Université– BATNA 2 1ére Année Pharmacie Faculté de Médecine Département de Pharmacie Module de biologie cellulaire Cytologie : LE SYSTEME CLOS ; La mitochondrie I. La mitochondrie : Sont ellipsoïdales(ovoïde) mais peuvent aussi être sphériques, ou filamenteuses. Les mitochondries sont des organites présents chez tous les eucaryotes(champignons, animaux et végétaux) hormis certaines cellules telles que les érythrocytes (globules rouges), mais pas chez les procaryotes. Ce sont des organites clos ne faisant pas partie du système endomembranaire. Et qui sont impliqués dans les conversions énergétiques résultant de la respiration cellulaire. Ils ont une grande taille (de 1-2 à 10 μm de long et de 0,5 à 1 μm de large). - L’ensemble des mitochondries d’une cellule forme le chondriome. - L’évolution des mitochondries résulte de l’hypothèse de l'endosymbiose par son internalisation par des cellules eucaryotes primitives et ont développé une relation symbiotique avec elles. II. Morphologie et structure des mitochondries : 1. Morphologie de la mitochondrie en microscopie optique : ⮚ Ils ont une grande taille (de 1-2 à 10 μm de long et de 0,5 à 1 μm de large), ⮚ Il est donc possible de les voir en microscopie optique. Sur cellules fixées, on distingue 3 aspects différents (ce polymorphisme structural ne modifie pas leur fonction) : - sous forme de granules = ce sont les mitochondries - sous forme de filaments ou bacilles = chondriocontes - en chapelets de granules = chondriomes (300-800 mitochondries/cellule). Les mitochondries sont toujours en très grand nombre, proportionnel à la consommation énergétique de la cellule. On en trouve en quantité élevée dans les cellules à forte demande énergétique comme les cellules musculaires ou le flagelle d'un spermatozoïde.A l'inverse, on en trouve en nombre restreint dans les cellules végétales (certaines algues n'ont qu'une mitochondrie). 2. Structure des mitochondries : La mitochondrie est limitée par deux membranes aux propriétés très différentes : 1. La membrane externe :de 6 à 7,5 nm constituée de (40-50 % lipides, 50-60% protéines). Contient une protéine transmembranaire, la porine, qui permet le passage des ions et des métabolites hydrosolubles de masse < 5 kDa. 2. La membrane interne :constituée de (25% de lipides, 75% de protéines)à l’inverse est très riche en protéines mais elle est quasiment imperméable aux ions et aux métabolites hydrosolubles (présence de cardiolipines). Ces substances ne peuvent traverser la membrane qu'à l'aide de protéines membranaires de transport L’imperméabilité de la membrane interne est également due à une classe de phospholipides particuliers : les cardiolipinesquiest un glycérophospholipide des membranes des bactéries et des mitochondries. Les cardiolipines représentent de 18-20 % des lipides de la membrane interne et sont responsables de l’imperméabilité de la membrane interne aux ions (notamment aux protons). Parmi les protéines de la membrane interne qui facilitent le transport on trouve : 1 Docteur : HALOUI Meriem Université– BATNA 2 1ére Année Pharmacie Faculté de Médecine Département de Pharmacie Module de biologie cellulaire – des perméases, qui servent aux échanges entre l’espace intermembranaire et la matrice, – des symports (ex : pyruvate/H+), – des antiports (ex : ATP/ADP) ; – les complexes de la chaîne respiratoire, qui sont des transporteurs d’électrons et de protons ; – les ATP synthases responsables de la synthèse d’ATP. 3. Espace intermembranaire :de 4-7nmL'espace entre les deux membranes. Sa composition est très proche de celle du cytosol. Cet espace contient : • des molécules provenant du cytosol et traversant la membrane externe grâce aux porines ; • des protons (H+) provenant de la matrice et traversant la membrane interne grâce à certains complexes de la chaîne respiratoire • des protéines impliquées dans l’apoptose (procaspases et cytochrome c). 4. La matrice : c’est la zone interne de la mitochondrie (bordée par la membrane interne). Elle contient les enzymes qui catalysent : • La b-oxydation des acides gras : C’est une chaîne de réactions qui dégradent les acides gras et aboutit à la formation d’acétyl CoA et de co-enzymes réduits : FADH2 et NADH2 (= NADH, H+). • La décarboxylation du pyruvate : Elle aboutit à la formation de CO2, d’acétylCoA et de NADH2. Le pyruvate est issu de la glycolyse, qui a lieu dans le cytosol. • Le cycle de Krebs : (= cycle de l’acide citrique) C’est une chaîne de réactions qui dégrade de l’acétylCoA et aboutit à la formation de CO2, GTP, FADH2 et NADH2. La matrice contient aussi des acides nucléiques (ADN et ARN). L’ADN mitochondrial est bicaténaire, circulaire et de petite taille (chez l’Homme, sa taille est d’environ 16 500 paires de bases). Il n’est pas associé à des histones. En général, il y en a plusieurs copies par mitochondrie (5 à 10). L’ADN mitochondrial code un nombre restreint de gènes et sa transcription permet la synthèse de 13 ARNm (ARN messagers), 22 ARNt(ARN de transfert) et 2 ARNr (ARN ribosomaux) de 12S et 16S. Les mitochondries sont donc le siège de la réplication et de la transcription de leur ADN mais aussi de la traduction car la matrice contient des ribosomes. Cependant, le code génétique est différent de celui qui régit la traduction de l’ARN codé par le génome nucléaire. 5. Les crêtes : pénètrent dans la matrice qui ont un rôle dans : • augmentent la surface de la membrane interne (facteur 3 entre la surfacede la membrane interne et celle de la membrane externe) • ont des morphologies variables selon l’activité et le type cellulaire ; • sont en nombre variable en fonction de la demande en ATP. III. Caractéristiques des mitochondries :sont capables de : – se déplacer (associées aux éléments du cytosquelette, notamment lesmicrotubules), – se déformer, – se diviser par scissiparité, – fusionner entre elles. La cellule peut donc réguler le nombre de ses mitochondries en fonction deson activité métabolique. - Un hépatocyte contient entre 1 000 et 2 000 mitochondries (qui occupent 20 % du volume cellulaire). 2 Docteur : HALOUI Meriem Université– BATNA 2 1ére Année Pharmacie Faculté de Médecine Département de Pharmacie Module de biologie cellulaire - Dans le cytoplasme, elles sont associées aux réserves énergétiques (glycogèneset triglycérides) et localisées à proximité des lieux de consommationd’ATP (ex : dans les spermatozoïdes, elles sont solidement enroulées autour du flagelle). - 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. - Le génome mitochondrial des plantes est beaucoup plus grand que chez les animaux : 195 à La plupart de l'ADN en excès est non codant et la structure du génome semble très fluide. IV. Fonctions des mitochondries : 1) respiration cellulaire : Produisent la majeure partie de l’énergie nécessaire à la cellule en synthétisant de l’ATP (Adénosine TriPhosphate). Ce processus aérobie porte le nom de phosphorylation oxydative. Ce sont les seuls organites participant à la respiration cellulaire. 2) apoptose : Participent au déclenchement et à la régulation de la mort cellulaireProgrammée. 3) Participent à certaines voies métaboliques en coopérant avec d’autres compartiments cellulaires (cytosol, REL, AG, enveloppe nucléaire, péroxysomes): – synthèse de cholestérol, des hormones stéroïdes, de certains phospholipides membranaires, et de la partie phospholipidique des lipoprotéines ; – contrôle de la concentration cytosolique en Ca2+ ; – production et catabolisme d’ions superoxyde O2toxiques pour les cellules. V. Division et fusion des mitochondries : Les mitochondries peuvent se diviser ou fusionner indépendamment des divisions de la cellule hôte. Ces mécanismes font intervenir des protéines G monomériques : – les dynamines pour la division ; – les mitofusinespour la fusion. VI. Origine des protéines mitochondriales Les protéines mitochondriales ont une origine mixte : une petite partie d’entre elles sont codées par le génome mitochondrial tandis que la plupart sont codées par le génome nucléaire. VII. Destruction des mitochondries : La durée de vie d’une mitochondrie est limitée (ex : environ 10 joursdans les hépatocytes). Les mitochondries sont détruites par autophagie, dans le compartiment lysosomal. Fig.1.Schema représentant la mitochondrie et ses constituants 3 Docteur : HALOUI Meriem Université– BATNA 2 1ére Année Pharmacie Faculté de Médecine Département de Pharmacie Module de biologie cellulaire Remarque : -L'hypothèse de l'endosymbiose : les mitochondries dérivent des bactéries aérobies qui ont été phagocytées par la cellule eucaryote primitive sans être dégradées, ce qui explique la double membrane : - externe d'origine cellulaire - interne d'origine bactérienne. -La machinerie de synthèse protéique des mitochondries ressemble à celle des bactéries. Pour preuve, leurs ribosomes sont sensibles aux antibiotiques antibactériens et la synthèse protéique commence par la N-formyl méthionine. Les Peroxysomes : C’est une famille d’organites cytoplasmiques, limité par une membrane phospholipidique unique, ayant une taille similaire à celle des lysosomes (0,15 à 2 μm de diamètre). De forme ± arrondie, présents (plusieurs centaines par cellule) dans presque toutes les cellules du règne animal (notamment dans les cellules du foie et des reins). Dans les cellules végétales, on peut trouver aussi un autre organite proche du peroxysome de formerectangulaire :le glyoxysome. le glyoxysome. Ils sont dépourvus de génome, et d’hydrolases acides. Ils sont le siège d’oxydations et de peroxydations, donc rôle de détoxification. Ainsi ils sont riches en oxydases (enzyme pour arracher les atomes d’H2 à des substrats organiques pour donner l’H2O2(= peroxyde d’H2)). Et en catalases, enzyme qui dégradent l’H2O2 (molécule très toxique pour la cellule) en ajoutant de l’O2 pour former d’H2O et de l'oxygène gazeux. Les peroxysomes ont une concentration élevée en protéines peroxysomales, et qui sont synthétisées sur des ribosomes libres dans le cytoplasme puis lui sont adressées. Comme les mitochondries, les peroxysomes s'auto-répliquent (biogénèse). Ils ne proviennent pas du RE. Ne font pas partie du SEM. Et leur durée de vie est d'une journée. Les fonctions des peroxysomes sont multiples : ✔ Protection des composants cellulaires contre les attaques du peroxyde d’H2. ✔ Participent à la consommation d’O2 comme lesmitochondries (jusqu’à 50 %). Leurdépendance vis-à-vis de l’O2 semble importante. 4 Docteur : HALOUI Meriem Université– BATNA 2 1ére Année Pharmacie Faculté de Médecine Département de Pharmacie Module de biologie cellulaire ✔ Chez les végétaux, participent à la photorespiration (grâce à la lumière). 5 Docteur : HALOUI Meriem