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Le mécanisme du complexe mitochondrial I révélé – Nouvelles et revue des docteurs en naturopathie

Node Smith, ND

Les mitochondries sont les centrales électriques de nos cellules, générant de l'énergie qui soutient la vie. Une pompe à protons moléculaire géante, appelée complexe I, est cruciale: elle déclenche une chaîne de réactions, créant un gradient de protons qui alimente la génération d’ATP, le combustible de la cellule. Malgré le rôle central complexe du I, le mécanisme par lequel il transporte les protons à travers la membrane est jusqu'à présent inconnu. Maintenant, Leonid Sazanov et son groupe de l'Institut des sciences et technologies d'Autriche (IST Autriche) ont résolu le mystère de la complexité du fonctionnement de I: les changements conformationnels de la protéine combinés aux ondes électrostatiques déplacent les protons dans la matrice mitochondriale. C'est le résultat d'une étude publiée dans Science.

La chaîne respiratoire est responsable de la majeure partie de la production d’énergie de la cellule

Le complexe I est la première enzyme de la chaîne respiratoire, une série de complexes protéiques dans la membrane mitochondriale interne. La chaîne respiratoire est responsable de la majeure partie de la production d’énergie de la cellule. Dans cette chaîne, trois protéines membranaires établissent un gradient de protons, les déplaçant du cytoplasme de la cellule vers l’espace interne mitochondrial, appelé matrice. L'énergie nécessaire à ce processus provient principalement du transfert d'électrons entre les molécules de NADH, dérivées de la nourriture que nous mangeons, et de l'oxygène que nous respirons. L'ATP synthase, la dernière protéine de la chaîne, utilise ensuite ce gradient de protons pour générer de l'ATP. Le complexe I est remarquable non seulement en raison de son rôle central dans la vie, mais aussi pour sa taille: avec un poids moléculaire de 1 mégadalton, le complexe eucaryote I est l'une des plus grandes protéines membranaires. Sa taille rend également difficile l'étude complexe. En 2016, Sazanov et son groupe ont été les premiers à résoudre la structure du complexe mammifère I, suivant leur structure de 2013 d'une enzyme bactérienne plus simple. Mais le mécanisme par lequel le complexe I déplace les protons à travers la membrane est resté controversé. «Une idée était qu'une partie du complexe I fonctionne comme un piston, pour ouvrir et fermer les canaux à travers lesquels les protons voyagent», explique Sazanov. «Une autre idée était que les résidus au centre du complexe j'agis en tant que conducteur. Il s'avère qu'un mécanisme encore plus inhabituel est à l'œuvre.

Le fil d'eau aide les protons à sauter à travers la membrane

Auparavant, Sazanov et son groupe ont montré que le complexe en forme de L I se compose de bras hydrophiles et membranaires. Dans le bras hydrophile, les électrons passent du NADH à la quinone, le porteur d'électrons hydrophobe. Le bras membranaire, où se produit la translocation de protons, a trois sous-unités similaires avec des structures liées aux antiporteurs, et une sous-unité contenant une cavité de liaison à la quinone. Dans cette cavité, le complexe I transfère deux électrons par cycle catalytique à la quinone, qui délivre les électrons plus loin aux complexes III et IV. Mais le mystère entoure la façon dont l'interaction entre les électrons et la quinone peut déplacer quatre protons par cycle à travers la membrane, car les sous-unités de type antiporteur sont loin de la cavité quinone. Pour résoudre ce casse-tête, Sazanov et son équipe ont effectué la cryo-EM sur le complexe ovin I. Dans un effort de tour de force, le doctorant Domen Kampjut a résolu 23 structures différentes du complexe I, obtenues dans différentes conditions. En ajoutant du NADH et de la quinone, les chercheurs ont pu capturer des images du complexe I au travail, modifiant la conformation entre les deux états principaux. En raison de la haute résolution obtenue, ils pourraient résoudre les molécules d'eau à l'intérieur de la protéine, qui sont essentielles pour permettre le transfert de protons. Ils ont découvert que de nombreuses molécules d'eau dans l'axe central du bras de membrane permettent aux protons de sauter entre les résidus polaires et les eaux, formant des voies le long et à travers la membrane.

Uniquement dans une sous-unité, la plus éloignée de la quinone, les protons sautent à travers la membrane

Mais seulement dans une sous-unité, la plus éloignée de la quinone, les protons sautent à travers la membrane. Les deux autres sous-unités assurent plutôt un couplage entre la sous-unité la plus éloignée et la quinone. Lorsque la cavité de liaison «attend» la quinone, une hélice bloque le fil à eau dans l'axe central. Lorsque la quinone se lie dans la cavité de liaison, la conformation protéique autour de cette zone change considérablement et cette hélice tourne. Maintenant, le fil d'eau relie toutes les sous-unités membranaires du complexe I et deux protons sont livrés à la quinone, pour achever sa réduction. Cet élément clé du mécanisme crée une charge près du premier antiporteur et déclenche une onde électrostatique d'interactions entre les résidus chargés, qui se propage le long des antiporteurs, entraînant la translocation de quatre protons au total. «Nous montrons qu'un mécanisme nouveau et inattendu est à l'œuvre dans le complexe I. Un mélange de changements conformationnels et d'une onde électrostatique pompe les protons à travers la membrane», explique Sazanov. «Ce mécanisme est très inhabituel, car il implique la rotation d'une hélice entière à l'intérieur de la protéine. Cela semble un peu excessif, mais aide probablement le mécanisme à être robuste. »

La nouvelle recherche complète les études du groupe Sazanov publiées au cours des deux derniers mois, sur le mécanisme de pompage de protons dans le complexe bactérien I (Nature Communications) et sur la structure des antiporteurs MRP, à partir desquels le complexe I a évolué (eLife).

1. Afficher le profil ORCIDDomen Kampjut, Afficher le profil ORCIDLeonid A. Sazanov *. Le mécanisme de couplage du complexe respiratoire des mammifères I. Science, 2020 DOI: 10.1126 / science.abc4209


Node Smith, ND, est médecin naturopathe à Humboldt, Saskatchewan et rédacteur en chef adjoint et directeur de la formation continue pour NDNR. Sa mission est de servir des relations qui soutiennent le processus de transformation et qui mènent finalement à des personnes, des entreprises et des collectivités en meilleure santé. Ses principaux outils thérapeutiques comprennent le conseil, l'homéopathie, l'alimentation et l'utilisation d'eau froide combinée à l'exercice. Node considère que la santé est le reflet des relations qu'une personne ou une entreprise entretient avec elle-même, avec Dieu et avec son entourage. Afin de guérir la maladie et de guérir, ces relations doivent être spécifiquement prises en compte. Node a travaillé en étroite collaboration avec de nombreux groupes et organisations au sein de la profession naturopathique et a aidé à fonder l'association à but non lucratif, Association for Naturopathic Revitalization (ANR), qui travaille à promouvoir et à faciliter l'éducation expérientielle au vitalisme.

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