Chloroplastes et Mitochondries A- 1. Introduction : Les plastes
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A- Structure, ultrastructure, composition biochimique et biogenèse des chloroplastes 1. Introduction : Les plastes Certains organes des plantes renferment des plastes qui sont des organites limitées par une double membrane. Parmi ces plastes, on distingue celles qui renferment des pigments photosynthétiques capables de transformer l’énergie solaire en énergie chimique par un processus nommé « Photosynthèse ». Tous les organes végétaux renferment des plastes, qui sont issues des proplastes qui sont de structure simple et non différenciés que l’on trouve généralement dans les méristèmes. Le plaste est un organite cellulaire possédant un ADN propre, il est di semi-autonome. Un plaste possède une membrane interne et une membrane externe qui forment l’enveloppe plastidiale. On le rencontre dans les cellules eucaryotes de tous les végétaux chlorophylliens (algues et plantes). Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université de Batna -2). Chloroplastes et Mitochondries • Les proplastes sont des petits organites spécifiques des cellules végétales de structure simple et non différenciés que l'on trouve généralement dans les méristèmes. • Les chloroplastes sont des organites présents dans le cytoplasme des cellules végétales. Ils sont sensibles aux expositions des différentes ondes du spectre lumineux. Par l'intermédiaire de la chlorophylle qu'ils possèdent. • Les étioplastes sont soit des chloroplastes pas encore différenciés, soit des chloroplastes étiolés par manque de lumière. Ils sont généralement rencontrés dans les plantes ayant poussé à l'obscurité. • Un chromoplaste est un organite observé dans les cellules des organes végétaux riches en pigments non chlorophylliens, comme les xanthophylles, les carotènes, colorés de jaune à orange (par exemple les cellules de pétales de fleurs). 1 Batna -2). de Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université – et Mitochondrie Chloroplaste – Master 1 Cours • Les leucoplastes représentent une catégorie de plastes, N'ayant pas de pigments, les leucoplastes ne sont pas verts, ce qui suggère une localisation dans les racines et dans les tissus non photosynthétiques. Ils peuvent se spécialiser pour stocker des réserves d'amidon, de lipides ou de protéines, ils sont alors respectivement appelés amyloplastes, oléoplastes, ou protéinoplastes. • Un amyloplaste est un plaste qui s'est spécialisé dans le stockage de l'amidon. Il est présent en particulier dans les cellules des organes de réserves, comme les tiges souterraines hypertrophiées (tubercules) de pomme de terre. • Les oléoplastes sont des organites spécifiques des cellules végétales spécialisés dans le stockage des lipides, essentiellement sous forme de plastoglobules (gouttelettes lipidiques sphériques). • Les protéinoplastes (parfois appelés protéoplastes, aleuroplastes, ou aleuronaplastes) sont des organites spécialisés et spécifiques des cellules végétales. Ils contiennent des corps cristallins de protéines dont certaines peuvent être des enzymes. Les protéinoplastes sont présents dans de nombreuses graines, telles que les cacahuètes. L’interconversion plastidiale Un plaste peut changer de type. C’est le processus d’interconversion plastidiale. Par exemple : Un leucoplaste de pomme de terre peut se transformer en chloroplaste à la lumière ; un chloroplaste de citron devient chromoplaste au cours aturation du fruit. 2 de Batna -2). 2. Les chloroplastes Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université 3 Schéma Chloroplastes Le chloroplaste est un organite semi-autonome de la cellule végétale, il possède donc, comme la mitochondrie, son propre matériel génétique, ainsi qu’une double membrane phospholipidique (membrane externe et membrane interne). La membrane externe est une double couche phospholipidique formée comme toute membrane biologique de phospholipides et de protéines. Elle a la propriété d’être relativement perméable. La membrane interne a, contrairement à la précédente, la propriété d’être peu perméable et de présenter des replis appelés des thylakoïdes. Ces replis sont soit empilés et forment des granas (un granum = thylakoïde granaire), soit isolés (= thylakoïde somatique). La membrane interne est la plus intéressante pour la photosynthèse et délimite la partie interne du chloroplaste, le stroma. La membrane présente des acides gras insaturés qui assurent la fluidité membranaire, et des pigments (chlorophylle et caroténoïde) souvent associés à des protéines. Des structures transmembranaires permettent la formation de complexes protéiques associés à la chlorophylle que l’on appelle des photosystèmes (PSI et PSII). Batna -2). de 3. Isolement et purification des chloroplastes - Fractionnement des chloroplastes 3.1. Isolement et purification des chloroplastes L'étude du chloroplaste entier "in vivo" ne permet pas d'analyser avec précision leur fonctionnement et leur composition biochimique. Aussi, est-il nécessaire d'isoler des fractions pures de chloroplastes en bon état pour éviter toute contamination par d'autres organites (mitochondries, par exemple). Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université 4 Protocole schématique d'isolement de chloroplastes. A partir de ce protocole, diverses procédures de purification permettent de séparer les chloroplastes "cassés" des chloroplastes intacts, physiologiquement actifs. Batna -2). de Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université – et Mitochondrie Chloroplaste – Master 1 Cours 5 Fraction brute de chloroplastes isolés observés en contraste de phase. Les chloroplastes intacts pourvus de leur enveloppe apparaissent brillants. Les chloroplastes "cassés" dépourvus de leur enveloppe apparaissent sombres. La séparation des chloroplastes intacts et "cassés" peut se faire sur le principe suivant, en utilisant leur différence de densité. Le culot de la fraction brute de chloroplastes est remis en suspension dans le tampon. On prépare des tubes à centrifugation contenant deux couches de saccharose de concentration différente (46 et 50%). La suspension de chloroplastes est ajoutée et les tubes sont centrifugés. Les chloroplastes "cassés" et intacts se séparent selon leur densité. Chloroplastes "cassés". Ils ont perdu leur intégrité. En particulier, leur enveloppe a disparu. Chloroplastes intacts. Leur ultrastructure est semblable à celle qu'ils avaient "in situ". 6 Fraction purifiée de chloroplastes. A partir de la fraction pure de chloroplastes intacts de plantules de maïs, il est possible de séparer les différents constituants : Séparation des thylacoïdes granaires à partir de chloroplastes isolés. Le granum conserve sa forme. Seuls les thylacoïdes externes, dont une face n'est pas accolée, se vésicularisent. Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université de Batna -2). 3.2. Fractionnement des chloroplastes A gauche : Séparation des thylacoïdes intergranaires. Après isolement, les thylacoïdes lamellaires se vésicularisent et prennent des formes sphériques, en l'absence de contraintes mécaniques. A droite : Séparation de plastoglobules. Généralités Un chloroplaste mesure de 5 à 10 µm. L'intérieur d'un thylakoïde est appelé lumière. La double membrane permet une régulation des échanges. Le stroma joue un rôle important dans la fixation du carbone. Les thylakoïdes servent à la phase photochimique. La membrane externe du plaste ne permet pas une grande sélectivité des particules échangées avec le cytoplasme, tandis que la membrane interne est responsable d'une régulation stricte de ces échanges. Le pH du stroma est de 8. Il contient aussi les protéines nécessaires à la transcription/traduction du matériel génétique chloroplastique ainsi que le système enzymatique nécessaire à l'assimilation du carbone (cycle de Calvin). Présence de Ribulose Biphosphate Carboxylase Oxygénase (RubisCO) – 50% des protéines du stroma (possède 16 sous-unités : 8 petites et 8 grandes – protéine la plus représentée sur Terre). On sait que les chloroplastes n’ont pas de position définie dans la cellule végétale. Au contraire, ils peuvent être sujets à des mouvements. Globalement, les chloroplastes sont répartis de façon équilibrée dans le cytoplasme périphérique en conditions d’éclairement normal. Si on les soumet une lumière directionnelle, les chloroplastes vont se positionner de façon à recevoir le moins de lumière possible, et donc à ne pas être endommagés par cet excès de lumière via la photo-oxydation. Chez les algues, l’exemple est très marqué chez Mougeaotia. Cette algue possède un seul plaste parallélépipédique, qui peut s’incliner. Ces mouvements permettent une optimisation, et se font avec des interactions entre les protéines du cytosquelette, microtubules, et les membranes plasmiques. On note que les radiations efficaces pour activer ces mouvements sont de couleur bleue, pour lesquels on a mis en évidence les photorécepteurs associés. Ce sont les phototropines, molécules activées dans ces longueurs d’onde, entrainant une cascade de signal qui aboutira au mouvement des chloroplastes. 5. Les pigments photosynthétiques Les végétaux possèdent trois types de pigments photosynthétiques, les chlorophylles et les caroténoïdes présents chez tous les végétaux autotrophes au carbone, et les phycobilines présents exclusivement chez les algues et les cyanobactéries. 5.1. Extraction et séparation des pigments Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université de Batna -2). 4. Mouvement des chloroplastes Extraction des pigments bruts : la feuille est broyée dans de l'alcool absolu ou de l'acétone. Les pigments solubles dans les solvants organiques sont extraits. Après filtration pour éliminer les débris cellulaires, on obtient une solution brute de pigments. 7 Batna -2). Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université de Les chlorophylles et les caroténoïdes sont solubles dans des solvants organiques et peuvent donc être séparés à l'aide de solvants ou de mélanges de solvants des lipides. Ces molécules sont dites liposolubles. Il est alors possible de séparer les différents pigments de la solution brute. Une méthode simple, essentiellement qualitative, peut être réalisée par une chromatographie sur papier. 8 Chromatographie sur papier : on dépose une goutte de pigments bruts sur une feuille de papier. On place la feuille de papier dans un récipient hermétique dans lequel on a placé un solvant approprié. Le solvant monte dans la feuille par capillarité en entraînant les pigments de manière différentielle selon leur affinité avec le solvant. On peut distinguer ainsi deux catégories principales de pigments : les chlorophylles (vertes) et les caroténoïdes (jaunes). Remarque : les pigments extraits ainsi sont purs. Dans la feuille, ils étaient associés à des protéines dans les thylacoïdes des chloroplastes. Un pigment photosynthétique est une substance qui absorbe la lumière visible. La notion de pigment est donc liée à la vision humaine. Un pigment noir ne renvoie aucune radiation, il absorbe tout. Un pigment rouge laisse passer les radiations rouges, il absorbe donc toutes les radiations sauf le rouge: un pigment possède la couleur des radiations qu'il n'absorbe pas (tableau 1). La chlorophylle nous apparaît verte sous un éclairement solaire blanc (mélange de jaune, de bleu et de rouge) parce qu’elle absorbe les radiations complémentaires du vert, c’est-à-dire essentiellement le rouge. Les pigments considérés ici sont les seuls pigments responsables de la capture de l’énergie lumineuse utilisable lors de la photosynthèse. Ces pigments sont essentiellement les chlorophylles a et b présentes dans tous les végétaux verts terrestres et chez certaines algues vertes. Ces chlorophylles sont aisément séparées et facilement caractérisées. On trouve la chlorophylle c chez les algues brunes (l’on peut même distinguer c1 et c2) la chlorophylle d chez les algues rouges et la chlorophylle e chez le groupe plus exotique des Xanthophycées. On a mis en évidence dans les années 1980 une forme particulière de la chlorophylle la divynil-chlorophylle chez les plus petits Eucaryotes connues (sensiblement 1 µm de diamètre). Type de pigment Maximums D'absorption (nm) (dans les solvants organiques) Espèces contenant le pigment 420.600 435.643 445.625 450.690 Toutes les plantes supérieures et les algues. Toutes les plantes supérieures, algues vertes.. Diatomées et algues brunes. Algues rouges. 425.450.480 420.440.490 425.445.475 425.450.475 425.450.475 Plantes supérieures et la plupart des algues. La plupart des plantes et quelques algues. Algues vertes, rouges et plantes supérieures. Plantes supérieures. Diatomées et algues brunes. 490.546.576 618 Algues rouges et certaines algues bleues vert. Algues bleu vert et certaines algues rouges. Chlorophylles Chlorophylle a Chlorophylle b Chlorophylle c Chlorophylle d Caroténoïdes carotène carotène Lutéol Violaxanthol Fucoxanthol Phycobilines Phycoérythrines Phycocianines Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université de Batna -2). Caractéristique d'absorptions des différents pigments assimilateurs : En plus des chlorophylles les organismes photosynthétiques contiennent 1 ou plusieurs pigments organiques, capables d’absorber les rayonnements visibles : ce sont les Caroténoïdes et les Phycobilines. 6. La photosynthèse et l’ultrastructure du chloroplaste La photosynthèse comporte deux suites de réactions, une phase photochimique (phase claire) où l'énergie lumineuse est convertie en énergie chimique dans une molécule relais : ATP, et une phase non photochimique (phase sombre) où l'énergie convertie sert à transformer le dioxyde de carbone en sucres (trioses puis hexoses, notamment glucose et fructose). Les réactions qui permettent la transformation du dioxyde de carbone en sucre forment une suite de réactions appelées cycle de Calvin. Ce cycle existe chez toutes les plantes photosynthétiques et la première molécule formée est un acide organique à 3 Carbones, l'acide phosphoglycérique, d'où le nom de plante en C3 pour les plantes qui ne font que le cycle de Calvin. a. Principe L'ensemble structural impliqué dans la photosynthèse est appelé photosystème: Ce sont des groupes de plusieurs centaines de molécules de chlorophylles contenues dans un thylacoïde (unité structurale composée de sacs et de vésicules) où a lieu la photosynthèse. 9 Batna -2). de Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université – et Mitochondrie Chloroplaste – Master 1 Cours Les eucaryotes (organismes dont les cellules ont un noyau individualisé) ont deux types de photosystème : I et II (respectivement P700 et P680).Les pigments accessoires absorbent la lumière et transmettent l'énergie de molécule en molécule de la périphérie du système jusqu'au centre réactionnel qui comprend une paire de molécules de chlorophylle (a) spécialisées. Ces molécules sont les seules qui, lorsqu'elles sont éditées par les photons, peuvent donner des électrons à l'accepteur d'électron. Les électrons excités par la lumière seront acceptés par des molécules appartenant à une chaîne de transport d'électrons .Ces réactions se font dans les membranes des thylakoïdes et sont appelées "réactions photochimiques". b. Les réactions de la photosynthèse La photosynthèse se déroule en deux phases: la première comprend les "réactions lumineuses", qui nécessitent la présence de lumière pour se produire; la seconde réunit les " réactions obscures ", qui peuvent se dérouler en l'absence de lumière. Réactions lumineuses Les réactions lumineuses (Fig. 1) s'effectuent dans les organites de la cellule végétale, les chloroplastes, et plus précisément dans les thylacoïdes, replis de la membrane chloroplastique interne. Les thylacoïdes contiennent les pigments et les enzymes indispensables aux réactions lumineuses. Les pigments, chlorophylles, caroténoïdes et phycoérythrines, y sont organisés en sous unités, les photosystèmes. Deux photosystèmes, numérotés I et II, ont été identifiés à ce jour. L'énergie lumineuse est tout d'abord piégée par le photosystème II, propulse des électrons vers un accepteur d'électrons. Leur remplacement dans le photosystème II est assuré par des électrons provenant de molécules d'eau, et de l'oxygène est alors libéré. Les électrons sont transférés sur une chaîne de transport vers le photosystème I, et de l'ATP riche ne énergie est synthétisé au cours du processus. Transportés de pigment en enzyme, les électrons sont utilisés pour réduire le coenzyme nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP), avec production de NADP réduite ou NADPH2 (voir oxydoréduction). Les électrons perdus par le photosystème I sont remplacés par ceux qui reviennent du photosystème II par la chaîne de transport. La chaîne de réactions lumineuses se termine par le stockage de l’énergie lumineuse sous forme chimique : ATP et NADPH2. Ainsi, la première réaction de la photosynthèse, qui se produit le long du photosystème II fournit à la seconde des électrons et des ions hydrogène (H+), ou protons, grâce à la scission de la molécule d’eau, avec production d’oxygène. Le transport des électrons le long de la chaîne va permettre la fixation des protons sur une molécule, le NADP, pour donner du NADPH + H+. Les réactions lumineuses engendrent aussi la synthèse d’ATP, une molécule hautement énergétique, à partir d’ADP et de phosphate (P). L’enzyme responsable de cette réaction est l’ATP synthétase (elle est activée par le passage de protons de l’intérieur du chloroplaste vers le cytoplasme de la cellule). L’équation qui caractérise la phase lumineuse est la suivante : 12H2O + 12 NADP+ + 12(ADP + P) → 6O2 + 12(NADPH + H+) + 12 ATP. Le nombre d’ATP produit par les réactions lumineuses est en fait variable, 12 étant un chiffre moyen. C’est pourquoi on écrit généralement : 12H2O + 12 NADP+ + n (ADP + P) → 6O2 + 12(NADPH + H+) + nATP. L’intensité des réactions lumineuses peut être augmentée par accroissement de l’intensité lumineuse, jusqu’à un certain seuil, variable selon que la plante est une plante d’ombre (sciaphile) ou une plante de lumière (héliophile). 10 Batna -2). de Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université – et Mitochondrie Chloroplaste – Master 1 Cours 11 Fig. 1 - Schéma global des réactions lumineuses de la photosynthèse Réactions obscures Les réactions obscures (Fig. 2) ont lieu dans le stroma (matrice) du chloroplaste, où l’énergie stockée sous forme d’ATP et de NADPH2 est utilisée pour réduire le dioxyde de carbone (CO2) en carbone organique, sous forme de glucide. Elles vont permettre à la cellule végétale de synthétiser, par exemple, du glucose (C 6H12O6) et de libérer du dioxyde de carbone, à partir de l’énergie chimique fournie par les réactions lumineuses. L’équation globale de ces réactions est la suivante : 18 ATP + 12(NADPH + H+) + 6CO2 → 18(ADP + P) + 12NADP+ 6H2O + C6H12O6. La phase obscure se réalise par le biais d’une série de réactions connue sous le nom de cycle de Calvin (ou cycle de Calvin-Benson), alimenté par l’ATP et le NADPH2. Chaque tour de ce cycle consomme trois molécules de CO 2. Celles-ci se combinent avec trois molécules d’un sucre à cinq atomes de carbone, appelé RudiP (ribulose 1,5-diphosphate), ce qui aboutit à trois molécules à six carbones. Ces dernières se scindent en deux, pour former six molécules de 3-phosphoglycérate (PGA), un composé à trois carbones. C’est la raison pour laquelle cette photosynthèse, la plus « classique », est dite en C3. Cette réaction est réalisée par une enzyme particulière, la RudiP-carboxylase, ou rubisco, enzyme la plus abondante de la biosphère. Les six molécules de phosphoglycérate sont ensuite transformées par les réactions suivantes, avec consommation de 6 ATP et 6 NADPH2. Batna -2). de Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université – et Mitochondrie Chloroplaste – Master 1 Cours 12 Fig. 2 - Schéma global des réactions obscures de la photosynthèse Ces réactions aboutissent à la production de six molécules de glycéraldéhyde-3-phosphate (composé à trois carbones). Cinq d’entre elles servent à la poursuite du cycle : elles sont recyclées en trois molécules de RudiP (avec consommation de 3 ATP). La dernière sort du cycle, pour servir, en particulier, à la fabrication de sucres. Chaque tour de cycle (qui consomme au final 3CO2, 9ATP et 6 NADPH2) aboutit donc à une production nette d’une molécule de glycéraldéhyde-3-phosphate, à trois carbones. Deux molécules de glycéraldéhyde-3-phosphate sont ensuite combinées pour synthétiser une molécule de glucose. L’intensité des réactions obscures peut être augmentée par accroissement de la température. L’optimum se situe vers 30 °C pour les plantes des climats tempérés et vers 40°C pour quelques plantes tropicales. C. Devenir des produits de la photosynthèse L’effet de piège de la photosynthèse consiste en la capture temporaire de l’énergie lumineuse, grâce aux réactions lumineuses (sous la forme de molécules chimiques hautement énergétiques (ATP et NADPH), puis en sa fixation permanente sous forme de glucides (glucose en particulier) grâce aux réactions obscures. L’équation complète et équilibrée de la photosynthèse dans laquelle l’eau intervient comme donneur d’électrons est : 6CO2 + 12H2O → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. Les glucides élaborés par le processus de la photosynthèse ont plusieurs devenirs. Ils peuvent, d’une part, être transportés dans la plante et utilisés comme source d’énergie dans divers processus métaboliques. D’autre part, ils peuvent être stockés, dans les chloroplastes, sous forme d’une macromolécule, l’amidon, qui constitue la réserve énergétique végétale (chez les animaux, la molécule de stockage de l’énergie dans les muscles est une molécule qui en est proche, le glycogène. Batna -2). de 7. Différenciation du chloroplaste Comment passe-t-on d’une cellule méristématiques à une cellule différenciée ? Cette différenciation à partir du plaste initial va être totalement dépendante de la lumière, ainsi, selon que l’on sera dans des conditions normales d’éclairement ou qu’au contraire en milieu obscur, la différentiation sera différente. A la lumière, la membrane interne va se replier pour donner naissance aux thylakoïdes du stroma à partir desquels bourgeonnent d’autres formations vésiculaires. Au fur et à mesure que se met en place le contenu en thylakoïdes du chloroplaste, le plaste va grandir jusqu’à approximativement 5µm. Parallèlement se mettent en place les tissus chlorophylliens. Les chloroplastes sont aussi capables de synthétiser de l’amidon transitoire, non stocké, qui sera synthétisé lorsque la photosynthèse sera maximale. Ces glucides seront immédiatement stockes et dégradés la nuit venue. Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université D. Exposé des différentes réactions de la photosynthèse (Vidéos) https://www.youtube.com/watch?v=lAKSBKoW06s https://www.youtube.com/watch?v=XmFg91BmS-o https://www.youtube.com/watch?v=kCTJhCVuWaY Influence de la lumière : Si on maintient les tissus en absence de lumière, induisant la formation de plantules étiolées, on constate un effet sur la différenciation des plastes : outre le fait de l’allongement exagéré de l’hypocotyle, il n’y a pas de synthèse de chlorophylle. Cette 13 Batna -2). de Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université – et Mitochondrie Chloroplaste – Master 1 Cours absence de chlorophylle va de pair avec une structure que l’on appelle étioplaste, correspondant à un tissu non chlorophyllien. Structurellement, on assiste à la mise en place d’un corps prolamellaire, sorte de structures tubulaire : à défaut d’avoir une structure en sacs, on obtient des tubules de structure organisée caractérisées par l’absence complète de chlorophylle au niveau des membranes. Cette structure étioplastique est totalement incapable d’effectuer la photosynthèse, mais cet état n’est pas du tout irréversible : en quelques jours, les thylakoïdes se réorganisent, et la structure redevient fonctionnelle. C’est le dé-étiolement. Concernant les thylakoïdes, il suffit de quelques secondes d’éclairement pour réactiver le processus photosynthétique. Division des plastes : Les chloroplastes, et les plastes, d’une manière générale, se divisent. Ce processus de division est relativement rare, mais peut avoir lieu. On sait cela via l’étude du génome des plantes, que l’on a séquencé (Arabidopsis) : on retrouve au moins deux gènes comparables à ceux codant pour le processus de division cellulaire bactérienne. Ces gènes appartiennent à la famille FTS Z (filamentus temperature sensitive), et codent pour la formation des anneaux actifs en zone de constriction permettant de donner naissance à deux plastes fils. D’une certaine manière, il existe des similitudes entre plastes et bactéries. 9. Le génome chloroplastique Les molécules d’ADN présente dans le chloroplaste sont circulaires. Celle-ci amène à une première conclusion évidente : l’ADN chloroplastique ne peut pas coder toutes les protéines du chloroplaste. Dans le chloroplaste, deux catégories de protéines seront présentes : une première codée par le génome chloroplastique, une seconde codée par le génome nucléaire. Dire que certaines protéines sont codées par le génome nucléaire sous-entend un import protéique du cytoplasme vers le chloroplaste. La théorie de l’endosymbiose : Dès le début du 20ème siècle les chercheurs ont pensé que les plastes et les mitochondies pouvaient provenir de bactéries. Celles-ci auraient été ingérées par des cellules primitives et vivraient à l'intérieur d'elles en symbiose. Cette théorie endosymbiotique de l'origine des plastes et des mitochondries est devenue parfaitement plausible lorsque l'on a découvert (1950-1960) que ces organites contenaient de l'ADN et des ribosomes. La ressemblance entre un chloroplaste de cellule eucaryote actuelle et d'une bactérie photosynthétique (Cyanobactérie) est confortée par plusieurs caractères : 14 Batna -2). de Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université – et Mitochondrie Chloroplaste – Master 1 Cours l'ADN du chloroplaste est circulaire et non associé à des histones comme chez les bactéries, cet ADN code pour une partie des protéines chloroplastiques (organites semi autonomes), une partie de la synthèse de protéines chloroplastiques s'effectue dans le chloroplaste, grâce à la présence de ribosomes qui présentent des analogies avec les ribosomes bactériens, tout plaste provient d'un plaste préexistant. Lorsque des cellules ne possèdent pas de plaste (certains cellules blanches de feuilles panachées), les cellules filles ne possèdent pas de plaste, la division des chloroplastes suit un rythme indépendant de la division du noyau, chez les plantes supérieures, les deux membranes de l'enveloppe du chloroplaste sont différentes : la membrane interne ainsi que les membranes des thylacoïdes présentent des analogies (composition lipidique) avec les membranes bactériennes. Absorption d'une bactérie par une cellule eucaryote primitive et formation d'une cellule eucaryote hétérotrophe. Les bactéries absorbées deviennent des mitochondries et réalisent la respiration. Réalisation d'une cellule eucaryote autotrophe par absorption d'une bactérie photosynthétique par une cellule eucaryote hétérotrophe. Cette bactérie devient un chloroplaste, ses membranes internes ont une origine bactérienne. La membrane externe de l'enveloppe a pour origine la membrane plasmique de la cellule elle-même. L'ensemble de ces observations représente aujourd'hui des arguments forts de la théorie endosymbiotique. Les endosymbioses ont pu se réaliser à différents moments et de diverses façons, par absorption par une cellule (Procaryote ou Eucaryote) primitive d'une autre cellule (Procaryote ou Eucaryote). On parle alors d'endosymbiose primaire ou secondaire 15 Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université de Batna -2). B- Structure, ultrastructure, composition biochimique et biogenèse des mitochondries 1. Généralités Le mécanisme de la respiration aérobie est commun à tous les eucaryotes. Il diffère peu entre les plantes et les animaux. Au cours de la respiration, des composés organiques comme le glucose (C6H12O6) sont dégradés et l'énergie libre libérée est utilisée pour la synthèse d'ATP. Equation générale de la respiration (phosphorylation oxydative) : C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP L'ATP est la forme d'énergie libre utilisable par la cellule pour effectuer différents travaux (chimiques, mécaniques, de transport). Le glucose est une molécule riche en énergie. La décomposition du glucose forme des molécules faibles en énergie et de l’énergie. 40% de l’énergie chimique du glucose sert à la formation d’ATP, le reste est perdu en énergie thermique. Cependant, l'énergie libre contenue dans les sucres ne peut être convertie en ATP directement. La respiration cellulaire aérobie comporte 4 étapes : 1) Glycolyse : La glycolyse se produit dans le cytoplasme des cellules. C’est un processus qui dégrade le glucose (molécule à 6 carbones) en deux molécules de pyruvates (molécules à 3 carbones). Deux molécules d’ATP sont libérées par chaque molécule de glucose. Ce processus se produit en condition anaérobie, c’est-à-dire sans présence d’oxygène. Tous les organismes font la glycolyse. Le pyruvate pénètre dans les mitochondries et le processus de respiration cellulaire continue. 2) Réaction de transition ou décarboxylation oxydative : Chaque molécule de pyruvate perd un atome de carbone. Le carbone est enlevé grâce à l’action du NAD+. On obtient une molécule à 2 carbones qui se combinent avec une coenzyme A pour former de l’acétyl-CoA. Vu que l’on avait 2 pyruvates, on obtient 2 acétyl-CoA. 3) Cycle de Krebs : Il est appelé aussi le cycle de l’acide citrique est une voie métabolique situé dans les mitochondries. Les 2 molécules d’acétyl-CoA subissent les réactions du cycle de Krebs qui formera du dioxyde de carbone (CO2) et une molécule d’ATP par molécule d’acétyl-CoA. 4) Phosphorylation oxydative : Cette étape a besoin de l’oxygène pour produire de l’ATP par chimiosmose. La chimiosmose est le passage d’ions H+ par un complexe protéique spécial. Cette dernière étape dépend de la chaîne respiratoire qui est une suite de molécules incrustée dans la membrane interne de la 16 l’eau est produite. Schéma qui résume les 4 étapes : 17 2. Ultrastructure des mitochondries Une mitochondrie (du grec mitos, fil et chondros, grain) est un organite à l'intérieur d'une cellule eucaryote, dont la taille est de l'ordre du micromètre. Son rôle physiologique est primordial, puisque c'est dans les mitochondries que l'énergie fournie par les molécules organiques est récupérée sous forme d'ATP (énergie contenue dans la liaison phosphate-phosphate), la source principale d'énergie pour la cellule eucaryote, par le processus de phosphorylation oxydative. Leur nombre est variable selon l'activité métabolique. Les mitochondries ont une dimension de 1-2 à 10 μm de long et de 0,5 à 1 μm de large. Elles se composent de 2 membranes mitochondriales, une externe et une interne, qui délimitent trois milieux : le milieu extra-mitochondrial (cytoplasme de la cellule), l'espace inter-membranaire et la matrice. Chacune est de l'ordre des 6 nm et l'espace intermembranaire est de 7 nm. Ce sont des organites semi-autonomes : elles possèdent leur propre génome (ADN, gènes), des ribosomes 70S, des ARN, et une trentaine de protéines y sont synthétisées directement. La mitochondrie est limitée par deux membranes aux propriétés très différentes : < 10.000 Dalton (Da). A l'inverse, la membrane interne est très riche en protéines mais elle est quasiment impérméable aux ions et aux métabolites hydrosolubles. Ces substances ne peuvent Master 1 Cours La membrane externe est pauvre en protéines et contient une protéine transmembranaire, la porine, qui permet le passage des ions et des métabolites hydrosolubles de masse molaire – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université de Batna -2). mitochondrie. Ces molécules sont réduites et oxydées pour amener les électrons à l’étape finale où traverser la membrane qu'à l'aide de protéines membranaires de transport (l'ATP, l'ADP et le Pi sont transportés par ce type de protéines) ou par des mécanismes plus sophistiqués qu'on appelle navette. L'espace entre ces deux membranes s'appelle l'espace intermembranaire. La zone interne de la mitochondrie (bordée par la membrane interne) s'appelle la matrice. Elle contient les enzymes du cycle de Krebs et la plupart de celles qui catalysent l'oxydation des acides gras. La chaîne respiratoire est localisée dans la membrane interne des mitochondries. Le nombre des crêtes accroit la surface de cette membrane et ainsi chaque mitochondrie contient des milliers d'exemplaires de la chaîne de transport d'électrons. Les crêtes pénètrent dans la matrice. Une mitochondrie ne peut provenir que de la croissance et de la division d'une autre mitochondrie déjà existante. Mitochondries observées en microscopie électronique à transmission. Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université de Batna -2). Vue détaillée d'une mitochondrie 18 Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université de Batna -2). 3. Les étapes de la Respiration 3.1. La Glycolyse La glycolyse est une voie pratiquement universelle dans le monde vivant ; elle consiste en une série de réactions qui convertissent une molécule de glucose (C6H12O6) en deux molécules d’acide pyruvique (CH3, CO COOH), avec production simultanée d’ATP. Dans des conditions d’aérobies, cette séquence dégradative est devenue une simple phase préparatoire à l’oxydation complète du glucose, beaucoup plus efficace au plan du rendement énergétique. On distingue dans la glycolyse dix étapes biochimiques allant du glucose à l’acide pyruvique (ou pyruvate) qui se déroulent toutes en phase soluble, dans le hyaloplasme des cellules. Cette séquence de réactions, dont tous les intermédiaires sont des composés phosphorylés, comprend deux grandes périodes. La première (trois étapes) comprend des réactions de phosphorylation du glucose, après consommation d’ATP ; la deuxième conduit à la formation de liaisons à haut potentiel énergétique ; puisque deux molécules d’ATP sont synthétisées à partir de chaque triose-phosphate obtenu dans la phase précédente. Bilan de la glycolyse : C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 [CH3CO] COOH + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP En dégradant le glucose en pyruvate, la glycolyse ne prélève qu’une toute petite partie de l’énergie potentielle contenue dans le substrat initial. L’acide pyruvique contient encore, sous la forme de ses liaisons intramoléculaires, beaucoup d’énergie libre qu’une oxydation complète en CO2 et H2O, grâce à l’oxygène de l’air (O2), va permettre d’extraire. 19 Batna -2). de Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université 20 La glycolyse : On distingue deux grandes périodes : la première correspond à des étapes de phosphorylation des sucres, tandis que la seconde conduit à la production d’ATP. Le pyruvate franchit aisément la membrane externe des mitochondries par les porines (qui forment des pores laissant passer des molécules dont la masse moléculaire va jusqu’à 6 kDa), puis il utilise pour franchir la membrane interne une protéine porteuse spécifique. Une fois parvenu dans la matrice, il subit une décarboxylation oxydative qui le transforme en résidu acétyl (CH3CO) grâce à l’intervention d’un coenzyme libre appelé coenzyme A (CoA) et du coenzyme nicotine amide dinucléotide (NAD ). Le coenzyme A est associé au fonctionnement d’un complexe enzymatique + soluble de grande taille : La pyruvate décarboxylase-déshydrogénase. La réaction est la suivante : (CH3CO) COOH + Coenzyme A + NAD+ (acétyl) CO2 + NADH + H+ + (CH3CO)-CoA CoA acétyl-CoA Le bilan de celle-ci est donc : le dégagement d’un CO2, la réduction d’un NAD+ en NADH + H+, et la formation d’un acétyl-CoA. L’acétyl-CoA est une molécule centrale dans le métabolisme énergétique car elle constitue un lieu de convergence de la dégradation de nombreux nutriments, en particuliers des acides gras qui constituent la réserve énergétique par excellence. 3.3. L’entrée de l’acétyl-CoA dans le cycle de Krebs et son oxydation Le coenzyme A est régénéré par le cycle des acides tricarboxyliques ou cycle de Krebs dont les coenzymes sont le NAD+ pour trois des étapes et le FAD (flavine adénine dinucléotide) pour une d’entre elles : l’oxydation du succinate en fumarate. Tous ces coenzymes passent à l’état réduit au cours des quatre réactions d’oxydation des intermédiaires du cycle. L’acétyl-CoA est condensé avec l’acide oxaloacétique (diacide organique à quatre carbones), en même temps que le CoA est régénéré. Le produit formé est l’acide citrique (l’acide des citrons, connu comme additif alimentaire) qui est un acide tricarboxylique à 6 C ; l’enzyme de condensation est appelée citrate synthétase. déshydrogénations redonnant finalement la molécule à 4 C qui a servi d’accepteur initial. Les deux elles font intervenir deux coenzymes classiques d’oxydoréduction : le NAD+ et le FAD. Cours Master 1 Chloroplaste Le cycle de Krebs est une suite de neuf réactions : deux carboxylations et quatre – et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université de Batna -2). 3.2. Devenir du pyruvate formé par la glycolyse : la formation de l’acétyl-CoA décarboxylations donnent du CO2, qui est en fait celui dégradé par la respiration, au niveau de l’organisme (avec celle qui a eu lieu lors de la formation de l’acétyl-CoA, on a bien perdu 3C de la molécule d’acide pyruvique formée par la glycolyse). En ce qui concerne les déshydrogénations, Voici le bilan du cycle : (CH3CO)-CoA + 3NAD+ + FAD + ADP + P + 3H2O CoA + 3NADH + 3H+ + FADH2 + ATP + 2CO2 21 Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université 22 Cycle de Krebs L’entrée de l’acétyl CoA dans le cycle de Krebs de Batna -2). Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université de Batna -2). 3.4. Cycle de Krebs Toutes les étapes du cycle de Krebs, à l’exception d’une seule, se déroulent dans la matrice mitochondriale et mettent en jeu des substrats et des enzymes solubles. Alors que le NADH est une molécule libre dans la matrice de l’organite, le FAD est en revanche réduit en tant que coenzyme étroitement lié à une protéine de la membrane interne de la mitochondrie (contrairement aux autres enzymes du cycle de Krebs non intégrées à la membrane): la succinate-déshydrogénase. C’est une flavoprotéine qui constitue le complexe II de la chaîne respiratoire. A l’issue de l’oxydation complète des molécules organiques dans la matrice, les atomes de C de ces molécules sont éliminés par la cellule sous forme de CO 2 gazeux. Leurs atomes de H sont fixés sur des coenzymes réduits ou libérés sous forme de protons (H+) et d’électrons. Du point de vue énergétique, le cycle de Krebs est directement à l’origine d’une seule molécule riche en énergie par tour : une molécule de GTP, équivalente à un ATP. Celle-ci est formée par décarboxylation oxydative mettant en jeu le CoA. On doit donc retenir que le cycle de Krebs n’est pas principalement en soi un système générateur d’énergie, mais un système fournissant des coenzymes réduits qui, eux, seront réoxydés et à l’origine d’une synthèse ultérieure abondante d’ATP. L’énergie libre, contenue initialement dans le glucose et récupérée lors des réactions d’oxydo-réduction successives, est donc ainsi provisoirement stockée sous la forme de pouvoir réducteur, constitué par NADH + H+ et FADH2. Du point de vue métabolique, le cycle de Krebs met en jeu des acides organiques comportant successivement six, cinq et quatre carbones. Bilan du cycle de Krebs : 2[CH3CO] COOH + 6H2O + 8NAD+ + 2FAD + 2ADP + 2Pi 6CO2 + 8NADH + 8 H+ + 2FADH2 + 2ATP 3.5. La chaine respiratoire membranaire La chaîne respiratoire mitochondriale comprend une série de réactions d’oxydoréduction et le phénomène de phosphorylation oxydative. Les coenzymes réduits NAD+ et FADH2 amorcent le transport de l’hydrogène jusqu’à l’oxygène moléculaire. Ce transport se fait par une suite de réactions d’oxydoréduction qui se déroulent dans la membrane interne et ses crêtes. 23 Batna -2). de Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université 24 La chaine respiratoire : Trois gros complexes d’oxydoréduction qui chassent les protons vers l’espace intermembranaire et participent au gradient de protons qui est exploité par l’ATP synthétase (F0 F1) pour fabriquer de l’ATP: complexe NADH déshydrogénase (I), succinate déshydrogénase (II) (flavoprotéine dont le cofacteur accepteur des protons et des électrons est le FAD), complexe ubiquinone-cytochrome coxydoréductase (III), complexe cytochrome-oxydase (IV). Deux transporteurs mobiles : le coenzyme Q (=ubiquinone) (Q) et le cytochrome c (cyt.c). Les constituants de la chaîne respiratoire comprennent des transporteurs d’hydrogène (déshydrogénases flavoprotéiques, ubiquinone) et des transporteurs d’électrons (cytochromes et protéines fer-souffre). Lorsqu’un transporteur d’hydrogène (H) est oxydé par un transporteur d’électron, il y a séparation des protons (H+) et des électrons, et de plus, les protons sont rejetés dans l’espace intermembranaire. Le long de la chaîne respiratoire, les électrons sont transportés du Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université de Batna -2). constituant ayant le plus bas potentiel d’oxydoréduction, c’est-à-dire le NAD+, à celui qui a le potentiel le plus haut, c’est-à-dire l’oxygène moléculaire (O2). Ces constituants sont les uns isolés comme l’ubiquinone (coenzyme Q) et le cytochrome c, les autres regroupés en quatre vastes complexes poly-polypeptidiques transmembranaires. Les électrons (e-) captés par le NAD+ sont cédés à l’ubiquinone, via le complexe I, ou complexe NADH déshydrogénase (comprenant plus de 25 polypeptides). L’ubiquinone est aussi réduit en ubiquinol par le complexe II : la succinate déshydrogénase (4 polypeptides). Les électrons sont ensuite transférés par le complexe III ou ubiquinone-cytochrome Coxydoréductase (10 polypeptides) de l’ubiquinol vers le cytochrome c (à groupe prosthétique hémique) intermembranaire. Le cytochrome est à son tour oxydé par le complexe IV ou cytochrome-oxydase qui transfère les électrons sur l’O2 moléculaire. Les complexes I, II et III renferment des « protéines fer/souffre ». En bout de chaîne, l’oxygène moléculaire O2, dernier accepteur d’électrons, est réduit en H2O en se combinant aux protons (O2 + 4e- + 4H+ 2H2O). L’énergie larguée au cours de ce transfert d’électrons permet la régénération des molécules d’ATP : il y a couplage énergétique entre les réactions d’oxydoréductions et la phosphorylation de l’ADP. Ce couplage est désigné comme la phosphorylation oxydative, phénomène essentiel de la respiration cellulaire. La synthèse de l’ATP est catalysée par l’ATP synthase de la membrane interne. On n’a pas encore complètement élucidé le mécanisme qui permet le couplage énergétique entre le transfert des électrons et la phosphorylation de l’ADP au niveau du complexe ATPase mitochondriale. La « théorie chimiosmotique » émise en 1961 par P. Mitchell dans laquelle sont associés des phénomènes chimiques et des phénomènes osmotiques (transport ionique), propose que le flux des électrons le long de la chaîne des molécules oxydoréductrices s’accompagne d’un transfert de protons H+ à travers la membrane, de la matrice mitochondriale à l’espace intermembranaire. Il s’établit un gradient de protons à travers la membrane interne mitochondriale qui se traduit par une différence de potentiel de -200 mV. La synthèse d’ATP est déclenchée par le flux de protons, inverse du gradient établi, à travers le complexe d’ATPase membranaire. Ce dernier fonctionne donc comme une pompe à protons productrice d’ATP. Une différence importante existe entre ce mode de synthèse de l’ATP et celui mis en jeu dans la glycolyse : il nécessite une structure close, limitée par une membrane imperméable aux protons, afin qu’un gradient de protons puisse être créé et exploité. Bilan de la phosphorylation oxydative : 10NADH + 10H+ + 2FADH2 + 6O2 + 34ADP + 34Pi 10 NAD+ + 2FAD + 12H20 + 34ATP 25 En prenant en compte tout le pouvoir réducteur produit au cours de la glycolyse et du cycle de Krebs, et sachant que chaque molécule de NADH réoxydé conduit théoriquement à la synthèse de trois molécules d’ATP et que chaque molécule de FADH 2 permet seulement la synthèse de deux ATP, on calcule que 38 ATP sont synthétisés, au maximum, par molécule de glucose. Bilan général de la respiration : et Mitochondrie 6CO2 + 6H2O + 38ATP 5. Isolement et purification des mitochondries Manipulation à froid, récipients, tampons et solutions dans la glace pilée. Mettre la centrifugeuse à +4°C en début de séance. BROYAGE - éplucher les tubercules de pomme de terre en faisant de grosses épluchures (à partir de 100 g de pomme de terre: 75 g de tissu épluché) - laver à l'eau distillée froide dans un bécher - couper le matériel en tout petits cubes - ajouter 60 ml de milieu de broyage composé de: Tris-HCl 0,1M (pH 7,5) Saccharose 0,4M ( choc osmotique) EDTA 1 mM (inhibe les protéases) Cystéine 1mg/g tissu (détourne l'activité protéasique) - grouper par 2 les préparations dans le bol du mixer (froid) - broyage à l'aide du broyeur à hélice, 60 secondes sur position 1 - filtrer dans un erlen à l’aide de la double gaze posée dans un entonnoir - exprimer au maximum le filtre en essorant le résidu solide - vérifier le pH, réajuster à pH 7,5 à l'aide d'une solution de Tris 2M (1 ou 2 gouttes) CENTRIFUGATIONS DIFFERENTIELLES - répartir le filtrat dans des pots à centrifugation froids qui seront équilibrés 2 à 2 sur la balance en égalisant les Cours Master 1 – Chloroplaste 26 C6H12O6 + 6O2 + 38ADP + 38Pi – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université de Batna -2). 4. Bilan de l’oxydation complète d’une molécule de glucose niveaux dans les tubes, il y a 6 pots de 250 ml dans la salle. - 1° centrifugation dans un rotor GSA à 4500 rpm pendant 15 mn: le surnageant 1 est transféré délicatement sans décoller le culot dans un nouveau pot de centrifugation Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université de Batna -2). (!!!!! Les pots à la sortie de la centrifugeuse doivent être portés sur la glace et lentement pour ne pas décoller le culot) - 2° centrifugation sur le surnageant 1 dans le rotor GSA à 4500 rpm pendant 15 mn le surnageant 2 est transféré dans un nouveau pot de centrifugation - 3° centrifugation sur le surnageant 2 dans le rotor GSA à 10000 rpm pendant 20 mn le surnageant 3 est jeté (!!!!! Ne pas jeter le surnageant avant d'avoir la solution de lavage à portée de main, le culot ne doit pas sécher). Le culot 3 constitue un extrait brut de mitochondries, coloration marron-rouge due aux atomes de fer des cytochromes. LAVAGE - Le culot 3 est additionné de 2 ml de solution de lavage (c’est-à-dire solution de broyage sans cystéine) et les organites sont remis en suspension à l'aide d'un Pipetman. Les culots bruts remis en suspension sont ensuite transférés dans un tube de centrifugation froid de type Corex (il y a 6 tubes dans la salle, ne pas confondre avec les tubes à hémolyse). - Équilibrer ensuite les tubes 2 à 2 sur la balance et centrifuger à 10000 rpm pendant 20 mn dans le Swinging rotor HB-6. - Jeter le surnageant, et reprendre le culot de mitochondries "lavées" par 1,3 ml de tampon phosphate 0,05M. - Homogénéiser le mélange dans un Potter (3 aller-retours) pour faire éclater les mitochondries et démasquer ainsi la membrane interne. - Laisser la fraction mitochondriale sur la glace. 27 Batna -2). de Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université 28 Résumé : Glycolyse, Cycle De Krebs Et Chaine Respiratoire Les cellules vivantes tirent leur énergie de l'oxydation de certains composés organiques (ex : le glucose et les acides gras). Elles convertissent cette énergie potentielle en de grands processus sont impliqués dans cette conversion : la fermentation et la respiration. Certaines cellules sont capables de vivre en effectuant soit des fermentations, Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université Batna -2). une forme d'énergie directement utilisable, la molécule d'ATP (adénosine triphosphate). Deux lorsqu'elles sont à l'abri de l'oxygène, soit une respiration cellulaire, en présence d'oxygène. On peut prendre comme exemple la dégradation d'une molécule de glucose dans une cellule eucaryote, où les deux processus cohabitent (cf. figure 1. Notez que la figure 1 est incomplète du point de vue du bilan en ATP, GTP, NADH et FADH2). La fermentation et la respiration débutent toutes les deux dans le cytoplasme, par une voie métabolique appelée glycolyse. Lors de la glycolyse, le glucose est dégradé en pyruvate, ce qui produit de l’énergie sous forme d’ATP. Ces réactions produisent aussi du pouvoir réducteur, sous forme de NADH (Nicotinamide Adénine Dinucléotide, forme réduite), en réduisant le NAD (Nicotinamide Adénine Dinucléotide, forme oxydée). Les réserves cellulaires de NAD étant limitées, il est nécessaire de le régénérer pour permettre à la cellule de poursuivre la dégradation du glucose par glycolyse. En absence de dioxygène, lors de la fermentation, la cellule reconvertit le NADH en NAD par un processus qui ne produit pas d’ATP. Toutes les étapes de la fermentation se passent dans le En présence de dioxygène, la respiration peut avoir lieu. Le pyruvate rentre dans la mitochondrie et est dégradé en CO2 par les réactions du cycle de Krebs (cf. figure 1). Cette dégradation produit encore de l’énergie, sous forme d’ATP et de GTP (1 GTP permet de générer 1 ATP). Cette dégradation produit aussi du pouvoir réducteur, sous forme de NADH respiration est que le pouvoir réducteur est converti en énergie au niveau de la membrane interne de cytochrome c et le complexe IV. Cours Master 1 Chloroplaste et de FADH2 (Flavine Adénine Dinucléotide, forme réduite). Une des particularités de la – et Mitochondrie – cytoplasme. la mitochondrie. La membrane mitochondriale interne héberge des complexes de protéines à activité redox qui constituent la chaine respiratoire. Pour l’essentiel, ce sont les complexes I, II, III, le - Le NADH produit par la glycolyse et le cycle de Krebs est reconverti en NAD par le complexe I. Les électrons libérés par cette réaction (en pointillés sur la figure 1) transitent du complexe I au complexe III, puis au cytochrome c, et sont finalement absorbés au niveau du complexe IV par la réduction du dioxygène en eau. 29 Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université de Batna -2). - L’enzyme qui produit le FADH2 au cours du cycle de Krebs, lors de la conversion du succinate en fumarate, est membranaire, et appartient au complexe II de la chaine de transport des électrons (ce n’est pas montré sur la figure 1, pour des commodités de représentation). Le FADH2 est converti en FAD par le reste du complexe II. Les électrons libérés par cette réaction transitent du complexe II au complexe III, puis au cytochrome c, et sont finalement absorbés au niveau du complexe IV par la réduction du dioxygène en eau. Le trajet des électrons à travers cette chaine de transport a pour conséquence de faire passer des protons de la matrice mitochondriale vers l’espace intermembranaire. La membrane mitochondriale interne étant imperméable aux protons, il se créé un gradient de protons de part et d’autre de la membrane. La tendance des protons à repasser vers la matrice pour équilibrer les concentrations constitue la force protomotrice. Les protons re-franchissent la membrane mitochondriale interne au niveau d’un canal à protons, appelé ATP synthase, qui synthétise de l’ATP lorsque des protons le traversent. On peut comparer ce mécanisme à une centrale hydroélectrique, où de l’eau (protons) est stockée dans un réservoir (espace intermembranaire), bloqué par un barrage (membrane mitochondriale interne). De l’énergie est produite sous forme d’électricité (ATP), lorque les vannes du barrage sont ouvertes et que l’eau tombe (passage des protons vers la matrice par le canal de l’ATP synthase). Ainsi, la chaine respiratoire permet de convertir le pouvoir réducteur (NADH ou FADH2) en ATP. Le bilan de ce processus est : 30 Batna -2). de Cours Master 1 – Chloroplaste et Mitochondrie – Enseignant : Mr KHELOUFI Abdenour (Université 31 Notez que la figure est incomplète du point de vue du bilan en ATP, GTP, NADH et FADH2, en ce qui concerne la glycolyse et le cycle de Krebs.
