Bioénergétique
Chaîne respiratoire : chaîne de transfert d'électrons
Complexe III ou coenzyme Q-cytochrome c réductase

Vue d'ensemble du complexe III de la chaîne respiratoire

1. Le complexe III ou coenzyme Q-cytochrome c réductase, i.e. EC 1.10.2.2, est une oxydoréductase membranaire de la chaîne respiratoire qui catalyse la réaction :

$\ce{QH_2 + 2 cytochromes c _1 (oxydés\,à Fe^3+) + 2H+_$matrice$}$
$\longrightarrow$ $\ce{Q + 2 cytochromes c_1 (réduits\,à Fe^2+) + 4H+_$IMS$}$

a. L'ubiquinol (QH₂), la forme réduite de l'ubiquinone (Q) ou coenzyme Q, transmet ses deux électrons à la fois du complexe I et du complexe II.

b. La réaction est exergonique ($\Delta G_0'$ est égale -37 kj.mole^-1) et permet la translocation de 4 protons de la matrice mitochondriale dans l'espace intermembranaire (IMS) grâce aux 2 cytochromes c.

2. Chaque cytochrome c transporte un électron vers le complexe IV (Metalloproteins Containing Cytochrome, Iron–Sulfur, or Copper Redox Centers 2014).

a. Le cytochrome c est une petite protéine d'une centaine d'acides aminés, à hème c de fer, qui peut s'oxyder (Fe⁺⁺⁺ ou ion ferrique) ou se réduire (Fe⁺⁺ ou ion ferreux).

• L’hème c est attaché à la protéine par deux séquences -Cys-x-x-Cys-His-, i.e. x étant tout acide aminé.
• Le résidu d’histidine dans la séquence conservée sert de ligand axial au fer héminique.

b. Il est hautement conservé et, par exemple, la cytochrome oxydase humaine réagit avec le cytochrome c du blé et, de plus, le potentiel redox de +0,25 V est le même pour toutes les molécules de cytochrome c étudiées.

c. La structure cristalline du complexe a identifié une nouvelle classe d’interaction protéine-protéine dite " soft and specific ", i.e. " douce et spécifique ", qui n’avait pas été prédite auparavant ( interactions cytochrome c).

Remarque : En dehors de son rôle dans la chaîne respiratoire respiration, le cytochrome c joue un rôle clé dans l’apoptose.

Lorsqu’il est libéré dans le cytoplasme, il ctive la caspase 9 et éclenche la cascade apoptotique (apoptose intrinsèque).

Caractéristique	Cytochrome c	Cytochrome c1
Localisation	Espace intermembranaire (IMS)	Complexe III (cytochrome bc1)
Rôle et mobilité	Navette mobile qui transporte les électrons du complexe III vers le complexe IV	Fait partie intégrante du complexe III et transfère les électrons au cytochrome c
Fixation à la membrane	Soluble, flotte librement	Ancré dans la membrane
Nombre d’hèmes c	1 lié covalemment comme tous les hèmes c	1 (lié covalemment)
Taille	Plus petite (~12 kDa)	Plus grande
Apparition dans le chemin des électrons	En aval, i.e. navette vers le complexe IV	En amont , i.e. dans le complexe III

Structure du complexe III

1. La structure du complexe III, qui fonctionne comme un dimère, comprend plusieurs protéines, mais comparé aux autres transporteurs d'électrons, leur nombre peut être réduit à trois sous-unités redox (Metalloproteins Containing Cytochrome, Iron–Sulfur, or Copper Redox Centers 2014) :

• un cytochrome c₁,
• un cytochrome b avec deux types d'hème b, i.e. b_L et b_H, les deux cytochromes formant le complexe bc1,
• une protéine de type Rieske (ISP ou Iron Sulfur Protein) contenant un cluster fer-soufre [2Fe-2S].

Remarque : les différences entre ferrédoxine et protéines de type Rieske sont résumées dans un tableau.

2. Toutefois, le complexe III peut atteindre onze sous-unités chez les animaux supérieurs (Complete Structure of the 11-Subunit Bovine Mitochondrial Cytochrome bc 1 Complex 1998).

Les sous-unités supplémentaires, appelées surnuméraires, qui n'ont pas de fonction cellulaire bien établie, mais qui sont vraisemblablement responsables de la stabilité du complexe, sont représentées par ( composition of the complex) :

• 2 protéines centrales, i.e. QCR1/SU1 et QCR2/SU2,
• 6 protéines de faible poids moléculaire, i.e. QCR6/SU6 à QCR12/SU12.

3. Le complexe III peut être divisé en trois régions :

• la région localisée dans l'espace intermembranaire (IMS), avec cyt c1 et la sous-unité surnuméraire 8,
• la partie intermembranaire (TM) est composée de 13 hélices chez la mitochondrie bovine, i.e. 8 du cyt b, 1 du cyt c1 et 3 de l'ISP.
• la région matricielle, avec les sous-unités surnuméraires 1, 2, 6 et 9.

Mécanisme : cycle Q

Le mécanisme du complexe III est aussi appelé cycle Q, en référence à la coenzyme Q ou ubiquinone.

Chaque cycle libère quatre protons dans l'espace intermembranaire mitochondrial (IMM) en n'en absorbant que deux de la matrice mitochondriale.

La réaction globale conduit également à :

• l'oxydation de 2 Q₁₀H₂ (ubiquinol) en Q₁₀ (ubiquinone),
• la réduction de 1 Q₁₀ en Q₁₀H₂,
• la réduction de 2 Cyt c.

Première étape du cycle Q

1. La première étape de la réaction s'effectue comme suit.

a. Une première molécule de QH₂ (ubiquinol) se lie au site Q_o (o pour outer) du cytochrome b tandis que une autre ubiquinone Q se lie au site Q_i (i pour inner ou 1).

b. QH₂ liée au site Q_o cède son premier électron à [2Fe-2S], qui le cède à l'hème c₁ du cytochrome c₁ pour réduire le cytochrome c.

c. Parallèlement, QH₂ cède son deuxième électron à l'ion ferreux (Fe⁺⁺) de l'hème b_L, i.e. L pour low (potentiel bas, ~ -0,1 V, donneur d'électrons), qui le cède à son tour à l'hème b_H, i.e. H pour high, (potentiel haut ~ +0,03 V, accepteur d'électron), tous deux dans le du cytochrome b, qui le transfère à l'ubiquinone liée (potentiel de +0,045 V-) au site Q_i pour former un radical semiquinone (SQ), i.e. électron lié à une quinone.

$\ce{QH_2 + Q + cytochrome c_1(oxydé\,à Fe^3+)}$
$\longrightarrow$ $\ce{Q + Q^- + cytochrome c_1 (réduit\,à Fe^2+) + 2H+_$IMS$}$

2. Cette première étape a pour effet de libérer :

a. dans l'espace intermembranaire mitochondrial (IMS), deux protons H⁺ et un cytochrome c réduit,

b. dans la membrane mitochondriale interne (IMM), une ubiquinone (Q) issue de l'oxydation de l'ubiquinol initialement lié au site Q_o.

Le radical semiquinone demeure lié au site Q_i.

Remarque : lors de cette étape, une fuite d'électrons vers l'oxygène ($\ce{O2}$) peut provoquer la formation de superoxyde $\ce{O2^•-}$ et de dérivés réactifs de l'oxygène (ROS) hautement toxiques (Modelling mitochondrial ROS production by the respiratory chain 2019).

• Cette fuite est substantielle quand le complexe bc1 est bloqué par des inhibiteurs spécifiques comme l’antimycine A ou lorsque la chaîne de transfert devient trop réduite.
• La fuite d’électrons se produit principalement au niveau du site Q_o en augmentant la concentration de semiquinone qui réagit avec l'oxygène pour former des superoxydes.
• Le superoxyde produit sur le site Q_o peut être libéré à la fois dans la matrice mitochondriale et dans l’espace intermembranaire, où il peut ensuite atteindre le cytosol.

Deuxième étape du cycle Q

1. La deuxième étape de la réaction s'effectue comme suit.

a. Une seconde molécule de QH₂ (ubiquinol) se lie au site Q_o du cytochrome b.

b. c. Q₁H₂ cède, comme à l'étape précédente, ses deux électrons, excepté que le deuxième est cédé par l'hème b_H au radical semiquinone SQ de la première étape.

Cette dernière réaction conduit à la formation d'une molécule de QH₂ (ubiquinol) sur le site Qi par absorption de deux protons H⁺ de la matrice mitochondriale.

$\ce{QH_2 + Q^- + cytochrome c_1 (oxydés\,à Fe^3+)}$
$\longrightarrow$ $\ce{Q + QH_2 + cytochrome c_1 (réduits\,à Fe^2+) + 2H+_$IMS$}$

2. Cette deuxième étape a pour effet de libérer :

a. dans l'espace intermembranaire mitochondrial (IMS), deux protons H⁺ et un cytochrome c réduit,

b. dans la membrane mitochondriale interne (IMM) :

• une ubiquinone (Q) issue de l'oxydation de l'ubiquinol initialement lié au site Q_o,
• une molécule de QH₂ (ubiquinol) issue de la réduction de l'ubiquinone initialement liée au site Q_i.

3. L'expression nette est donc :

$\ce{QH_2 + 2 cytochromes c _1 ((oxydés\,à Fe^3+) + 2H+_$matrice$}$
$\longrightarrow$ $\ce{Q + 2 cytochromes c_1 (réduits\,à Fe^2+) + 4H+_$IMS$}$

Complexe IV de la chaîne respiratoire