Les espèces réactives de l’oxygène (ERO) jouent un rôle central dans de nombreux processus biologiques, mais leur surproduction ou leur déficit sont impliqués dans diverses pathologies. Les NADPH oxydases (NOX) forment une famille d’enzymes transmembranaires spécialisées dans la génération d’ERO et comprendre leur fonctionnement revêt donc une importance capitale. La réduction du dioxygène par les NOX découle d’une chaîne de transfert d’électrons (TE) par le biais de cofacteurs rédox (une flavine et deux hèmes). Si le processus global au sein des NOX est établi, les mécanismes moléculaires précis restent mal compris. La complexité structurale de ces enzymes et le manque de structures expérimentales détaillées expliquent en grande partie ces zones d’ombre.

L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre la cinétique des transferts d’électrons dans les NOX dans le cadre de la théorie de Marcus. Pour cela, nous avons utilisé des approches basées sur des simulations de dynamique moléculaire afin de déterminer les paramètres qui interviennent dans ces formalismes. L’accent a été mis sur l’isoforme humaine NOX5, récemment résolue par cryo-EM, ainsi que sur deux homologues bactériens : csNOX5 et spNOX.

Nous avons d’abord étudié en détail la thermodynamique du transfert inter-hèmes dans csNOX5 et hNOX5. L’analyse de la conformation protéique, de sa séquence en acides aminés et de la composition membranaire a révélé l’existence de mécanismes de compensation importants aboutissant à une énergie libre du transfert d’électron faible dans tous les systèmes étudiés. Un résultat marquant concerne le rôle de la composition de membrane et de l’asymétrie de répartition des lipides chargés (POPG), qui modifient de manière nette la contribution des feuillets membranaires au TE. Nos simulations mettent en évidence une instabilité de la flavine dans le modèle de csNOX5, remettant en question la pertinence biologique de ce modèle.

Enfin, nous avons caractérisé la cinétique des deux TE permettant à l’électron de traverser la membrane (le TE entre la flavine et l’hème interne, puis entre les deux hèmes) dans hNOX5 et spNOX. Cette partie s’appuie sur le calcul des énergies libres et des énergies de réorganisation de ces TE, ainsi que sur l’estimation des couplages entre les états électroniques impliqués, obtenue à partir du modèle des chemins de transfert d’électron. Nos études révèlent des caractéristiques très similaires entre les deux protéines pour le TE inter-hèmes en dépit d’une séquence primaire très différente. En revanche, le TE flavine-hème est très différent. L’évaluation des constantes de vitesse pour ces étapes fournit la première caractérisation complète de ces étapes de TE dans les NOX.

Pris dans leur ensemble, les résultats de cette thèse mettent en lumière l’équilibre subtil entre architecture protéique, composition membranaire et environnement ionique qui régule la production d’anions superoxyde par les NOX. Ce travail apporte des bases théoriques nouvelles pour mieux comprendre la fonction de ces enzymes complexes et ouvre la voie à l’étude d’autres isoformes ainsi qu’à de futures stratégies de modulation de leur activité.