Mitochondria are cell organelles which play an essential role in the cell energy supply providing the universal high energetic molecule ATP which is used in numerous energy consuming processes. The core of the ATP production, oxidative phosphorylation (OXPHOS) consists of four enzyme complexes (respiratory chain) which establish, driven by redox reactions, a proton gradient over the inner mitochondrial membrane. The ATP-synthase uses this electrochemical gradient to phosphorylate ADP to ATP. Dysfunctioning of an OXPHOS complex can have severe consequences for the energy metabolism and cause rare but incurable dysfunctions in particular tissues with a high energy demand such as brain, heart, kidney and skeleton muscle. Moreover mitochondria are linked to widespread diseases like diabetes, cancer, Alzheimer and Parkinson. Further, reactive oxygen species which are a by-product of the respiratory chain, are supposed to play a crucial role in aging. The aim of this work is to provide a realistic model of OXPHOS which shall help understanding and predicting the interactions within the OXPHOS and how a local defect (enzyme deficiency or modification) is expressed globally in mitochondrial oxygen consumption and ATP synthesis. Therefore we chose a bottom-up approach. In a first step different types of rate equations were analyzed regarding their ability to describe the steady state kinetics of the isolated respiratory chain complexes in the absence of the proton gradient. Here Michaelis-Menten like rate equations were revealed to be appropriate for describing their behavior over a wide range of substrate and product concentrations. For the validation of the equations and the parameter estimation we have performed kinetic measurements on bovine heart submitochondrial particles. The next step consisted in the incorporation of the proton gradient into the rate equations, distributing its influence among the kinetic parameters such that reasonable rates were obtained in the range of physiological electrochemical potential differences. In the third step, these new individual kinetic rate expressions for the OXPHOS complexes were integrated in a global model of oxidative phosphorylation. The new model could fit interrelated data of oxygen consumption, the transmembrane potential and the redox state of electron carriers. Furthermore, flux inhibitor titration curves can be well reproduced, which validates its global responses to local effects. This model may be of great help to understand the increasingly recognized role of mitochondria in many cell processes and diseases as illustrated by some simulations proposed in this work. / Les mitochondries sont l’usine à énergie de la cellule. Elles synthétisent l’ATP à partir d’une succession de réactions d’oxydo-réduction catalysées par quatre complexes respiratoires qui forment la chaîne respiratoire. Avec la machinerie de synthèse d’ATP l’ensemble constitue les oxydations phosphorylantes (OXPHOS). Le but de ce travail est de bâtir un modèle des OXPHOS basé sur des équations de vitesse simples mais thermodynamiquement correctes, représentant l’activité des complexes de la chaîne respiratoire (équations de type Michaelis- Menten). Les paramètres cinétiques de ces équations sont identifiés en utilisant les cinétiques expérimentales de ces complexes respiratoires réalisées en absence de gradient de proton. La phase la plus délicate de ce travail a résidé dans l’introduction du gradient de protons dans ces équations. Nous avons trouvé que la meilleure manière était de distribuer l’effet du gradient de proton sous forme d’une loi exponentielle sur l’ensemble des paramètres, Vmax et Km pour les substrats et les produits. De cette manière, j’ai montré qu’il était possible de représenter les variations d’oxygène, de ΔΨ et de ΔpH trouvés dans la littérature. De plus, contrairement aux autres modèles, il fut possible de simuler les courbes de seuil observées expérimentalement lors de la titration du flux de respiration par l’inhibiteur d’un complexe respiratoire donné.Ce modèle pourra présenter un très grand intérêt pour comprendre le rôle de mieux en mieux reconnu des mitochondries dans de nombreux processus cellulaires, tels que la production d’espèces réactives de l’oxygène, le vieillissement, le diabète, le cancer, les pathologies mitochondriales etc. comme l’illustrent un certain nombre de prédictions présentées dans ce travail.

La transglutaminase tissulaire (TG2) est une enzyme de la famille des transglutaminases (EC 2.3.2.13) qui est exprimée de manière ubiquitaire chez les mammifères. Cette enzyme catalyse la formation d'une liaison amide intra- ou intermoléculaire entre un résidu glutamine et un résidu lysine. Ce processus biologique conduit à la modification post-traductionnelle des protéines. Un nombre croissant de publications associe la surexpression de cette enzyme et la déréglementation de son activité, avec un certain nombre de pathologiques humaines telles que les maladies neurodégénératives (maladie d’Alzheimer, maladie de Huntington, maladie de Parkinson), la fibrose tissulaire, certains cancers et la maladie cœliaque. Le développement d'inhibiteurs puissants et sélectifs de la TG2 est primordial pour identifier soit des outils pharmacologiques pour comprendre les processus biologiques dépendant de cette enzyme ou soit des candidats médicaments pour traiter les pathologies liées à la surexpression de la TG2. La majorité des composés inhibiteurs synthétisés jusqu'à présent agissent en bloquant de manière irréversible la réaction de transamidification de la TG2 en ciblant spécifiquement la cystéine 277 présente dans le site actif de la TG2.L’objectif de ce travail a été d’identifier et de sélectionner des molécules de faible poids moléculaire inhibant de façon sélective et puissante l’activité de transamidification de la TG2. Nous présenterons l’optimisation de deux séries originales de composés (synthèse, études de relation de structure-activité) comportant un noyau aromatique central de type naphtalénique ou indolique et une fonction acrylamide comme accepteur de Michael pour piéger la fonction thiol de la cystéine 277. Un certain nombre de composés synthétisés montre une inhibition nanomolaire de la TG2 (IC50 = 1.7-6 nM) avec un excellent profil de sélectivité vis-à-vis de TG1, TG6 et FXIIIa (IC50 > 10 µM). Ces inhibiteurs inhibent efficacement la TG2 dans des extraits de tissus et de cellules. Aucune toxicité apparente n’a été observée pour des concentrations inférieures à 10 µM d’inhibiteur sur les lignées vSMCs et SH-SY5Y. Les valeurs de KI, kinact et kinact/KI ont été également déterminés sur deux inhibiteurs sélectionnés (23b et 78f) pour leurs activités biologiques. La formation d’une liaison covalente entre la cystéine 277 de la TG2 et ces deux inhibiteurs a été prouvée par digestion trypsique suivie d’une analyse LC-MS/MS / Tissue transglutaminase (TG2) is a ubiquitously expressed enzyme of the mammalian transglutaminase (TG) family which catalyzes the formation of an intra- or inter-molecular isopeptide bond between a glutamine and a lysine, leading to the post-translational modification of proteins. An increasing number of literature has associated the over-expression of this enzyme, and the deregulation of its activity, with a number of human physio-pathological states like neurodegenerative disorders (Alzheimer’s disease, Huntington’s disease, Parkinson’s disease), tissue fibrosis, certain cancers, and celiac disease. The development of potent and selective TG2 inhibitors has become primordial to reach either a pharmacological probe, to understand the biological processes that depend on this enzyme, or a drug candidate, to treat the pathologies related with its overexpression. The majority of the inhibitory compounds synthesized so far act by irreversibly blocking the transamidation reaction of TG2. These TG2 inhibitors specifically target the cysteine 277 present in the TG2 active site. The aim of this work was the identification and selection of new potent and selective small molecules to inhibit the TG2 transamidation activity. We present the optimization of two new series of compounds (synthesis, structure-activity relationship studies) bearing naphthalene or indole aromatic rings as the central backbone structure. Both series present an acrylamide group as the Michael acceptor in order to react with the thiol group of cysteine 277. Several of the synthesized compounds showed a nanomolar inhibition over TG2 (1.7-6 nM) with an excellent selectivity profile over TG1, TG6 and FXIIIa (IC50 > 10 µM). These inhibitors showed high specificity on inhibiting TG2 in tissue and cell extracts. No apparent toxicity up to 10 µM was observed in vSMCs and SH-SY5Y cell lines. Their KI, kinact et kinact/KI were also determined on two selected inhibitors (23b and 78f) for their biological activities. The formation of a covalent bond between the cysteine 277 of TG2 and these two inhibitors was proven by tryptic digestion followed by LC-MS/MS analysis