Cycle Q
# Cycle Q

Le cycle Q est un ensemble de réactions qui aboutissent au pompage de protons par la coenzyme Q-cytochrome c réductase, ou complexe III de la chaîne respiratoire, à travers une membrane biologique alors que des électrons traversent cette enzyme de la forme réduite de la coenzyme $Q_{10},$ l'ubiquinol $Q_{10}H_2,$ vers le cytochrome c. Il s'agit de deux réactions successives formant un cycle au cours duquel les deux électrons du $Q_{10}H_2$ sont transférés l'un après l'autre à une molécule de cytochrome c chacun.

La première réaction transfère le premier électron de l'ubiquinol $Q_{10}H_2$ à un ion ferrique $Fe^{3+}$ du cytochrome $c_1$ du complexe III réduit en ion ferreux $Fe^{2+}.$ Le second électron que $Q_{10}H_2$ est quant à lui transféré à une coenzyme $Q_{10}$ pour former le radical semiquinone $Q_{10}^{•–}.$ Une coenzyme $Q_{10}$ est ainsi utilisée comme récepteur intermédiaire d'électron tandis qu'une autre est libérée par l'oxydation de $Q_{10}H_2,$ ce qui fait disparaître $Q_{10}$ des deux termes de l'équation chimique ci-dessous :

    $Q_{10}H_2$ + $Fe^{3+}$ du cytochrome $c_1$ → $Q_{10}^{•–}$ + $Fe^{2+}$ du cytochrome $c_1$ + 2 $H^+_{intermembranaire}.$

Une seconde molécule de $Q_{10}H_2$ cède un électron à haut potentiel de transfert à un ion ferrique $Fe^{3+}$ du cytochrome $c_1$ à son tour converti en ion ferreux $Fe^{2+},$ et cède son second électron à l'intermédiaire réactionnel semiquinone $Q_{10}^{•–}$ issu de la première étape, qui redonne $Q_{10}H_2$ en absorbant deux protons $H^+$ de la matrice mitochondriale.

    $Q_{10}H_2$ + $Q_{10}^{•–}$ + 2 $H^+_{matriciel}$ + $Fe^{3+}$ du cytochrome $c_1$ → coenzyme $Q_{10}$ + $Q_{10}H_2$ + $Fe^{2+}$ du cytochrome $c_1$ + 2 $H^+_{intermembranaire}.$

Les électrons transmis aux cytochromes $c_1$ sont ensuite cédés chacun à un cytochrome c du côté intermembranaire. Ce mécanisme en deux étapes permet d'injecter quatre protons dans l'espace intermembranaire, au lieu de deux s'il s'était agi d'un mécanisme de transfert direct des deux électrons de $Q_{10}H_2$ chacun à un cytochrome $c_1.$

## Mécanisme

L'ubiquinol $Q_{10}H_2$ se lie au site $Q_o$ du complexe III par une liaison hydrogène avec les résidus d'His-182 de la protéine de Rieske et de Glu-272 du cytochrome b. La coenzyme $Q_{10}$ se lie quant à elle au site $Q_i$ du complexe III.

$Q_{10}H_2$ cède un premier électron au cluster fer-soufre de la protéine de Rieske et un second électron à l'hème $b_L,$ avec formation d'un intermédiaire réactionnel semiquinone $Q_{10}^{•–}$ :

* La protéine de Rieske réduite migre vers le cytochrome $c_1,$ à l'ion ferrique héminique duquel elle cède son électron. Cet électron est ensuite transféré à une molécule de cytochrome c oxydée liée au complexe III, qui est alors réduite et libérée. Ce faisant, la protéine de Rieske libère le proton lié au résidu d'His-181 dans l'espace intermembranaire mitochondrial.
* L'hème $b_L$ réduit cède, par l'intermédiaire de l'hème $b_H$ du cytochrome b, son électron à la coenzyme $Q_{10}$ liée au site $Q_i$ du complexe III. La coenzyme $Q_{10}$ est alors réduite en semiquinone $Q_{10}^{•–}.$ Le résidu de Glu-272 tourne ensuite de 170°, ce qui lui permet de transférer le proton qu'il a absorbé à une chaîne de molécules d'eau en se liant à cette dernière par une liaison hydrogène ; cette chaîne de molécules d'eau est par ailleurs liée au groupe propanoate de l'hème $b_L$ par une autre liaison hydrogène.

Une seconde itération permet d'expulser deux autres protons vers l'espace intermembranaire mitochondrial et de clore le cycle en réduisant la semiquinone $Q_{10}^{•–}$ formée à l'étape précédente par un électron issu de l'hème $b_H$ en provenance d'une seconde molécule d'ubiquinol $Q_{10}H_2$ liée au site $Q_o$ ; il se forme alors une troisième molécule d'ubiquinol $Q_{10}H_2$ liée cette fois au site $Q_i$ en absorbant deux protons de la matrice mitochondriale. Le cycle consomme donc deux molécules d'ubiquinol et en forme une troisième, ce qui revient à la conversion nette d'une molécule d'ubiquinol en coenzyme $Q_{10}.$

