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Structure et fonction des protéines
M1 BBSG
des enzymes de la chaîne bioénergétique
4.02.2013 – Christophe Léger – Introduction dans la bioénergétique
La bioénergétique est basé sur des systèmes qui couplent des réactions chimiquesà la production de l’ATP
=> couplage direct: fermentation
⇒couplage via un gradient de protonsLa F1F0 ATPase forme de l’ATP avec l’aide d’un gradient de protons transmembranaireLa F1F0 ATPase forme de l’ATP avec l’aide d’un gradient de protons transmembranaire
- des membranes étanche aux protons- des protéines transmembranaires
-composées d’hélix α ou de tonneaux β-composés des acides aminées hydrophobes
- ayant des co-facteurs redox (FeS, hèmes, NiFe, Mo, Q, FAD…) à ≤ 14Å d’écart- catalysant des réactions rédox
intérieur
ADP
ATP
H+
ATPasered ox+H+
Chémio osmose – la façon la plus efficace de faire la bioénergétique
N
extérieur
H+
Pred ox+H+
Les électrons vont d’un substrat réduit à faible affinité pour les électrons (bas potentiel rédox)vers un substrat oxydé avec une plus forte affinité pour les électrons (haut potentiel rédox)
L’énergie disponible peut servir à transporter des protons à travers la membranecontre le gradient de protons existant (150-200 mV)
Exemples de la chaine bioénergétique mitochondrialecomplexe I: NADP + QH2 � NADPH +Q
+ protons des substrat + protons pompés
complexe II: succinate + Q � fumarate + QH2
pas de transfert de protons- protons du substrat (MK)
Exemples des chaines bioénergétique bactériennesnitrate reductase: NO3
- + QH2 � NO2- +Q
+ protons des substrats redox bouclefumarate oxidase: 2HCOO- + Q � 2CO2 + QH2
+ protons des substrats hydrogenase: H2 + Q � H+ QH2
+ protons des substrats
bc oxidaseComplex I
oxidase
NO-
reductaseNO2
- red
NO3- red
NO3- red
Formate
dehydro
H2ase hmc
C II respiration aérobie
reaction Knallgas
dénitrification
respiration du nitrate anaerobie
reduction du sulphate
R/b
R/b
PSII b6f PSI
RCII bc
RCI
H2ase
oxidase
H2ase?
?
Hetero-
disulfide
reductase
photosynthèse
anoxygénique
reaction Knallgas
méthanogénèse
photosynthèse oxygénique
des chaînes bioénergétiques présents dans des organismes vivants
R/b
R/b
0
-400H2 / 2H+
HCO2-/CO2
HS - / SO4 2-
succinate/fumarate
lactate/pyruvate
-800
-1200Chl/Chl*
NAD(P)/NAD(P)H
0
+400
+800
+1200
NO2- / NO3
-
H2O / O2
Fe2+ / Fe3+
arsénite/arséniate
N2 / NO3-
N2O / NO
succinate/fumarate
Chl+/Chl
des couples rédox de la bioénergétique
oxidaseComplex I bc
oxidase
NO-
reductaseNO2
- red
NO3- red
NO3- red
Formate
dehydro
H2ase hmc
C II
R/b
R/b
respiration aérobie
reaction Knallgas
dénitrification
respiration du nitrate anaerobie
reduction du sulphate
PSII b6f PSI
RCII bc
RCI
H2ase
oxidase
H2ase?
?
Hetero-
disulfide
reductase
R/b
R/b
photosynthèse
anoxygénique
reaction Knallgas
méthanogénèse
photosynthèse oxygénique
les éléments des chaînes bioénergétiques présentées lors du dernier cours
0
-400H2 / 2H+
HCO2-/CO2
HS - / SO4 2-
succinate/fumarate
lactate/pyruvate
-800
-1200Chl/Chl*
NAD(P)/NAD(P)H
0
+400
+800
+1200
NO2- / NO3
-
H2O / O2
Fe2+ / Fe3+
arsénite/arséniate
N2 / NO3-
N2O / NO
succinate/fumarate
Chl+/Chl
des couples rédox de la bioénergétique
bc oxidaseComplex I
oxidase
NO-
reductaseR/bNO2
- red
NO3- red
NO3- red
Formate
dehydro
H2ase hmc
C II
R/b
respiration aérobie
reaction Knallgas
dénitrification
respiration du nitrate anaerobie
reduction du sulphate
PSII b6f PSI
RCII bc
RCI
H2ase
oxidase
H2ase?
?
Hetero-
disulfide
reductase
R/b
R/b
photosynthèse
anoxygénique
reaction Knallgas
méthanogénèse
photosynthèse oxygénique
les éléments des des chaînes bioénergétiques à présenter dans ce cours
La photosynthèse à base de chlorophylle
- la photosynthèse se déroule au sein des protéines transmembranaires- elle est basé sur l’absorbance de la lumière- les cofacteurs impliqués sont des chlorophylles, des quinones
des centres fer-souffres, du manganèse, du fer, des hèmes
PSII b6 f PSI
RCII bc
RCIR/b
photosynthèse
anoxygénique
photosynthèse oxygénique
les éléments des chaînes photosynthétiques à présenter dans ce cours
0
-400H2 / 2H+
HCO2-/CO2
HS - / SO4 2-
succinate/fumarate
lactate/pyruvate
-800
-1200Chl/Chl*
NAD(P)/NAD(P)H
0
+400
+800
+1200
NO2- / NO3
-
H2O / O2
Fe2+ / Fe3+
arsénite/arséniate
N2 / NO3-
N2O / NO
succinate/fumarate
Chl+/Chl
des couples rédox de la bioénergétique
La chlorophylle
hν e-
Em -1100 mV Chl* est un réducteur fort
Em +1250 mVChl+ est un oxydant
puissant
e-
les propriétés rédox de la chlorophylle
- Chl a- Chl b- BChla- BChl b- BChl c- BChl d- BChl e
les spectres d’absorbance des chlorophylles
BChl g
Chlorophylle
P
Q Qin
Fe ou FeS
P
le transfert de l’électron à travers de la membrane est très rapide,il passe par plusieurs co-facteurs: chlorophylle, phéophytine, quinone
out
P
Q Qin
QH2 Fe ou FeS
e-
(RCI/PSI)
(RCII/PSII)
P
Selon le type de photosystème les élécrons sont transférés sur une quinone => type IIou sur une sousunité à centres fer-soufre =type I
out
e-
Quinones
MenaquinoneEm -70 mV
Ubiquinone
Plastoquinone
Em +100 mV
Em +100 mV
PSIIRCII PSI
la structure protéique qui fixe les centres redox est conservée
PSIIRCII PSI
deux sous-unités à 5 hélices s’imbriquent
PSI
six hélices additionnelles fixent des chlorophylles supplémentaires dans les photosysthèmes de type I
le PSI a un centre 4Fe4S entre les deux quinones et une sousunité avec deux centres 4Fe4S coté cytoplasmique
Structure du PSI de Thermosynechocossus elongatus, 2001
P
Fx
FA
FB
NAD(P)
RCI
pas de structurecrystallographique
organismesanaerobie stricte
homodimer
PSI
structure crystallographiqueheterodimerles deux branches
sont activesune branche 10 fois
in
40 ps
15 ns
2 µµµµs
P
Plastocyanin
cytochrome c
homodimerles deux branches
sont activesdonneur d’éléctrons
pour P+ est uncytochrome c
une branche 10 foisplus rapide que l’autre
donneur d’éléctronspour P+ est uneplastocyanineout
les électrons sont transférés sur une ferrédoxine et finalement sur le NAD(P),pas de transfert de protons au niveau du PSI/RCI mais production d’un substrat réducteur
ferredoxine solubleTsutsui et al. 1983 Binda et al. 1998
PSI PsaC
P
Fx
FA
FB
NAD(P)
RCI
pas de structurecrystallographique
organismesanaerobie stricte
homodimer
PSI
structure crystallographiqueheterodimerles deux branches
sont activesune branche 10 fois
in
40 ps
15 ns
2 µµµµs
P
Plastocyanin
cytochrome c
homodimerles deux branches
sont activesdonneur d’éléctrons
pour P+ est uncytochrome c
une branche 10 foisplus rapide que l’autre
donneur d’éléctronspour P+ est uneplastocyanineout
les électrons sont transférés sur une ferrédoxine et finalement sur le NAD(P),pas de transfert de protons au niveau du PSI/RCI mais production d’un substrat réducteur
HIPIP
PlastocyaninCytochrome c
180°
sa chaîne de transfert d’électrons est entouré des chlorophylles qui collectent des photons
RCII
le RCII présent chez les bactéries pourpres a une sous-unité supplémentairepar laquelle les protons sont acheminés pour protoner la quinone
Le RCII des Chloroflexaceae (non cristallisé) est dépourvu de cette sous-unité
P
QB QA
200ps
150µµµµs
2 H+
QH2
in
cytochrome c
P
le transfert de l’électron à travers de la membrane ne passe que par une branche de co-facteursla quinone en QB, réduite et protoné, quitte le site et est remplacé par une quinone
200ns - 200µµµµsout
dans certains bactéries pourpres une sous-unité périplasmique avec des hèmes amène des électrons
Structure du RCII de Blastochloris viridis en 1985
cytochrome c
PSII
in
out
Structure du PSII de Thermosynechocossus elongatus, 2001
le PSII a plusieurs sousunitées additionnelles côté périplasmique
des chlorophylles qui captent la lumière sont sur les sousunités séparées
P680
Chl
Phe
QAQB
Phe
Chl cytb559cytb559
PQH2
PQ
P680
TyrZTyrD
Mn4ClCa
2H2O O2 + 4H+
Rutherford 1989
en 1989 l’agencement des cofacteurs et la distribution de la plupart des sousunitésétaient connus, la structure a révélé la position excentré du cluster de manganèse
et la présence d’un seul hème b559 (cyt c550 était connu depuis 2001 comme sous-unité de PSII)
P
QAQB
in
Mn4Ca
TyrZTyrD
La position excentré du cluster de manganèse permet de concentrer les réactionspotentiellement dangereuses sur une seule sousunité protéique:
D1 est la protéine la plus souvent remplacé
out
H2O ⇔ OH* + e- + H+ E° +2.31V
OH* + H2O ⇔ H2O2 + e- + H+ E° +380 mV
H2O2 ⇔ O2- + e- + 2H+ E° +890 mV
O2- ⇔ O2 + e- E° -330 mV
2H O ⇔ O +4e-+4H+ E =+815 mV2H2O ⇔ O2+4e-+4H+ E0 =+815 mV
O2 + 2 e- + 2H+ ⇔ H2O2 E° +281mV
H2O2 + 2 e- + 2H+ ⇔ 2H2O E° +1.35V
les réactions du couple O2/H2O: l’eau est une molécule stable. Il faut un oxydant fort pour lui arracher un électron
SO/S1/S2/S3/S4
*
4hv
2QH2
in4H+
H2O
H2O
Mn4 (III et IV)
*
4H+
O2
4* 1e-
les états S, quatre états rédox différents du cluster de manganèse, permettentl’oxydation de deux molécules d’eau
out
deux quinones et un canal bifurqué ont été trouvés dans la structure ils pourront assurer un échange rapide du quinol contre une quinone
Guskov et al. 2009
la recherche des canaux d’acheminement d’eau et d’évacuation d’oxygène est en cours
canaux putativesà protons
canaux putativesà H2O et O2
La photosynthèse à base de chlorophylle
- nous connaissons quatre complexes protéiques capable de faire la photosynthèse:- le RCI présent chez les bactéries verts sulfureuses et les Héliobactéries- le RCII présent chez les bactéries pourpres et les Chloroflexaceae- le PSI présent chez les cyanobactéries et les chloroplasts- le PSII présent chez les cyanobactéries et les chloroplasts
-ces quatre complexes sont homologues, c.a.d. issus d’un ancêtre commun- ils ont une même structure protéique- ils ont une même structure protéique-ils ont un agencement de leurs co-facteurs comparable
-Un seul – le PSII – est capable d’utiliser de l’eau comme donneur de protons.
C’est la seule protéine qui produit de l’oxygène
0
-400H2 / 2H+
HCO2-/CO2
HS - / SO4 2-
succinate/fumarate
lactate/pyruvate
-800
-1200Chl/Chl*
L’oxygène et la lumièreabsorbé par une moléculede chlorophylle sont unesource d’énergie puissantepour les êtres vivants.
Leur disponibilitén’est pas lié à un
NAD(P)/NAD(P)H
0
+400
+800
+1200
NO2- / NO3
-
H2O / O2
Fe2+ / Fe3+
arsénite/arséniate
N2 / NO3-
N2O / NO
succinate/fumarate
Chl+/Chl
n’est pas lié à unenvironnement spécifique.
L’abondance d’énergiequ’ils mettent à dispositiona permis l’apparitionde la vie multicellulaire
des couples rédox de la bioénergétique
génération de l'oxygène- 100% biologique- une seule source : l'eau- un seul mécanisme, un seul enzyme: le PSII
présence d’oxygène sur terre depuis 2.4 Mrd d’années- évolution de la photosynthèse et des oxydases- adaptation des organismes
Réactions de l’oxygène
- adaptation des organismes- mis en place d’une couche d’ozone => possibilité de vie terrestre- trés peu d'échappement d'H dans l'espace
=> il y a toujours de l’eau sur terreconsommation de l'oxygène
- 90% par des réactions bioénergétiquesdifférents types d'oxydases
photosynthèserespiration d’O2
The first photosynthesis experiment performed by Joseph Priestley 1771
la première expérience de photosynthèse était mis en place par Priestley en 1771
bc oxidaseComplex I
oxidase
NO-
reductaseNO2
- red
NO3- red
NO3- red
Formate
dehydro
H2ase hmc
C II respiration aérobie
reaction Knallgas
dénitrification
respiration du nitrate anaerobie
reduction du sulphate
R/b
R/b
PSII b6f PSI
RCII bc
RCI
H2ase
oxidase
H2ase?
?
Hetero-
disulfide
reductase
photosynthèse
anoxygénique
reaction Knallgas
méthanogénèse
photosynthèse oxygénique
des chaînes bioénergétiques présents dans des organismes vivants
R/b
R/b
Métaboliser l' O2
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
>90% de l'oxygène consommé dans la biosphère
oxydases des chaînes bioénergétiquesoxydases des chaînes bioénergétiques
les oxydases à hème/hème
les oxydases à hème/cuivre
bd-oxydase
in
b595dQH
H+
=> rôle dans la transition anaerobie/aerobie?O2 comme accepteur d'électrons des bactéries 'nanoaerobes'
outb558
dQH2
Q
H+
O2
H2O
La famille des
oxydases à hème-cuivre
O2-reductase
NO-reductaseNO-reductase
O2 + 4e - + 4H+ ⇔ 2 H2O E0 =+815 mV2 NO + 2e - + 2H+ ⇔ N2O + 2 H2O E0 =+1100 mV
Oxydases à hème/cuivre
H2O
in
donneurd'électron
e-
O2
Cytochrome aa3 oxydases (SOX M) des mitochondries du cœur de bœufTsukihara et al. 1996
Cytochrome aa3 oxydases (SOX M) de Paracoccus denitrificans
Iwata et al. 1995
out
hème low spin
Site actif des oxydases à hème cuivre
centre binucléairehème/cuivre 90°
Les hèmes
- Cys - X - X - Cys -
Les hèmes /1
hème b hème c
CH3 OH
OH
Les hèmes /2
OH
hème o →→→→ hème ahème b
hème d
hème bhème a
hème ohème d
O2
His Met His
Les hèmes /3
hème bas spin hème haut spin
Fe3+/4+
Les réactions se font au centre binucléaire: O2 + 4e - + 4H+ ⇔ 2 H2O
Cu1+/2+
Fe
Fe2+/4+
l’hème et le cuivre peuvent mettre trois électrons à disposition pour la réaction
SoxB/M
cbb3
le quatrième électron qui est nécessaire pour réduire l’O2 vient d’une tyrosine à proximité
O2
Fe2+
Tyr-OH
Cu+
Fe2+
l’O2 se fixe au site actif complètement réduit
Fe4+
Tyr-O*
O2-
Cu2+
Fe4+O2-
OH
les quatre électrons et le proton de la tyrosine sont transférés à l’O2
Fe4+
Tyr-O*
O2-
1 e- ;1H+
1 e- ;1H+
1 e- ;1H+
1
2
2H2O
Cu2+
Fe4+O2-
OH
1 e- ;1H+
3
44H+
le site actif est réduit par quatre fois un électron; chaque transfert d’électron est accompagnépar le transfert d’un proton au site actif et le transfert d’un proton à travers la membrane
H2O
M. Wikström / Biochimica et Biophysica Acta 1817 (2012) 468–475
H2O
Chemins de transfert de protons de la cytochrome oxydase aa3 des mitochondries du cœur de bœuf
in
out
Glu Asp
incanal Dcanal K
Arg
Tyr
out
dans l’oxydase aa3 des bactéries pourpres deux canaux à proton ont été identifiés
in
H+
canal Dcanal K
out
pK=5
H
in
H+
canal Dcanal K
out
e-
pK=9
H
incanal Dcanal K
out
e-
pK=9 H+
in
H+
canal Dcanal K
out
e-
pK=9 H+
H
in
H+
canal Dcanal K
out
e-
pK=11 H+
H
in
H+
canal Dcanal K
out
e-
pK=5 H+
H
in
H+
canal Dcanal K
out
e-
pK=5 H+
canal Dcanal K in
out
pK=5
H+
O2 + 4H+ + 4 e- → 2H2O E° +800 mV ([O2]=120 uM)
cyt c2+ + 1 e- → cyt c3+ Em =+300 mV ([cyt c2+]/[cyt c3+]=1)
4 cyt c2+ + 4H+ + O2 → 4 cyt c3+ +2 H2O : +2000 mV
Potentiel transmembranaire dans des mitochondries actives:
Quelques chiffres
Potentiel transmembranaire dans des mitochondries actives:+170mV à +220 mV
Transfert de 8H+ :1360 à1760 mV
=> efficacité de 70 à >80%
Transfert de 1500e-/sec => ca 2200H+/sec par le canal D
M. Radzi Noor, T. Soulimane / Biochimica et Biophysica Acta 1817 (2012) 638–649
in
O2
oxydase ba3 de Thermus thermophilus
out
O2Xe
H2O
des molécules de Xénon marquent une cavité par laquelle l’O2 peut accéder au site actif
in
oxydase aa3 de Paracoccus denitrificans
out
l’arrivé d’un canal au site actif est rétrécie par la présence d’une Phe et une Trp
H2O
in
donneurd'électron
e-
O2
Cytochrome aa3 oxydases (SOX M) des mitochondries du cœur de bœufTsukihara et al. 1996
Cytochrome aa3 oxydases (SOX M) de Paracoccus denitrificans
Iwata et al. 1995
out
H2O
in
Cytochrome caa3 oxydases (SOX M) de Thermus thermophilus
Lyons et al. 2012
donneurd'électron
e-
O2
out
e-
H2O
QH
in
e
O2
QH2
quinole oxydase (SOX M) d'Escherichia coli
Abramson et al. 2000
out
in
Cytochrome ba3 oxydase SOX B de Thermus thermophilus
Soulimane et al. 2000
outdonneurd'électrone-
in
Cytochrome cbb3 oxydase de Pseudomonas stutzeri
Buschmann et al. 2010
outdonneurd'électron
e-
in
N2 +H2O
2NO
Cytochrome NO-réductase de Pseudomonas aeruginosa
out
donneurd'électron
e-
2NO + 2H+ + 2e- → N2 + H2O
2NO
H+
in
N2 +H2O
2NO
Quinol NO-réductase de Geobacillus stearothermophilus
out
2NO + 2H+ + 2e- → N2 + H2O
2NO
Cyt aa3 oxydases SOX M quinole oxydase SOX MCyt ba3 oxydase SOX BCyt caa3 oxydases SOX M
Cytochrome cbb3 oxydase Cytochrome NO reductase quinol NO reductase
Cyt caa3 oxydases SOX M
type bd SoxM / A SoxB / B cbb3 / C cNor qNor
substrateaffinity*
B H B B B/H B
proton channels
D et K K K -/K K
H+/e- nd 2 1 1 0/nd nd
Subunits A, B I, II, III, IV I, II I(N), O, P/R I, O I (=I+O)
SUII 8TM helices 2TM helices+Cu domain(+cytc)
1TM helix+ Cu domain
1TM helix+cytc
1TM helix+cytc
Domain: 2TM helices+cytc fold(+cytc) +cytc fold
co-factors I:2 hèmes HSHème LS
I:CuHème HSHème LSTyrII: 2Cu(hème)
I: CuHème HSHème LSTyr
I: CuHème HSHème LSTyrII: 2Cu
I: CuHème HSHème LSTyr
I: CuHème HSHème LSTyrO: 1 cytcP: 2 cytcR: 1 cytc
I: FeHème HSHème LS
O: 1 cytc
FeHème HSHème LS
substrate O2 O2 O2 O2 NO NO
e-- domors Q Cyt c Q Cyt c Q Cyt c Cyt c Q
* B: basse affinité (5nm-100nm); H: haute affinité (uM)
bc oxidaseComplex I
oxidase
NO-
reductaseNO2
- red
NO3- red
NO3- red
Formate
dehydro
H2ase hmc
C II
R/b
R/b
respiration aérobie
reaction Knallgas
dénitrification
respiration du nitrate anaerobie
reduction du sulphate
PSII b6f PSI
RCII bc
RCI
H2ase
oxidase
H2ase?
?
Hetero-
disulfide
reductase
R/b
R/b
photosynthèse
anoxygénique
reaction Knallgas
méthanogénèse
photosynthèse oxygénique
des complexes Rieske/cytochrome b sont présent dans la plupart des chaînes bioénergétiques
Les complexes
Rieske/cytochrome b
sortir les électrons de la membrane
tirer profit de la différence de potentiel entre le pool des quinones et l’accepteur terminalpour transférer d’avantage de protons à travers de la membrane
-200
-400
-600
-800
-1000
-1200
-1400 (
mV
) NAD(P)+/NAD(P)H(-320 mV)
Les chaînes respiration aérobie et photosynthèse
Chl* PSII
cI
cII
1200
1000
800
600
400
200
0
-200
Em (
mV
)
O2/H2O (+820 mV)
QH2/Q (+100mV)
cytochrome c / PC (+350mV)
succinate/fumarate +30mV cII
oxidase
Chl+ PSI
bb
in
Q
ADP
ATP
H+La chaîne bioenergétique
c
FeS
bb
FeSc out
e-
QH2
H+ H+
H+
Les complexes Rieske/cytb sont intégrés dans les chaînes bioenergetiques
Ils servent à récolter l’énergie éléctrochimique additionnelle présente dans
certaines reactions en la transforment dans un gradient de protons.
Ils transfèrent des électrons des quinones sur des protéines rédox périplasmiques
bH
The Q-cycle
in
bH
H+
Q
bL
QH2
out
bL
2H+
2 QH2 => 4H+ dans le périplasme + 2 cytochromes c réduits + 1QH2
les réactions rédox des complexes Rieske/cytb – le cycle Q
e-
e-
e-
H+
H+
Quinole
Em élevé
H+
Quinone
Semiquinone
e-Em bas
-100
-200
-300
-400
-500 (
mV
) cytochrome bH
cytochrome bL
Q°-/Q
The Q-cycle
500
400
300
200
100
0
Em (
mV
)
QH2/Q°-cytochrome c1
2Fe2S
cytochrome bH
QoH2/Q QiH2/Q
bH
Qo-site
Q -site: oxydation de QH concerté
in
Q
QH2
bL
Qo-site: oxydation de QH2 concertépotenielles rédox adaptés
au potentiel de la quinonetransfert de l’e- de bL à bH rapide
out
au site Qo (oxidation des quinols) la durée de vie de la sémiquinone est très courte
-100
-200
-300
-400
-500 (
mV
) cytochrome bH
cytochrome bL
The Q-cycle
Q°-/Q
500
400
300
200
100
0
Em (
mV
) cytochrome bH
QH2/Q QiH2/Q
QH2/Q°-cytochrome c1
2Fe2S
-100
-200
-300
-400
-500 (
mV
) cytochrome bH
cytochrome bL
The Q-cycle
Q°-/Qcytochrome bH
cytochrome bL
QH2/Q QiH2/Q
Q°-/Q
500
400
300
200
100
0
Em (
mV
) cytochrome bH
QH2/Q QiH2/Q
QH2/Q°-cytochrome c1
2Fe2SQH2/Q°-
cytochrome c1
2Fe2S
Serine
SY: 260-360 mV
Y → F: -100 mV
S → G/A: -150 mV
Tyrosine
deux acides aminées à proximité du cluster fer-souffre gouvernent le potentiel rédox de la protéine de Rieske
GF: 120 mV
-100
-200
-300
-400
-500 (
mV
) cytochrome bH
cytochrome bL
The Q-cycle
Q°-/Q
500
400
300
200
100
0
Em (
mV
) cytochrome bH
QH2/Q QiH2/Q
QH2/Q°-cytochrome c1
2Fe2S
La structure du complexe bc1 – les hélices transmembranaires des protéines de Rieskesont ancrés dans un monomère
tandis que la domaine globulaire appartient à l’autre monomère
Cavité centrale qui permet l’échange des quinones, transfert d’électrons inter-monomer possible
La structure du complexe bc1 – le mouvement de la protéine de Rieske
12.5 A23 A
La protéine de Rieske était cristallisée dans deux conformations différentes
La domaine globulaire de la protéine de Rieske effectue un mouvement entrele site Qo et le cytochrome c1 au cours du cycle Q
-100
-200
-300
-400
-500 (
mV
) cytochrome bH
cytochrome bL
The Q-cycle
Q°-/Q
500
400
300
200
100
0
Em (
mV
) cytochrome bH
QH2/Q QiH2/Q
QH2/Q°-cytochrome c1
cytochrome fcytochrome cc
cytochrome ccccccc
/
2Fe2S
La troisième sous-unité des complexes Rieske/cytb
bc1 complex cytc1
Mitochondria/α,β,γ-proteobacteriastructure crytallographique
b6f complex cytfCyanobacteria/chloroplastsstructure crytallographique
Rieske/cytb complex sans sous-unité à cytcChlorobiaceae/Archeae
Rieske/cytb complex dihème cytcε-proteobacteria, Bacilli, Actinobacteria,
Planctomycetes, Acidobacteria
Rieske/cytb complex heptahème cytcDesulfococcus oleovorans
La protéine de Rieske et le cytochrome b transmembranaire sont présent dans tous les complexes Rieske/cytb, les sous-unités additionnelles sont variables
cytochrome c4
cytochrome c1
c1
c4
cytochrome f
8 hélices transmembranaires7 hélices transmembranaires
cytochrome b splité
complexe bc1 complexe b6f
Cytochrome b du complexe bc1
de Rhodobacter sphaeroides
pdb:2QJP,A
Cytochrome b6 (bleu) et sousunité IV (vert) ducomplexe b6f de Chlamydomonas reinhardtii
pdb:1Q90,B,D
La partie membranaire des complexes bc1 (mitochondries/bactéries pourpres)et b6f (cyanobactéries et chloroplasts) est homologue
heme bH
heme ci
chlorophylle
complexe bc1 complexe b6f
heme bL
La partie membranaire des complexes bc1 (mitochondries/bactéries pourpres)et b6f (cyanobactéries et chloroplasts) est homologue
bH
Qi-site – bc1 complex
bc1-complexe
Qi-site: sémiquinone stabilisé dans Qi
in
1st 2nd
Em
Q
Qi
QH2
bL
out
- +
Em1st2nd
au site Qi (réduction des quinones) des complexes bc1 la sémiquinone n’est pas très réactif
Qo
bH
The Q-cycle – bc1 complex
in
Transfert efficace d’électrons et de protons;réactions annexes dangereuses des sémiquinones minimisées
-50mV
>+100mV+ 50 mV
+150mVQ
UQ
QH2
bL
out
+100mV<
+330mV
-100mV
+300mV
-200 mV
+400mV
+350mV +800mV
UQ +100mV
l’ensemble des potentielles rédox permet un transfert d’électrons à travers de la membrane
Hèmes bH
Hèmes bL
TDS
Hème ci
Quinone
Hème f
Hème c1
TDS
FeS
l’hème ci occupe la position de la quinone du complexe bc1
bH
b6f-complex
Qi-site: presence of heme ci
ci
inQ
La structure du complexe b6f – la présence d’un hème supplémentaire dans le site Qi
QH2
bL
out
Le hème ci prend la place de la quinone dans la structure du complexe bc1
heme bH heme ci
La structure du complexe b6f – la présence d’un hème supplémentairedans le site Qi, d’un molécule de chlorophylle proche du site Qo
et d’une sous-unité à hème c avec une structure en feuillet β
Rieske2Fe2Sprotein
cytochrome f
heme bL
1Q90Stroebel et al. 2003 Nature 426:413-418
Qi-site
Qi-sitebH
ci
Sterical clash between phenylalanin and the inhibitors
Mutant F40L Chlamydomonas reinhardtii
HOH
HO
WT F40Y
HOH
WT+NQNO F40L
Qi sites of C. reinhardtii and H. modesticaldum
bc oxidaseComplex I
oxidase
NO-
reductaseNO2
- red
NO3- red
NO3- red
Formate
dehydro
H2ase hmc
C II respiration aérobie
reaction Knallgas
dénitrification
respiration du nitrate anaerobie
reduction du sulphate
R/b
R/b
PSII b6f PSI
RCII bc
RCI
H2ase
oxidase
H2ase?
?
Hetero-
disulfide
reductase
photosynthèse
anoxygénique
reaction Knallgas
méthanogénèse
photosynthèse oxygénique
des chaînes bioénergétiques présents dans des organismes vivants
R/b
R/b
Gradient de protons sans transfert d’électrons
La photosynthèse des Archaea
out
in
hν
Changement conformationel du retinal
out
H O
in
H2O
H2O
H2O
10 ms10 ms
Le diapanorama sous format pdf se trouve
sur notre site web:
http://bip.cnrs-mrs.fr/bip09/http://bip.cnrs-mrs.fr/bip09/
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