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

Voie suivie par les électrons

Cu_A

1. La réduction de l’O₂ en H₂O nécessite 4 électrons et, dans la vue conventionnelle, la réaction catalysée par le complexe IV (CcO) commence par un transfert d’un électron du cytochrome c réduit à Fe⁺⁺ à Cu_A, i.e. la distance entre les atomes métalliques étant de 23.0 Å.

a. Cu_A est le premier accepteur d'électrons intramembranaire.

Il se compose de deux Cu⁺⁺ très proches, i.e. 2,5 Å environ, chacun lié par une cystéine et un résidu d'histidine de la sous-unité II.

b. Le cytochrome c réduit se lie à la surface de la sous-unité II du côté P de la membrane (IMM) et donne un électron au centre CuA de l’enzyme (Complex structure of cytochrome c–cytochrome c oxidase reveals a novel protein–protein interaction mode 2016).

a. L’interface entre les deux protéines s’avère être stabilisée par de faibles interactions électrostatiques, permettant une association et une dissociation rapides du complexe donneur-accepteur.

b. 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 (Brief encounters of cytochrome c 2017).

• Dans le système Cyt.c-CcO, les molécules d’eau à la surface de chaque protéine sont préservées pour former trois couches lors de l’arrimage, mais chaque protéine interagit spécifiquement via les longs bras des chaînes latérales des résidus impliqués dans les interactions protéine-protéine.

• 

  Dans d’autres systèmes de complexes de transfert d'électrons (ET), les protéines donneuses et accepteuses d’électrons forment un complexe ET en excluant les molécules d’eau de la surface de chaque protéine.

Hème a

L'hème a à faible spin, situé à 12 Å de Cu_A, localisé au tiers de la membrane dans la sous-unité I et lié par deux histidines, reçoit l'électron par un effet tunnel.

• Le champ de ligand de l’environnement de l’hème a est fort à modéré, i.e. configuration bas spin Fe(III)
• Cela permet un transfert d’électrons rapide et stable sans perturber la géométrie du site.

Transfert au centre binucléaire (BNC)

1. Le transfert d’électrons purs, non couplé à un transfert de protons ou à un changement de conformation, de l’hème a au centre binucléaire (BNC), i.e. hème a3 à fort spin et Cu_B , situés respectivement à environ à 16 et 20 Å de Cu_A, est très rapide, de l’ordre de la nanoseconde, par l'effet tunnel (Nanosecond electron tunneling between the hemes in cytochrome bo3 2007).

• 

  Cela est dû au fait que la distance séparant les hèmes a et a₃ n'est que de 7 Å.
• Lors du renouvellement enzymatique, c’est cette étape de transfert d’électrons qui entraîne l’étape de transfert de protons interne qui initie la fonction de pompage de protons.

2. L'hème a₃ est le site catalytique actif qui réduit O₂ en HO₂, et change d’état au cours du cycle.

• Lorsqu'il n'est pas lié à l'O₂, i.e. Fe(+III), le champ de ligand est faible (géométrie ouverte, le spin est fort.
• Lorsqu'il est lié à l'O₂ ou dans des états intermédiaires, i.e. Fe(+II), le champ de ligand est fort et le spin est faible ou mixte.
• Dans la conformation Fe(+IV), état oxoferryl dans l’intermédiaire " F ", le spin est faible.

Mécanisme

1. Dans l'état O, forme oxydée active, i.e. Fe³⁺, Cu_B²⁺, le premier électron a été transféré, via l’hème a de faible spin vers le centre binucléaire (BNC), composé de l’hème à haut spin a₃ et du centre Cu_B, qui constitue le site actif de l’enzyme (Electron transfer and energy transduction in the terminal part of the respiratory chain — Lessons from bacterial model systems 2009).

2. Dans l'état E, i.e. électroné, le BNC oxydé est réduit par le premier électron, Fe³⁺, Cu_B⁺.

L'étape 0 ➞ E est associée au pompage d'un proton.

3. Dans l'état R, i.e. resting state ou forme oxydée inactive, on assiste à un deuxième transfert d’électrons, Fe²⁺, Cu_B⁺ .

L'étape E ➞ R est associée au pompage d'un proton.

4. Dans l'état A, la forme oxydée inactive se lie au dioxygène, Fe²⁺-O₂ Cu_B⁺.

5. Pour passer à l'état F, intermédiaire après clivage de la liaison O-O et formation d'une double liaison =O, dans lequel on trouve un composé Fe⁴⁺=O^2- Cu_B²⁺ nécessitant le transfert d'un troisième électron, deux hypothèses sont possibles.

a. L'une prédit le passage par un état P, i.e. peroxyde (Splitting of the O–O bond at the heme-copper catalytic site of respiratory oxidases 2017).

• Une réorganisation électronique transfère 2 électrons sur le dioxygène lié, créant un peroxyde dans le BNC, Fe³⁺-O^--O^- Cu_B²⁺.
• Un électron supplémentaire conduit à Fe³⁺-O^--O^- Cu_B⁺, vraisemblablement par la tyrosine Y244, liée à l'histidine H240 de Cu_B.

b. L'autre hypothèse prédit que l'état P possède déjà un oxoferryle, i.e. Fe⁴⁺=O^2-, comme l'état F (Resonance Raman characterization of the P intermediate in the reaction of bovine cytochrome c oxidase 2004).

c. L'étape P ➞ F est associée au pompage d'un proton.

6. Dans l'état F, i.e. ferryle ou oxoferryle intermédiaire après clivage de la liaison O-O, on trouve un composé Fe⁴⁺=O^2- Cu_B²⁺.

7. L’entrée du quatrième électron conduit à la formation d’une molécule d’eau et clôture le cycle par un retour à l'état O.

L'étape F ➞ O est associé au pompage d'un proton.

ATP synthase

L'ATP synthase est considérée quelquefois comme le complexe V de la chaîne respiratoire.