Bioénergétique
Chaîne respiratoire : chaîne de transfert d'électrons
Complexe IV ou cytochrome c oxydase (CcO)
Vue d'ensemble

Vue d'ensemble du complexe IV de la chaîne respiratoire

1. Le complexe IV ou cytochrome c oxydase (CcO), i.e. EC 7.1.1.9, est une oxydoréductase membranaire de la chaîne respiratoire qui catalyse la réaction :

$\ce{4 cytochromes c (réduits\,à Fe^2+) + 8H+_$matrice$ + O2}$
$\longrightarrow$ $\ce{4 cytochromes c (oxydés\,à Fe^3+) + 4H+_$IMS$+ 2H2O}$

La réaction est très exergonique ($\Delta G_0'$ est égale -112 kj.mole^-1) et permet la translocation de 4 protons de la matrice mitochondriale dans l'espace intermembranaire (IMS).

2. Le complexe IV est la dernière enzyme de la chaîne de transport d’électrons de la chaîne respiratoire.

a. Les complexes I, III et IV ont développé des mécanismes pour maximiser l'efficacité de la capture de la force motrice des protons (PMF ou Δp) de l'énergie libérée par leurs réactions d'oxydoréduction.

b. Dans le complexe IV, la réduction de l’O₂ en H₂O conserve une partie de l'énergie redox disponible.

• Il reçoit un électron de chacune des quatre molécules du cytochrome c pour les transférer à une molécule d’oxygène (O₂) et à quatre protons, pour produire par réduction deux molécules d’eau (H₂O).
• Cependant, dans chaque cycle catalytique complet, quatre protons supplémentaires sont transférés à travers la membrane mitochondriale interne (IMM), augmentant la différence transmembranaire du potentiel électrochimique des protons et donc la force motrice des protons (PMF ou Δp), que l’ATP synthase utilise ensuite pour synthétiser l’ATP ( voies de transfert des protons).

Structure générale du complexe IV

Le complexe IV des bactéries et des levures est composée que de 3 à 4 sous-unités.

Le complexe IV de mammifères est une grande protéine intégrale composée par plusieurs sous-unités.

Sous-unités catalytiques

Trois sous-unités catalytiques sont codées par l'ADN mitochondrial, très similaires à celles de la CcO bactérienne, et catalysent le transport de l'électron du cytochrome c vers l'oxygène et le pompage des protons.

1. Deux sous-unités contiennent des groupes prosthétiques métalliques.

a. La sous-unité I comprend :

• le centre actif dit binucléaire (BNC), i.e. cytochrome a3 à hème a3 à haut spin et Cu_B, distant seulement de 5 Å,
• le cytochrome a à hème a, à bas spin.

b. La sous-unité II contient Cu_A, i.e. le site d’entrée des électrons depuis le cytochrome c.

b. Les hèmes contiennent du fer (Fe⁺⁺ ou Fe⁺⁺⁺) selon l'état du cycle et les Cu du cuivre (Cu⁺ ou Cu⁺⁺).

On note aussi la présence d'un ion magnésium (Mg⁺⁺) qui sert de piège à protons.

2. La sous-unité III, bien qu'elle ne possède pas de centre redox, est aussi dite catalytique par abus de langage, car elle joue un rôle structurel essentiel à la catalyse globale.

2. 10 ou 11 sous-unités protéiques retrouvées chez les mammifères sont codées par l’ADN nucléaire (The subunit composition and function of mammalian cytochrome c oxidase 2016).

a. Les dix sous-unités, i.e. IV, Va, Vb, VIa, VIb, VIc, VIIa, VIIb, VIIc, VIII, sont appelées ainsi suivant la diminution de leur masse moléculaire apparente,

Les sous-unités codées par le noyau sont essentiellement impliquées dans la régulation de la consommation d’oxygène et de la translocation des protons par la CcO, car leur élimination ou modification modifie l’activité et leur mutation provoque des maladies mitochondriales.

b. À l'heure actuelle, il semble que la sous-unité NDUFA4, qui faisait partie du complexe I, soit intégrée dans le complexe IV, d'où 14 sous-unités (Structure of the intact 14-subunit human cytochrome c oxidase 2018).

NDUFA4 est impliqué edans de nombreuses pathologies, en particulier dans le syndrome de Leigh et dans les cancers gastro-intestinaux (Mitochondrial respiratory chain component NDUFA4: a promising therapeutic target for gastrointestinal cancer 2024).

Remarque : diverses protéines et enzymes se lient à des sous-unités spécifiques de la CcO et modifient son activité, mais ces interactions sont réversibles, contrairement aux 13 sous-unités étroitement liées.

3. De plus, la formation de supercomplexes avec d’autres complexes de phosphorylation oxydative s’est avérée être largement variable, comme par exemple I–II–III₂-IV₁, I–II–III₂-IV₂, I₂–II–III₂-IV₂ et I₂–II–III₄-IV₂ (High-resolution in situ structures of mammalian respiratory supercomplexes 2024).

4. La complexité régulatrice de la CcO est augmentée par la présence de 18 sites de phosphorylation des protéines, dont uniquement quelques sites de phosphorylation et quatre sous-unités codées nucléaires ont pu identifier une fonction spécifique.

Structure des sous-unités catalytiques et du site actif