La sensibilité de la membrane mitochondriale interne au Na⁺ révèle des pools de CoQ fonctionnels partiellement segmentés

Le système de phosphorylation oxydative mitochondriale (OXPHOS) est la principale voie conduisant à la synthèse de l’adénosine triphosphate (ATP), à la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) et à la consommation d’équivalents réducteurs, tels que le nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) ou le succinate, par les mitochondries. Le système OXPHOS est composé de cinq complexes protéiques : le complexe I (IC) oxyde le NADH et réduit la CoQ en ubiquinol (CoQH₂). Le complexe II (CII) oxyde le succinate en fumarate et réduit la CoQ en_CoQH2. Le complexe III (CIII) oxyde la CoQH₂ en CoQ, réduisant ainsi le cytochrome c (cyt c). Enfin, le complexe IV (CIV) oxyde le cyt c et réduit l’oxygène en eau. Cette chaîne d’oxydoréduction, appelée chaîne de transport d’électrons (mETC), est couplée au pompage de H⁺ à travers l’IMM, ce qui crée un gradient électrochimique utilisé par le complexe V (CV) pour phosphoryler l’adénosine diphosphate (ADP) en ATP.

Les complexes mETC peuvent être seuls dans l’IMM ou s’assembler en structures quaternaires appelées supercomplexes. Le CIV peut s’assembler avec le CIII, formant le III₂+IV ou le Q-respirasome (car il est capable de respirer en présence de CoQH₂)^1,2,3 ou formant des homodimères ou des homooligomères⁴. CIII peut interagir avec CI, formant le supercomplexe I +III₂⁵. Enfin, l’IC est également capable d’interagir avec le Q-respirasome, en construisant le I + III₂ + IV ou le N-respirasome (car il peut respirer en consommant du NADH)^1,6,7,8,9,10.

CoQ et cyt c sont des transporteurs d’électrons mobiles chargés de transférer des électrons de CI/CII à CIII, et de CIII à CIV, respectivement. La question de savoir si les supercomplexes imposent ou non une restriction locale fonctionnelle à ces transporteurs a fait l’objet d’un débat intense au cours des deux dernières décennies 2,7,11,12,13,14,15,16,17. Cependant, plusieurs groupes indépendants ont démontré que coq et cyt c peuvent être segmentés fonctionnellement en pools dans l’IMM. En ce qui concerne la CoQ, elle peut être segmentée fonctionnellement en un pool de CoQ spécifique pour l’IC (CoQ^NAD) et un autre pool dédié aux enzymes dépendantes de la DCP (CoQ^FAD)^1,7,12,18,19. Cependant, afin de différencier l’existence de pools de CoQ fonctionnels partiellement segmentés, la surexpression de l’oxydase alternative (AOX) et la génération de mutants spécifiques de l’ADNmt, qui peuvent assembler l’IC en l’absence de CIII, ont été nécessaires ^1,19,20.

Le mécanisme de production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) pendant l’hypoxie était inconnu jusqu’à récemment. En cas d’hypoxie aiguë, l’IC subit la transition active/décactive (A/D), qui implique la diminution de son activité oxydoréductase de pompage H⁺ NADH-CoQ. Une telle diminution du pompage H⁺ acidifie la matrice mitochondriale et dissout partiellement les précipités de calcium-phosphate dans la matrice mitochondriale, libérant^{du Ca 2+} soluble. Cette augmentation du Ca²⁺ soluble active l’échangeur Na⁺/Ca²⁺ (NCLX), qui extrude le Ca²⁺ en échange de Na⁺. L’augmentation mitochondriale de Na⁺ interagit avec les phospholipides de la face interne de l’IMM, diminuant sa fluidité et son transfert de CoQ entre CII et CIII, produisant finalement un anion superoxyde, un signal redox²¹. Fait intéressant, le transfert de CoQ n’a diminué qu’entre CII et CIII, mais pas entre CI et CIII, soulignant que 1) Na⁺ n’était capable de moduler qu’un seul des pools de CoQ existants dans les mitochondries; 2) il existe des pools de CoQ fonctionnellement différenciés dans l’IMM. Ainsi, un protocole largement utilisé pour l’étude des activités enzymatiques mitochondriales peut être utilisé pour évaluer l’existence des pools de CoQ mentionnés.

Le protocole actuel est basé sur la mesure de la réduction du cyt c oxydé, le substrat de CIII, par absorbance en présence de succinate (c.-à-d. substrat CII) ou de NADH (c.-à-d. substrat CI). Le même échantillon est divisé en deux, dont l’un sera traité avec du KCl et l’autre avec la même concentration de NaCl. De cette façon, étant donné que Na⁺ diminue la fluidité de l’IMM, si la CoQ existait dans un pool unique dans l’IMM, CI+CIII et CII+CIII diminueraient en présence de Na⁺. Cependant, si la CoQ existait dans des pools de CoQ fonctionnels partiellement segmentés, l’effet de Na⁺ serait principalement (ou seulement) évident sur l’activité CII+CIII, mais pas sur l’IC+CIII. Comme récemment publié²¹, Na⁺ n’affecte que le transfert de CoQ entre CII et CIII (Figure 1C,D), mais pas entre CI et CIII (Figure 1A,B).

Ce protocole, ainsi qu’une panoplie de techniques, a été utilisé pour confirmer l’existence de pools de CoQ fonctionnels partiellement segmentés dans l’IMM, l’un dédié à l’IC (c.-à-d.^{le NAD} de CoQ) et l’autre aux enzymes liées à la DCP (c.-à-d. la^DCP de CoQ)^1,3,7; une observation qui, bien qu’elle continue d’être débattue²², a été corroborée indépendamment par plusieurs groupes ^7,19. Ainsi, le superassemblage de CI en supercomplexes a un impact sur la mobilité locale de la CoQ, facilitant son utilisation par le CIII au sein du supercomplexe ^{1,7,13,14,23,24,25}.