Bioénergétique
Chaîne respiratoire : chaîne de transfert d'électrons
Complexe IV ou cytochrome c oxydase (CcO)
Voies de pompage des protons, de l'oxygène et de l'eau

Voies de pompage des protons

Vue d'ensemble

Dans le complexe IV, la réduction de l’O₂ en H₂O nécessite 4 électrons du cytochrome c et quatre protons de la matrice (Oxygen Activation and Energy Conservation by Cytochrome c Oxidase 2018).

Cependant, dans chaque cycle catalytique complet, quatre protons supplémentaires sont pompés à travers la membrane mitochondriale interne (IMM), doublant grossièrement l'efficacité de captage de l'énergie par la force motrice des protons (PMF ou Δp).

1. Les protons avec leurs substrats doivent traverser la protéine membranaire hydrophobe selon des canaux hydrophiles formés par les acides aminés appropriés et les molécules d'eau associées, pour contribuer au cycle de réduction de l'oxygène et de la fourniture des protons du substrat au centre binucléaire (Functions of the hydrophilic channels in protonmotive cytochrome c oxidase 2013).

• Le proton est 1837 fois plus lourd que l'électron et ne peut pas utiliser l'effet tunnel sur les distances de plus de 1 à 2 Å.
• Par conséquent, le transfert de protons est effectué par des cavités de différentes tailles formées par des acides aminés chargés ou polaires.

2. Le mécanisme de pompage de protons nécessite un site de chargement des protons (PLS, i.e. proton-loading site), également appelé site de capture ou de pompage des protons.

• Dans sa forme la plus simple, le PLS accepte un proton du côté N dans des conditions où il est isolé de la face protonique du côté P et donne le proton à la face P dans les conditions où il est isolé du côté N.
• Ainsi deux protons distincts des canaux sont nécessaires pour le processus de pompage de protons, i.e. si le premier est relativement bien défini, le mécanisme du deuxième est encore mal compris.

Canaux D et K

Deux voies ont été identifiées dans les structures atomiques disponibles (A common coupling mechanism for A-type heme-copper oxidases from bacteria to mitochondria 2020) :

• les canaux D, i.e. pour aspartate, D91 ou D92 conservés dans la sous-unité I, qui fournit la partie majeure du transport,
• les canaux K, pour lysine, K319 conservé dans la sous-unité II.

Remarque : le canal H ou E, pour histidine ou glutamate, proposé pour être aussi un canal de transfert des protons, est bien situé dans la sous-unité I et passe par l'hème à faible spin a, mais est très loin du site binucléaire (Reaction Mechanism of Cytochrome c Oxidase 2015).

Cependant, tout couplage de protons lié à l’oxydoréduction impliquant le canal H devrait se faire via des interactions à longue distance, contrairement aux mécanismes DCP décrits ci-dessous, mais en accord avec les propositions de couplage conformationnel indirect (Redox-Controlled Proton Gating in Bovine Cytochrome c Oxidase 2013).

Canal D

1. Le canal D débute du côté N de la membrane avec la D91 exposée au solvant formant le site de capture ou d'absorption du proton.

Doublé d'un nombre de molécules d'eau et de résidus polaires, le canal continue à l'intérieur de la protéine jusqu'à environ la moitié de la membrane.

2. Au-dessus de D91, deux résidus d'asparagine conservés, i.e. N80 et N98, semblent former une porte (Understanding the essential proton-pumping kinetic gates and decoupling mutations in cytochrome c oxidase 2017).

Par exemple, la mutation de N98, i.e. N139 dans l'article ci-dessus, découple la réaction de réduction d'oxygène du pompage de protons qui est alors complètement aboli.

3. E242, résidu hautement conservé, est localisé à la fin du canal D.

Entre E242 et les groupes hème, on trouve une cavité apolaire qui apparaît vide dans les structures cristallines à ce jour, mais qui pourrait contenir transitoirement des molécules d'eau (Proton-coupled electron transfer and the role of water molecules in proton pumping by cytochrome c oxidase 2015).

4. En tout cas, au moins deux protons sont transferrés au site actif (substrate protons) et les quatre protons pompés passent par ce canal.

Canal K

Le canal K est basé sur une lysine hautement conservée, i.e. K319, qui, lors de mutation par un résidu non polaire, abolit le cycle catalytique.

1. Comme le canal D, un résidu acide de la sous-unité II, un glutamate (E), variable selon les espèces, forme le site d'absorption de protons à la face nord de la membrane.

• 

  Par rapport au canal D hautement hydraté, le canal K comprend moins de molécules d’eau et de résidus d’acides aminés polaires (High resolution crystal structure of Paracoccus denitrificans cytochrome c oxidase: New insights into the active site and the proton transfer pathways 2009).
• Le canal K se termine à proximité du centre binucléaire (BNC) près de la tyrosine liée qui forme une liaison H à l'hème a₃ ( structure du BNC).

2. Le canal K alimente le BNC par un ou deux protons dans la phase réductrice du cycle catalytique.

• K319 adopte une conformation dans laquelle sa chaîne latérale se trouve à 18 Å du BNC, ce qui paraît trop éloigné.
• Cependant, la chaîne latérale de la lysine pourrait subir un changement conformationnel (up-flip) qui la rapproche du BNC à environ 5 Å, processus essentiel pour le pompage de protons de l'enzyme (The role of the K-channel and the active-site tyrosine in the catalytic mechanism of cytochrome c oxidase 2016).

3. Le transfert de protons à travers la chaîne K est réglementé car de nombreux ligands qui se lient à la région voisine du canal K (Identification of conserved lipid/detergent-binding sites in a high-resolution structure of the membrane protein cytochrome c oxidase 2006).

a. Par contre, on ne sait pas pourquoi :

• ce canal est nécessaire en plus du canal D et comment il fonctionne avec ce canal,
• il fournit seulement quelques-uns des protons au BNC (Proton pumping in cytochrome c oxidase: Energetic requirements and the role of two proton channels 2014).

Cependant, cette voie de transfert de protons a existé dès l'apparition des organismes primitifs.

b. Une des hypothèses serait que, étant donné que le taux de transfert de protons vers le centre binucléaire à travers le canal D dépend de l’oxydoréduction, il pourrait devenir trop lent lors de puissante force motrice des protons (PMF ou Δp).

Le canal K, qui est indépendant de l’oxydoréduction, pourrait être alors nécessaire pour le pompage des protons.

Piège à protons

En outre, il est généralement admis que les protons repris de la phase aqueuse négative (N) de la membrane interne sont stockés dans un piège à protons transitoire autour de Mg⁺⁺, avant d'être expulsés dans la phase aqueuse (P) positive (The Mg2+-containing Water Cluster of Mammalian Cytochrome c Oxidase Collects Four Pumping Proton Equivalents in Each Catalytic Cycle 2016).

On a trouvé des liens entre la voie H et le piège à protons chez les mammifères pour expliquer le processus de pompage des protons, mais cette hypothèse a été plus ou moins écartée ( translocation des protons).

• Le canal H peut jouer un rôle dans la modulation de la catalyse.
• Son domaine supérieur pourrait fournir une voie de sortie pour les protons du piège à la phase P.

Voie de l'oxygène et de l'eau

1. En raison de son caractère apolaire, la molécule d'O₂ est beaucoup plus soluble dans les membranes lipidiques que dans les phases aqueuses environnantes et se trouve localisée au centre de la bicouche lipidique (Solubility and diffusion of oxygen in phospholipid membranes 2016).

• Un canal O₂, dans la sous-unité I, mène de l'intérieur de la membrane vers le site actif enfoui à l'intérieur de l'enzyme (Structures and physiological roles of 13 integral lipids of bovine heart cytochrome c oxidase 2007).
• Il est entouré, au milieu de la membrane, par deux ensembles d'hélices transmembranaires de la sous-unité III qui forment une structure en V (Mobility of Xe atoms within the Oxygen Diffusion Channel of Cytochrome ba3 Oxidase 2013).

2. Deux molécules d’eau sont produites au niveau du BNC dans chaque cycle catalytique (Gating of proton and water transfer in the respiratory enzyme cytochrome c oxidase 2005).

L’eau produite dans le BNC atteindrait le domaine Mg⁺⁺ au-dessus des hèmes.

Transfert d'électrons