'espace intermembranaire (IMS),
• transmettre 2 électrons à l'ubiquinone (Q).

L’axe central des résidus polaires dans la membrane joue probablement un rôle clé.

• Dans chaque cycle catalytique, la charge négative stockée soit sur Q, soit sur des résidus voisins dans le site Q fermé, peut entraîner des changements de conformation dans ND1 et le canal proton près du site Q.
• Ces changements se propageraient via l’axe central vers les canaux dans les sous-unités ND2, ND4 et ND5 de type antiporteur, entraînant des changements de pKa et l’accessibilité des résidus clés.

Complexe II de la chaîne respiratoire