LES MITOCHONDRIES : DESCRIPTION STRUCTURALE ET

LES MITOCHONDRIES :
DESCRIPTION STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE
Organites présents dans toutes les cellules eucaryotes
Ce sont des centrales énergétiques, elles mettent en réserve l'énergie.
Elles utilisent l'oxygène (98% de l'oxygène respiré).
I - Historique
1890 : Altman découvre dans les cellules très semblable en dimensions et aspects à des bactéries.
Il leur donne le nom de bioblastes.
1932 : Bensley isole les mitochondries à partir du foie de cobaye
1952-1953 : Palade et Sjostrand décrivent l'organisation générale des mitochondries, ave
cnotamment la présence de crête
1964-1695 Schatz/Nass : mettent en évidence l'ADN mitochondriale.
1996 : Liu et al décrivent le rôle des mitochondries dans l'apoptose.
II - Généralités
A. Généralités
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Chondriome (ensemble de mitochondries)
Ce sont des organites cytoplasmiques à double membrane
Elles sont présentes uniquement chez les eucaryotes.
Elles sont présentes dans tous les types cellulaires sauf les globules rouges.
Chaque cellule en contient plusieurs milliers (1 000 à 3 000) selon les types cellulaires
Elles interviennent dans la production énergétique de la cellule, notamment l'énergie
libérée par le catabolisme des aliments (glucides, protéines, lipides).
 Elles produisent des molécules d'ATP servant à stocker l'énergie.
 Elles possèdent leur propre génome, d'origine maternelle
 Elles se déplacent grâce aux interactions avec le cytosquelette.
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B. Aspect morphologique
1. En Microscopie Optique
 Elles ont des formes variables :


Globulaire
Filamenteuse
 Leur taille et leur forme varient en fonction du type cellulaire
 Ces cellules peuvent prendre une forme anormale lors d'intoxication alcoolique
2. En Microscopie Electronique
a. Modèles
2 modèles avaient été proposés, description tridimensionnelles de la mitochondrie : Palade et
Sjostrand.
 Selon Palade la membrane interne était irrégulière et s’invaginaient en forme de crête vers
l’intérieur de la mitochondrie, du côté matriciel.
 Selon Sjostrand, les crêtes sont des lamelles indépendantes de la membrane interne et sans
continuité.
La mitochondrie est de l’ordre du micromètre.
b. Réalité
En réalité, les mitochondries sont décrites ainsi : crêtes tubulaires et lamellaires qui coexistent. Ces
crêtes sont reliées par l’intermédiaire de jonctions à la membrane interne.
Les mitochondries sont visibles en MO après coloration mais leur structure interne n’est révélée que
par la ME.
La membrane interne s’invagine pour former des crêtes.
Entre les membranes externe et interne se trouve l’espace inter membranaire ou chambre externe.
C’est la membrane interne qui délimite une cavité centrale appelée matrice ou chambre interne.
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C. Localisation
On ne les trouve pas au même endroit selon le type cellulaire.
On les trouve en général dans les endroits de haute consommation d’énergie comme
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Au niveau du flagelle des spermatozoïdes (permet le mouvement).
Près des myofibrilles organisés sous formes de couches.
Au niveau des cellules sécrétrices de protéines, hormones… proche du RE.
Au niveau de la synapse on voit une accumulation importante de mitochondries, car il faut
de l’énergie au neurone pour stocker contre le gradient de concentration.
III - Constitution
A. Membrane externe
C'est une bicouche lipidique (5 à 7 nm d’épaisseur), dont la composition proche de celle de la
membrane plasmique.
Elle contient au moins 50% à 60% de protéines et moins de lipides (40 à 50%).
On note également la présence de porines : protéines transmembranaires constituant des pores
volumineux d’un diamètre de 2 à 3 nm et de 30 kDa formant des canaux aqueux.
Elles laissent passer les petites molécules hydrophiles dont la masse moléculaire est inférieure à 10
kDa (anions, cations, acides gras, nucléotides, pyruvate…)
Passage passif de petites molécules par la porine de la membrane externe
B. Espace inter-membranaire
C'est un espace épaisseur de 4 à 7 nm dense.
Il contient :
 Des protons H+ ayant un rôle dans la phosphorylation de l'ADP
 Des molécules de cytochrome c : rôle dans l'apoptose
 Des molécules dont le poids est inférieur à 10 kDa
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C. Membrane interne
C'est une bicouche lipidique de 5 à 6 nm.
L’organisation est différente de celle de la membrane externe.
En effet, on trouve une majorité de protéine (80%) et donc, 20% de lipides.
Les lipides sont riches en cardiolipine (diphosphatidylglycérol), phospholipide peu commun
conférant une forte imperméabilité aux protons.
Elle présente de nombreux replis appelés les crêtes mitochondriales se projetant dans la matrice.
Les replis membranaires ont pour but d’augmenter la surface de membrane interne (de 3 à 5 fois
ici).
Il y a beaucoup de transporteurs et complexes protéiques enzymatiques.
Cette membrane est faiblement fluide et les passages sont plus de type actifs.
L'ADP va vers la matrice alors que l'ATP part vers l'espace inter-membranaire.
On a des systèmes de symports avec des entrées de protons et de métabolites.
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D. Matrice mitochondriale
La chambre interne est limitée par la membrane interne.
Elle contient un matériel dense appelée la matrice mitochondriale, finement granuleux,
ressemblant à un gel.
Elle contient une concentration importante de protéine solubles et de micromolécules, ainsi que
des ribosomes que l'on appelle des mitoribosomes (ressemblant beaucoup à ceux des bactéries).
Elle renferme plusieurs copies d'ADN circulaire (ADN mitochondriale ou ADNmt).
On retrouve des ARN messagers et de transferts.
Elle présente des granulations denses et irrégulières due à la concentration de cations divalents
comme le Calcium et Magnésium.
Elle contient de nombreux systèmes enzymatiques :



Enzymes oxydant le pyruvate
Enzymes oxydant les acides gras
Enzymes appartenant au cycle de Krebs
IV. Division et fusion mitochondriale
A. Division mitochondriale
La mitochondrie a une durée de vie assez courte : 6 à 10 jours. Elles sont principalement détruites
par l’autophagie.
Elles ont donc besoin de se diviser.
Le mécanisme de division des mitochondries ressemble fortement à celui des bactérie
(segmentation).
La division est très rapide (1 min).
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B. Fusion
Les mitochondries peuvent fusionner en mitochondries plus grandes ou en structure plus ramifiées.
Ce phénomène participe à la restauration et réparation des mitochondries.
C. Fractionnement de mitochondries
On peut étudier les différentes parties des mitochondries en les fractionnant.
Pour cela on les place dans un milieu de faible osmolarité dit hypotonique.
L’intérieur devient donc hypertonique et l’eau entre donc dans la membrane provoquant un choc
osmotique (gonflement et rupture de la membrane externe), ce qui libère l’espace inter
membranaire que l’on obtient en centrifugeant le tout.
Le culot de membrane est re suspendue dans un milieu hypertonique ce qui contracte la membrane
interne puis on effectue une centrifugation en gradient de densité pour séparer la membrane
externe du reste.
On refait une centrifugation pour séparer la matrice de la membrane interne.
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V - L'ADN mitochondrial
A. Caractéristiques générale
 5 à 10 copies par mitochondries soit 5000 copies par cellules.
 La transmission est plutôt maternelle, on hérite des mitochondries de sa mère.
Néanmoins quelques mitochondries pénètrent dans l’ovule avec le spermatozoïde.
B. Protéines codées
 Il code un nombre limité de protéines :
 2 ARNr
 22 ARNt
 13 protéines de la membrane interne.
 Il est circulaire et bicaténaire, 16 569 Pb.
 L’ADN mitochondrial représente 1% de l’ADN cellulaire total
C. L'information génétique
 Il n’y a pas d’introns, les gènes sont dits contigus.
 La mitochondrie n’est pas bien équipée pour assurer la réparation génomique, elle sera donc le
siège de mutations fréquentes (10 fois supérieure à celui du génome nucléaire)
 Le code génétique est différent de celui de l’ADN nucléaire.
 Cet ADNmt code 37 gènes, information 100 000 fois inférieure quantitativement aux
informations de l’ADN nucléaire.
 L’ADN est formé par un brin lourd et un brin léger.
 Cet ADNmt est un outil pour les médecins légistes car avec assez peu de cellules ont est capable
de retrouver de l’ADNmt, pour reconnaitre des résidus humains.
D. Hétéroplasmie et homoplasmie
1. Phénomène d'hétéroplasmie
Toutes les mitochondries d’une cellule n’ont pas le même ADN.
2. Homoplasie
L’homoplasmie est le cas où toutes les mitochondries ont le même ADN.
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VI - Chaîne respiratoire
A. Généralités
La chaine respiratoire a différentes sous unités protéiques.
Les protéines de la chaine respiratoire sont à la fois codées par de l’ADNmt et de l’ADN nucléaire.
L'ADN nucléaire code pour 70 protéines de la membrane interne quand l'ADN mitochondrial code
pour 13 protéines de la membrane interne.
Les pathologies touchant les gènes codant ces protéines peuvent soit provenir de l’ADNmt ou
nucléaire.
Le mode de transmission est différent selon si c’est de l’ADNmt (héritage de la mère) ou nucléaire
(mendélien).
B. Importation des protéines dans les mitochondries
La majorité des protéines mitochondriales proviennent du cytoplasme : environ 500 protéines
Il existe un système d'import protéique avec un adressage précis (séquence d'adressage, pore de
translocation) qui font que ces protéines vont se retrouver dans un endroit précis de ces
mitochondries.
D. La chaîne respiratoire mitochondriale ou la phosphorylation oxydative
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1. Mécanisme général
La respiration cellulaire est un processus qui vise à créer de l’ATP.
La phosphorylation oxydative nécessite un système enzymatique formé de 5 complexes protéiques
dans la membrane interne des mitochondries.
Des électrons sont capturés à partir de molécules donneuses (NADH, H+ et FADH2) et circulent dans
ces complexes où se déroulent une série d’étapes d'oxydo-réductions générant de l’énergie sous
forme d’une force électromotrice.
L’énergie générée active des pompes à protons, générant eux même un gradient de protons hors de
la matrice (force proton-motrice).
On accumule ainsi des protons dans l’espace intermembranaire, c’est ce gradient de protons qui
sera utilisé pour produire de l’ATP par des ATP synthases qui fabriquent de l’ATP à partir d’une
molécule d’ADP.
Ce processus est associé à la consommation d’oxygène et à la production d’eau.
Les coenzymes NADH (complexe I) et FADH2 (complexe II) donnent leurs électrons aux complexes
respectifs.
2. Rôle de chaque complexe
Le complexe I catalyse le transfert d’une paire d’électrons du NADH et ce transfert libère
suffisamment d’énergie pour pomper, exporter 2 protons vers l’espace inter membranaire.
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L’ubiquinone transporte 2 électrons à la fois.
Le complexe III catalyse le transport d’électrons de l’ubiquinone au cytochrome c.
Le passage d’un électron au niveau du III entraine le pompage d’un proton supplémentaire.
Le cytochrome c transporte un électron à la fois du complexe III vers le IV.
Le complexe IV est la dernière étape du transport d’électrons dans la chaine respiratoire.
La réduction globale d’une molécule d’oxygène à lieu dans ce complexe IV, il va lui falloir 4
électrons, donc nécessite l’oxydation de 2 NADH et 4 protons.
On génère 2 molécules d’eau.
Ces deux molécules d’eau sont relarguées dans la matrice et 4 protons seront pompés de la matrice
vers l’espace inter membranaire.
3. Gradient de protons
La quantité d’énergie lors de chacune des combinaisons des électrons avec les complexes de la
chaine respiratoire est utilisée pour faire sortir les protons.
Ce transport de proton détermine un gradient de concentration de protons.
La face externe de la membrane interne devient positive alors que la face matricielle devient
négative.
L’ATP synthase utilise ce gradient de concentration pour synthétiser de l’ATP.
L’ATP synthase fonctionne comme une turbine électrique car c’est le passage de 3 protons qui
retournent vers la matrice qui est utilisé pour synthétiser une molécule d’ATP à partir d'une
molécule d'ADP.
E. Inhibiteurs de la respiration cellulaire
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Il existe plusieurs inhibiteurs de la respiration mitochondriale :
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La roténone (pesticide, insecticide) inhibiteur du complexe I
L’antimycine est un inhibiteur du complexe III
Le cyanure du complexe IV
L’oligomycine est un antibiotique inhibiteur du complexe V (ou ATP synthase)
F. D’où proviennent les substrats (NADH, H+ et FADH2) ?
Ils proviennent du métabolisme cellulaire (glycolyse, cycle de Krebs, la β-oxydation des acides gras).
VII - Autres rôle des mitochondries
A. Fonctions de synthèse
1 Mitochondries et synthèse d'hormone stéroïde
Participent, avec le réticulum endoplasmique à la biosynthèse des hormones stéroïdienne à partir
du cholestérol grâce à des cytochromes P450 mitochondriaux.
2. Production des précurseurs des acides aminés non essentiels
B. Régulation calcique
Les mitochondries, avec le réticulum endoplasmique sont les principaux réservoirs de calcium.
Ils régulent la concentration intracellulaire de calcium.
Ce sont des mécanismes mal connus.
Transport à travers des canaux ioniques (échangeurs Na+/Ca2+)
C. Mitochondrie et apoptose (mort cellulaire)
C'est un processus par laquelle les cellules déclenchent leur autodestruction en réponse à un signal.
On observe un gonflement de l'organite.
La concentration de calcium cytosolique augmente.
On va avoir une libération de molécules apoptogènes comme le cytochrome c ou les caspases,
entraînant la mort cellulaire.
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D. Implication dans le vieillissement
Ces mitochondries produisent des déchets dont certains sont très toxiques pour la cellule que l'on
appel les espèces réactives de l'oxygène : les ROS (radicaux libres).
A force, la cellule ne survit pas
E. Thermogenèse
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