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Acidithiobacillus ferrooxidans (A. f.) est un modèle bactérien parfaitement adapté à l’étude de la survie en milieu acide. Si plusieurs métalloprotéines ont été identifiées et caractérisées d’un point de vue biochimique, le fonctionnement de la chaîne respiratoire couplant l’oxydation du Fe(II) à la réduction de l’oxygène dans cet organisme n’est pas élucidée. Au cours de ce travail de thèse, après avoir optimisé les conditions de croissance de la bactérie et de production des protéines redox impliquées, nous avons reconstitué sur interface électrochimique une partie de la chaîne respiratoire d’A. f. dans le but de déterminer étape par étape le chemin de transfert d’électrons (TE). Notre attention s’est portée sur trois protéines qui interagissent dans la chaîne respiratoire: la cytochrome c oxidase (CcO), la cuprédoxine AcoP, qui copurifie avec la CcO mais de fonction inconnue, et un cytochrome dihémique (Cyt c4) proposé comme interagissant avec la CcO. La mise en évidence, puis la quantification d’un TE intermoléculaire entre le Cyt c4 et AcoP, puis entre le Cyt c4 et la CcO nous a permis de proposer un rôle pour AcoP et un nouveau chemin de TE vers la CcO. Nous avons ensuite étudié les propriétés électrochimiques de la CcO vis à vis de la réduction catalytique de l’O2, en particulier avec une forte affinité. Nous avons ainsi pu montrer que la CcO de A. f. réduisait l’O2 à des potentiels 500 mV plus anodiques que les CcO neutrophiles par une connexion directe de l’enzyme sur nanomatériaux carbonés. Affinité pour O2 et haut potentiel redox font de cette CcO une enzyme de choix pour développer une nouvelle génération de piles à combustible enzymatique. / Acidithiobacillus ferrooxidans is one of the most studied bacterial models to understand how to survive in an acid environment. Although several metalloproteins have been identified and characterized from a biochemical point of view, the electron transfer pathway (ET) of the respiratory chain coupling the oxidation of ferrous iron with the reduction of oxygen in this organism has not been elucidated.During this thesis work, after having optimized the growth conditions of the bacterium and the production of the redox proteins involved, we reconstituted on the electrochemical interface part of the respiratory chain of A. ferrooxidans for the purpose of determining step by step the ET. Our attention focused on three proteins that interact in the respiratory chain: cytochrome c oxidase (CcO), the cupredoxin AcoP, which co-purifies with CcO but of unknown function, and a cytochrome dihemic (Cyt c4) proposed as interacting with the CcO. The demonstration, then the quantification of an intermolecular ET between the Cyt c4 and AcoP, then between the Cyt c4 and the CcO allowed us to propose a role for AcoP and a new pathway for the ET to the CcO. We then studied the electrochemical properties of CcO with respect to the catalytic reduction of O2. We have demonstrated the strong affinity of this oxidase for O2. We have established the chemical functions required to obtain a direct wiring of the enzyme on carbon nanomaterials. This showed that A. ferrooxidans CcO reduced O2 at potentials 500 mV more anodic than neutrophilic CcOs. Affinity for O2 and high redox potential make this CcO an enzyme of choice to develop a new generation of enzymatic fuel cells.

Le domaine de la bioénérgétique traîte de la circulation et de la transformation de l’énergie dans et entre des organismes et leur environnement. Dans ce manuscrit de thèse, la respiration cellulaire et plus particulièrement la première enzyme de la chaîne respiratoire, la NADH:ubiquinone oxidoreductase (Complexe I) ont été étudiées, dans l’objectif de clarifier sa fonction et son implication dans certaines maladies. Dans une première partie, la création d’une sonde impliquant l’enzyme immobilisée de façon biomimétique est décrite. La caractérisation de ce système est effectuée via spectroscopie infrarouge par exaltation de surface (SEIRAS) couplée à de l’électrochimie. Sa réponse à l’ajout de substrats et d’inhibiteurs est ensuite présentée. Dans une seconde partie, l’interaction du Complexe I avec des lipides et des inhibiteurs (Zn2+ et NADH-OH) ainsi que le rôle d’une Tyrosine située au site de fixation du NADH ont été étudiés par spectroscopies IR et UV-Vis différentielles induites par électrochimie. L’exploration des résultats obtenus sous un angle structural a finalement permis de proposer un modèle pour le mécanisme de couplage entre la réduction d’ubiquinone et le pompage de protons par le Complexe I. / The field of bioenergetics deals with the flow and transformation of energy within and between living organisms and their environment. The work presented in this thesis report focuses on cellular respiration and more specifically on the first enzyme of the respiratory chain, NADH:ubiquinone oxidoreductase (Complex I). This was done to clarify details about its function and its implication in disease. First, the creation of a sensor involving the biomimetically immobilized enzyme is presented and probed through a combination of surface enhanced infrared absorption spectroscopy (SEIRAS) and electrochemistry. This sensor is then tested against different substrates and inhibitors. In a second part, the interaction of Complex I with lipids, inhibitors (Zn2+ and NADH-OH) and the role of a Tyrosine residue situated in the NADH binding pocket are investigated through electrochemically induced UV-Vis and FTIR difference spectroscopies. The results gathered through these experiments are then explored under a structural perspective and a coupling mechanism between quinone reduction and proton translocation by Complex I is proposed.

Le pore de transition de perméabilité mitochondriale (PTPm) joue un rôle majeur dans la mort cellulaire et dans la cardioprotection. Notre hypothèse est que le complexe I de la chaîne respiratoire est impliqué dans la régulation de l’ouverture du PTPm. Sur des mitochondries isolées de cœurs des rongeurs, nous avons pu démontrer que le PTPm est désensibilisé par la cyclosporine A, un inhibiteur de la cyclophiline D (CyP-D), et cet effet est largement amplifié en présence de la roténone, un inhibiteur du complexe I. Ces résultats ont été confirmés chez la souris CyP-D déficiente. L’étude de plusieurs types cellulaires a aussi confirmé l’effet de la roténone dans la régulation du PTPm. Ainsi, nous avons pu montrer que le flux d’électrons travers le complexe I est capable de réagir sur un site de régulation du PTPm cardiaque masqué par la CyP-D. De plus, les analogues de l’ubiquinone, élément de la chaîne respiratoire impliqué dans le transfert d’électrons entre les complexes I, II et III, modulent la susceptibilité du PTPm vis-à-vis du Ca2+. Par ailleurs, dans un modèle de cœur isolé du rat, le postconditionnement par le perindoprilate, un inhibiteur de l’enzyme de conversion, diminue la taille de l’infarctus après l’ischémie-reperfusion d’une façon NO-dépendant. L’ensemble de nos résultats ouvre de nouvelles perspectives thérapeutiques dans la cardioprotection et montre l’importance du complexe I et de la CyP-D comme cibles moléculaires incontournables dans la cardioprotection / The mitochondrial permeability transition pore (mPTP) plays an important role in cell death and cardioprotection. Our hypothesis is that the complex I of mitochondrial respiratory chain regulates the opening of mPTP. We showed that the opening of mPTP was inhibited by Cyclosporin A (CsA), a cyclophilin D (CyP-D) inhibitor, in mitochondria isolated from rodent heart, and this effect was largely amplified by rotenone, a complex I inhibitor. These results were confirmed in mitochondria devoid of CyP-D. A study realised in several cell lines also confirmed the effect of rotenone in mPTP regulation. We concluded that the electron flow through the respiratory chain complex I regulate mPTP opening and the regulatory site is masked by CyP-D in cardiac mitochondria. Moreover, two analogues of ubiquinone, mobile carrier of electrons between complex I, II and complex III, modulate the susceptibility of mPTP. In addition, in a model of isolated rat heart, postconditioning with Perindoprilat, an angiotensin converting enzyme inhibitor, protects the heart from ischemia-reperfusion injury in an NO-dependant manner. The findings of the present work put new therapic perspectives in cardioprotection