La cellule, ses organites et leurs fonctions
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La cellule, ses organites et leurs fonctions La mitochondrie Dans cette ressource nous nous focaliserons sur la mitochondrie, sa morphologie, ses membranes (et leurs nombreux transporteurs) et son rôle primordial dans la production de l'ATP nécessaire au déroulement des fonctions cellulaires (fournisseur universel de l'énergie). La production de l'ATP nécessite un fort approvisionnement en métabolites tels que glucose et acides gras (et dans le cas de dénutrition extrême, acides aminés), un approvisionnement géré à partir des réserves par des hormones (glucagon, insuline et adrénaline). Les métabolites vont être convertis en NADH et FADH2 (plus CO2) dans des processus, comme la glycolyse, la β-oxydation et le cycle de l'acide citrique, pour finalement alimenter la chaîne respiratoire aboutissant à la production de l'ATP grâce au phénomène de chimiosmose. Les processus se déroulent dans des sites bien déterminés et le passage de métabolites d'un site à l'autre est assuré par de nombreux transporteurs. En plus de son rôle de production d'ATP, la mitochondrie est également présentée pour son intervention dans la synthèse des stéroïdes, la mort cellulaire programmée (apoptose) et l'homéostasie cellulaire du calcium. Enfin dans trois « excursions », la mitochondrie est replacée dans un contexte conceptuel élargi, ouvrant sur des implications aussi variées que diabète sucré et paléontologie. Prérequis : Savoir que, dans leur grande majorité, les fonctions cellulaires nécessitent l'hydrolyse de l'ATP : par exemple, contraction musculaire, pompes ATPasiques ou encore transport des organites par les protéines motrices. Bien dominer les connaissances sur les diverses modalités de passage de composants cellulaires au travers de la membrane lipidique. Avoir une notion de la structure chimique des lipides et des glucides, de leurs formes de stockage et de leur dégradation en métabolites utilisables. Connaître l'essentiel des voies métaboliques telles que glycolyse, cycle de l'acide citrique et β-oxydation. Objectifs : Connaître les sites de localisation des différents processus métaboliques qui aboutissent à la production de l'ATP (glycolyse, β-oxydation, cycle de l'acide citrique, phosphorylation oxydative). Connaître les différentes modalités de transport bidirectionnel des métabolites au travers de l'enveloppe mitochondriale (acides gras, pyruvate, ATP, ADP et Pi). Comprendre comment l'oxydation des métabolites, résultant dans la production de NADH et FADH2, alimente la chaîne de transport des électrons de la membrane interne et crée un gradient de protons. Comprendre comment le gradient de protons dirige la production de l'ATP par l'ATP synthase. Connaître les fonctions mitochondriales autres que la production de l'ATP : synthèse des stéroïdes, homéostasie du calcium et mort programmée. Temps de travail prévu : 3 heures Sommaire : Qu'est-ce qu'une mitochondrie ? :: Origine :: Organisation de la mitochondrie :: Les fonctions de la mitochondrie La production d'ATP :: L'ATP comme fournisseur universel d'énergie Approvisionnement en métabolites :: Prise de nourriture :: Création et utilisation des réserves énergétiques ; les rôles opposés du couple glucagon/adrénaline et de l'insuline Les activités métaboliques à l'origine de la production d'ATP :: Glycolyse, β-oxydation et cycle de l'acide citrique :: Phosphorylation oxydative liée à la chaîne de transport des électrons Transport au travers de l'enveloppe mitochondriale :: Introduction :: Transport à travers la membrane externe :: Transport à travers la membrane interne Autres fonctions de la mitochondrie :: Rôle de la mitochondrie dans la synthèse des hormones stéroïdes :: Rôle des mitochondries dans l'homéostasie du Ca2+ :: Rôle de la mitochondrie dans la mort cellulaire programmée (apoptose) Maladies liées aux mitochondries :: Maladies liées aux mitochondries Excursions L'ADN mitochondrial :: Un tout petit génome :: Similitudes entre cytochrome c bactérien et mammalien :: L'ADNmt et les maladies neuromusculaires invalidantes :: Médecine légale :: Le développement de l'embryon La mitochondrie complice des assassins :: L'arsenic :: Le cyanure :: Les complexes organophosphorés Diabète sucré, dérégulation de l'approvisionnement de la mitochondrie en métabolites :: Glucagon, insuline et glycémie (homéostasie du glucose) Insuline et Diabetes mellitus :: La découverte de l'insuline :: Insuline et glycémie (homéostasie) :: Diabète sucré type I et II :: Diabète Insipide Qu'est-ce qu'une mitochondrie ? Sommaire Qu'est-ce qu'une mitochondrie ? Origine La mitochondrie naquit lorsque deux bactéries, archéobactérie anaérobie (hôte) d'une part et protobactérie aérobie (symbionte) d'autre part, fusionnèrent (il y a quelques milliards d'années) pour donner un eucaryote primitif duquel tous les eucaryotes actuels dériveraient. Une telle hypothèse sur l'origine de la mitochondrie a été suggérée par la mise en évidence, en 1963, de l'ADN mitochondrial (ADNmt de 16 kb chez les mammifères) différent de l'ADN du noyau. Figure 1. Les mitochondries Le mot mitochondrie dérive du grec mitos, « filament », et chondros, « graine » en raison de l'aspect de cet organite au microscope optique (et électronique). Par exemple dans les cellules élaboratrices d'hormones stéroïdiennes (corticosurrénales et gonades) les mitochondries sont filamenteuses, alors que dans les hépatocytes (foie), elles sont granulaires. Les mitochondries ont un diamètre d'environ . Les cellules en contiennent de nombreuses : nombre estimé à 1000 dans un hépatocyte de rat. Les mitochondries ne sont pas des organites statiques : elles se scindent ou, au contraire, fusionnent couramment ce qui explique leur polymorphisme au sein d'une même cellule (voir figure 1). Sommaire Qu'est-ce qu'une mitochondrie ? Organisation de la mitochondrie La mitochondrie est limitée par une enveloppe formée de deux membranes : membrane externe et membrane interne (voir figure 2). Elles sont très différentes dans leur composition et leurs fonctions. La membrane interne délimite l'espace matriciel. Figure 2. Le tube de jonction de crête La membrane externe est perméable à toutes les molécules de 5 kDa ou moins grâce à la présence de porines. Elle contient aussi des translocases, transporteurs protéiques, impliquées dans l'import des protéines (Translocase of the Outer Membrane, TOM). La membrane interne se replie pour former de nombreuses crêtes (cristae), ce qui a pour conséquence d'augmenter sa surface totale. Les crêtes se présentent selon différentes formes : tubulaire, sacculaire, laminaire et triangulaire, qui peuvent co-exister dans la même mitochondrie et évoluer avec le temps. La base d'une crête est souvent constituée par une structure tubulaire étroite appelée tube de jonction de crête qui établit une communication entre l'espace intérieur de la crête et l'espace inter membranaire périphérique de la mitochondrie (voir figure2 ). La composition lipidique de la membrane interne est particulière : elle contient une majorité de phosphatidylcholine et de cardiolipine. Dans cette membrane on trouve la chaîne respiratoire de transporteurs d'électrons, l'ATP synthase et de nombreux transporteurs qui assurent le passage d'éléments tels que pyruvate, acide gras, ATP, ADP et , composés nécessaires à la production d'ATP. La membrane interne contient aussi des translocases (Translocase of the Inner Membrane, TIM), impliquées dans l'import des protéines (voir figure 3). Les TIM et les TOM ne sont pas traitées dans cette ressource. Figure 3. Structure et fonction de la mitochondrie Dans l'espace matriciel on trouve un mélange très concentré de nombreuses enzymes, dont celles qui sont nécessaires à l'oxydation du pyruvate et des acides gras (en acétyl-CoA) et au cycle de l'acide citrique. Il renferme également plusieurs copies identiques d'ADN (génome mitochondrial) et les protéines nécessaires à sa transcription puis à la traduction de l'ARNm en protéines. La protéosynthèse mitochondriale ne concerne cependant qu'un nombre restreint de protéines (13), la grande majorité des protéines mitochondriales (environ 300 protéines différentes) étant importée à partir du cytoplasme. Sommaire Qu'est-ce qu'une mitochondrie ? Les fonctions de la mitochondrie Les mitochondries sont impliquées dans plusieurs fonctions : production d'ATP, synthèse de stéroïdes hormonaux, turnover de monoamines (neurotransmetteurs), séquestration de et participation à la mort cellulaire programmée (apoptose) par fuite de cytochrome c dans le cytoplasme (voir figure 4). Figure 4. Fonctions de la mitochondrie Sommaire La production d'ATP Sommaire La production d'ATP L'ATP comme fournisseur universel d'énergie Les mitochondries constituent ce qu'on a coutume d'appeler « la centrale énergétique » de la cellule. On peut également les considérer comme des organites dans lesquels l'énergie contenue dans les liaisons moléculaires des métabolites provenant des aliments ingérés, est convertie en ATP. Dans les ressources sur le « transport membranaire » et le «cytosquelette », nous avons évoqué le rôle capital de l'ATP dont l'hydrolyse en ADP et Pi ( ) est requise dans un grand nombre de processus cellulaires tels que le transport actif d'ions au travers de la membrane (ATPases), les déplacements des protéines motrices et la polymérisation des filaments d'actine, par exemple. L'ATP a aussi une place essentielle dans la production des autres nucléotides et dans le déroulement de nombreux processus métaboliques. Enfin, l'ATP joue un rôle dans la régulation des cascades de signalisation intracellulaire (voir figure 5A). Pour chiffrer cette importance, on peut dire que chaque jour un adulte utilise (et recycle) une quantité d'ATP équivalente à de son poids corporel ! On estime que dans les conditions de repos, un tiers du total est utilisé pour le fonctionnement des pompes membranaires comme les ATPases (extrait de la ressource sur le « transport membranaire »). A l'état de repos de l'individu, les organes les plus consommateurs sont le cœur et le foie. Figure 5A. Hydrolyse de l'ATP en ADP et Pi Dans le muscle en activité, la demande d'ATP est extrêmement forte : elle est 1000 fois supérieure à celle du muscle au repos. Même si, très logiquement les cellules musculaires contiennent plusieurs milliers de mitochondries, il demeure remarquable que leur énorme besoin en ATP puisse être couvert en moins de quelques secondes, et cela sans stock préalable d'ATP (voir figure 5B). La concentration cytoplasmique d'ATP est constante (par nécessité du maintien de toutes les voies métaboliques ATP dépendantes), et même dans le muscle soumis à un travail soutenu, elle est de l'ordre de 310 mM. La prochaine partie de cette ressource sera consacrée aux modalités de la production de cet ATP Figure 5B. Mitochondries cardiaques Si elles ne peuvent pas stocker l'ATP (pour des raisons osmotiques), les cellules sont capables de faire des réserves en glucides, lipides (et éventuellement protéines). Dans cette ressource nous verrons comment ces réserves sont mobilisées puis utilisées par l'organisme pour la production d'ATP. Il n'est pas surprenant de constater que des anomalies dans les processus responsables de la production d'ATP aient des conséquences graves pour l'organisme. Plus loin quelques exemples de pathologies liées à ces anomalies seront évoqués. Découverte de l'ATP C'est en 1929 que le chimiste allemand Karl Lohmann découvrit l'ATP dont la structure fut élucidée quelques années plus tard. En 1948 Sir Alexander Todd (Prix Nobel de Chimie en 1953) réalisa la synthèse de l'ATP. C'est pendant les années 1939-41 que Fritz Lipmann (prix Nobel de médecine et physiologie en 1953 également) a démontré que la cellule utilise l'ATP comme fournisseur universel de l'énergie contenue dans ses liaisons phosphate qui en sont particulièrement riches (voir figure 5A). Sommaire La production d'ATP Approvisionnement en métabolites Sommaire La production d'ATP > Approvisionnement en métabolites Prise de nourriture Comme mentionné plus haut, la mitochondrie sert à convertir en ATP les liaisons riches en énergie des métabolites provenant de la nourriture. Un régime alimentaire équilibré apporte des glucides, des acides gras, des acides aminés et des nucléotides mais nous n'avons pas besoin nécessairement de tout en même temps. Des voies métaboliques variées ont été mises en place pour l'inter conversion de ces composés. Par exemple, les glucides peuvent être synthétisés (néoglucogenèse) à partir de produits du cycle de l'acide citrique (Krebs), des acides aminés, du glycérol ou du lactate. Les acides gras peuvent être synthétisés à partir de l'acétyl-CoA avec comme précurseur le glucose (voir figure 6). Certains acides aminés peuvent être aussi synthétisés, mais, environ la moitié de ceux qui composent les protéines sont dits « acides aminés essentiels » (chez les vertébrés), car directement et obligatoirement apportés par l'alimentation. L'impossibilité de synthèse de ces acides aminés par les animaux est due au fait que l'azote moléculaire est chimiquement inerte. Seuls les végétaux et certains micro-organismes, sont capables de l'incorporer dans des molécules organiques selon un processus appelé fixation de l'azote. Figure 6. Interconversion de voies métaboliques Sommaire La production d'ATP > Approvisionnement en métabolites Création et utilisation des réserves énergétiques ; les rôles opposés du couple glucagon/adrénaline et de l'insuline Les métabolites qui forment des réserves, peuvent être considérés comme des carburants métaboliques potentiels. Ce sont des polysaccharides, sous forme de granules de glycogène (particules de 15 à 30 nm), des triglycérides sous forme de gouttelettes lipidiques et pour les cas d'extrême dénutrition, les protéines. A l'exception des cellules nerveuses qui ne peuvent utiliser que le glucose comme carburant métabolique, les cellules peuvent ensuite convertir les trois formes de réserves en ATP. En général, la synthèse des réserves (anabolisme) est dirigée par l'insuline provenant des cellules des îlots de Langerhans du pancréas (en Latin insula = île) (voir figure 7). Figure 7. Insuline, glucagon et pancréas Par contre la mobilisation des réserves (catabolisme) est dirigée essentiellement par deux hormones : le glucagon, provenant des cellules des îlots de Langerhans et agissant essentiellement sur le foie en libérant le glucose dans le sang ; l'adrénaline (de l'Anglais adrenal glands = glandes surrénales) qui agit majoritairement sur le catabolisme du glycogène musculaire, fournissant rapidement au muscle son « carburant » glucose lors des circonstances d'urgence (voir figure 8). Figure 8. Adrénaline et glandes surrénales La synthèse du glycogène est réalisée par la glycogène synthétase alors que c'est l'acide gras synthétase qui assurera celle des triglycérides. A l'inverse, la dégradation du glycogène, glycogénolyse, est réalisée par la glycogène phosphorylase alors que la dégradation des triglycérides en acétyl Co-A est due à un processus qu'on appelle oxydation (plusieurs enzymes). La synthèse des protéines est réalisée par les ribosomes et leur dégradation, par les protéasomes (voir figure 9). Si l'insuline augmente la synthèse des protéines (fonction anabolique), elle ne peut être tenue pour responsable de leur mise en réserve (comparable à ce qui se passe pour les lipides et les glucides) car les protéines sont exclusivement et immédiatement utilisées pour le maintien, la réparation ou la croissance de l'organisme. Figure 9. Glucagon, adrénaline et insuline, et métabolisme des lipides, glucides et protéines L'activité de la glycogène phosphorylase a lieu dans le cytoplasme et résulte en la formation de glucose-1-phosphate qui sera converti en glucose-6phosphate. Dans le foie (et les reins), le phosphate est enlevé par la glucose6-phosphatase (G6Pase) présente dans le réticulum endoplasmique et le glucose peut alors accéder à la circulation sanguine par la voie d'exocytose. Chez l'Homme adulte les réserves hépatiques de glycogène permettent de disposer de 72 g de glucose utilisables en 8 heures en état de repos. Dans le muscle, dépourvu de l'enzyme G6Pase, le glucose-6-phosphate ne peut pas sortir de la cellule et est utilisé entièrement in situ (au total 350 g de glucose disponible sous forme de glycogène). La réserve lipidique qui se trouve essentiellement dans le tissu adipeux, est mobilisée par l'action de lipases : les acides gras ainsi libérés sont transportés vers le sang, distribués aux cellules utilisatrices pour alimenter la voie de oxydation à l'intérieur de la mitochondrie (résultant en production d'acétyl-CoA) (voir figure 10). Sommaire La production d'ATP Les activités métaboliques à l'origine de la production d'ATP Sommaire La production d'ATP > Les activités métaboliques à l'origine de la production d'ATP Glycolyse, β-oxydation et cycle de l'acide citrique Dans le cytosol, le glucose entre dans la voie métabolique que l'on appelle glycolyse qui consiste en une série de réactions qui convertissent une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate avec production associée de 2 ATP et 2 . Le pyruvate est transporté à l'intérieur de la mitochondrie où il est ensuite transformé en acétyl-CoA par la pyruvate déshydrogénase. Les acides gras sont importés dans la mitochondrie et y sont aussi convertis en acétyl-CoA. L'acétyl-CoA entre ensuite dans une troisième voie métabolique, le cycle de l'acide citrique dans lequel il est déshydrogéné en fournissant du et et du . En cliquant sur les différentes voies métaboliques vous trouverez les détails moléculaires qui dans l'objectif de cette ressource ne sont pas à connaître par cœur). Les astérisques de la figure ci-dessous sont cliquables (glycolyse, β-oxydation et cycle de l'acide citrique). Elles proposent un rappel illustré sur ces processus métaboliques. Figure 10. Localisation des processus métaboliques Si vos connaissance sur ce sujet sont insuffisantes, nous vous suggérons de consulter « Biochimie structurale et métabolique », Christian Moussard, De Boeck Université. Le cycle de l'acide citrique est aussi connu sous l'appellation cycle de Krebs, du nom du Sir Hans A Krebs (Prix Nobel partagé avec Lipmann en 1953) qui en 1937, par expérimentation et analyse de résultats antérieurs d'autres biochimistes arriva à la conclusion que la voie de l'acide citrique était la principale (et même seule) voie d'oxydation des hydrates de carbone dans le muscle du vol chez le pigeon. Pour ceux qui aspirent au prix Nobel ou qui admirent les lauréats, nous suggérons de consulter le site http://nobel.se/. Sommaire La production d'ATP > Les activités métaboliques à l'origine de la production d'ATP Phosphorylation oxydative liée à la chaîne de transport des électrons La chaîne de transport des électrons Les hydrogènes (électrons plus protons) captés par le (qui devient le ), issus de la dégradation des molécules de glucose et d'acide gras sont transférés à l' grâce à une série d'évènements qui aboutit à la formation d' : la chaîne de transport des électrons. Cette chaîne se déroule dans la membrane interne de la mitochondrie, surtout dans les crêtes, et elle fait intervenir plusieurs complexes enzymatiques, appelés : NADHquinone oxydoréductase (complexe I), succinate-quinone oxydoréductase (complexe II), Quinol-cytochrome c oxydoréductase (complexe III ou complexe bc1) et Cytochrome c oxydase (complexe IV). Elle contient également 1) l'ubiquinone, qui se trouve dans l'épaisseur de la membrane interne (molécule lipophile), qui transporte les électrons (et protons) du complexe II au complexe III, et 2) le cytochrome c, qui se trouve dans l'espace inter membranaire et qui établit une navette d'électrons entre complexes III et IV. Les événements sont présentés schématiquement figure 11. Dans cette image, les complexes sont représentés en une seule entité mais en réalité ils sont constitués de plusieurs sous-unités protéiques. Le tableau ci-dessous donne une idée de la taille et de l'hétérogénéité des complexes de la chaîne respiratoire. fonction enzymatique poids moléculaire nombre de sous-unités Complexe I NADH-quinone oxydoréductase 800 kDa 25 Complexe II succinate-quinone oxydoréductase 140 kDa 4 Complexe III quinol-cytochrome oxydoréductase 250 kDa 9-10 Complexe IV cytochrome c oxydase 170 kDa 13 Complexe V ATP synthase 380 kDa 12-14 c Figure 11. La chaîne respiratoire Animation : cette animation montre comment le passage des électrons, de cytochrome c à cytochrome c oxydase (complexe IV), permet le transport simultané de protons ( ) à travers la membrane interne de la mitochondrie (fonction de pompe de la cytochrome c oxydase) Macromedia Shockwave - 106Ko La direction du flux d'électrons le long de la chaîne de transport est déterminée par la faculté des composants à perdre ou à gagner des électrons. Par exemple, a une affinité modérée pour les électrons, si bien que sa forme réduite, , peut facilement céder ses deux électrons. Au contraire, l'oxygène moléculaire a une très forte affinité pour les électrons et est donc un très bon agent oxydant, capable de capturer avidement les électrons des autres molécules. La capacité à « donner » ou à « prendre » des électrons est exprimée par un paramètre nommé potentiel d'oxydoréduction (symbole Eò), ayant un potentiel de et l'oxygène moléculaire, un potentiel de . Les électrons se déplacent des molécules à faible potentiel d'oxydoréduction vers les molécules possédant un potentiel fort ; et donc dans le cas de la chaîne mitochondriale de transport des électrons, du NADH à l'oxygène moléculaire (voir figure 12). Figure 12. Potentiel d'oxydoréduction Fondamentalement, au cours de la capture des électrons par les complexes I, III et IV, il y a simultanément translocation des protons vers l'espace inter membranaire (pompe ) (voir figure 11 et son animation). Le processus crée un gradient protonique (potentiel membranaire de 150 mV, négatif côté espace matriciel et une différence de pH de 0,5). Le gradient électrochimique ainsi généré est utilisé pour la phosphorylation de l'ADP en ATP par l'ATP synthase (complexe V, qui constitue une particule dite élémentaire visible en microscopie électronique) (voir figure 13). Le couplage de l'oxydation des métabolites en appelé phosphorylation oxydative. et et la production d'ATP est Figure 13. ATP synthase Animation : cette animation (commentée en anglais) montre le fonctionnement de l'ATP synthase [réalisation Graham Johnson pour Garland Press] Apple Quicktime - 9,0Mo Hébergement des électrons dans les composants de la chaîne Au sein de la chaîne de transport, les électrons sont successivement et transitoirement « hébergés » par différents sites moléculaires appelés groupes prosthétiques (porphyrines et flavine mononucléotides (FMN, apportée par la vitamine « riboflavine »). Les atomes qui hébergent les électrons dans ces groupes prosthétiques peuvent être : des atomes de C ou N, pour (apporté par la « vitamine » (acide nicotinique) et ubiquinone ; des atomes de Fe inclus dans une structure moléculaire appelée hème ou hémochrome, pour les cytochromes ; des complexes de Fe.S, pour les FMN et cytochrome bc1 ; des atomes de Cu dans la cytochrome c oxydase. Cette ressource n'a pas pour but d'exposer en détail l'aspect biochimique et biophysique de la phosphorylation oxydative. Pour information complémentaire sur le sujet, nous vous suggérons de consulter « La biochimie, Tome 1 :biochimie structurale et métabolique », Christian Moussard, De Boeck Université. Etymologie des termes cytochrome et ubiquinone Les cytochromes sont des pigments cellulaires (chromos = couleur) détectables dans l'intervalle 300 à 600 nm du spectre de la lumière. Le terme désigne un ensemble formé d'une protéine et d'un groupe prosthétique (hémochrome) responsable de l'absorption caractéristique de la lumière. Ubiquinone, nommée pour sa répartition très large, ubiquitaire, chez les végétaux, animaux et micro-organismes (latin ubique = présent partout). Elle fut identifiée plus tard à un co-enzyme de la chaîne respiratoire, nommé pour cela co-enzyme Q10 (ubiQuinone). 10 fait référence au nombre d'unités isopréniques ( ) présentes dans la queue hydrophobe de la molécule (située dans la membrane). Pour savoir plus sur les groupes prosthetic dans les enzymes, le site « Scripps Metallo PROMISE » est très utile : http://metallo.scripps.edu/PROMISE/. Cardiolipine et chaîne respiratoire La cardiolipine, ou diphosphatidylglycérol, est un lipide qui est spécifique des membranes des bactéries et des mitochondries, autrement dit, des membranes dont la fonction est de fournir un potentiel électrochimique pour le transport des électrons et la synthèse d'ATP. Le terme cardiolipine vient du fait que ce lipide a été isolé à partir de cœur de bovin dans lequel il représente 10% des phospholipides totaux. Plus tard, la cardiolipine a été trouvée en abondance dans la mitochondrie où elle représente 20% des phospholipides totaux et dans la membrane externe des bactéries. Etant donné que la cardiolipine est un lipide spécifique de la mitochondrie on est en droit de penser que sa fonction biologique dans cet organite, est fondamentale. Elle est localisée principalement dans la membrane interne où elle interagit avec plusieurs protéines parmi lesquelles les complexes III (cytochrome bc1) et IV (cytochrome c oxydase), la protéine d'échange ATP/ADP, l'ATP synthase et le transporteur de phosphate inorganique (Pi). Il a été montré que la cardiolipine déterminait la structure quaternaire (et donc fonctionnelle) de ces protéines enzymatiques et assurait également la bonne orientation et la bonne position (pour faciliter le passage des électrons) des différents composants de la chaîne respiratoire. Ce rôle est bien illustré par le syndrome de Barth, myopathie spécifique due à une production défectueuse de cardiolipine résultant en un fort déficit dans la production d'ATP. La cardiolipine limite aussi la diffusion de protons situés dans l'espace inter membranaire en les liant à ses groupes phosphates, tamponnant ainsi le pH global (voir figure 14). Enfin, la cardiolipine est considérée comme un co-facteur déterminant de l'importation du cholestérol indispensable au déroulement de la stéroïdogenèse mitochondriale. Figure 14. Cardiolipine dans la membrane interne de la mitochondrie L'ATP synthase ( ) En présence du gradient de protons établi entre les deux faces de la membrane mitochondriale interne et en absence de concentrations élevées d'ATP dans la matrice, l'ATP synthase laisse passer les protons, au niveau du domaine membranaire domaine , un passage qui permet la production d'ATP par le . Plus précisément, chaque sous-unité , du domaine de la protéine, couple rapidement l'ADP et le Pi en produisant l'ATP qui reste en place. C'est le potentiel de membrane et le passage des protons qui en résulte (« source d'énergie »), qui permet l'expulsion de l'ATP vers l'espace matriciel au cours d'un mouvement de rotation de la sous-unité dans le domaine . La place de l'ATP est immédiatement prise par un nouvel ADP + Pi. Il faut 12 protons pour la production de 3 ATP (voir figure 13 ci-dessus). Cette enzyme peut également fonctionner dans l'autre sens, ce qui se produit en absence de gradient de protons et en présence d'ATP. Dans ce cas elle fonctionne comme une pompe à protons, comparable à l' -ATPase de la membrane des lysosomes décrite dans la ressource « Transport membranaire ». Bilan final Le bilan final de toutes ces inter conversions chimiques, c'est que l'oxydation complète d'une molécule de glucose fournira 30 molécules d'ATP et qu'une molécule d'acide gras, tel que le palmitate (C16), fournira 120 molécules d'ATP. La complexité des inter conversions chimiques qui s'effectuent dans les mitochondries trouve sa justification dans un phénomène de fractionnement de l'énergie libérée qui évite un dégagement excessif de chaleur dû à la condensation de et (en ). L'énergie peut être convertie efficacement en liaisons riches en énergie dans des molécules telles que l'ATP grâce à des réactions couplées. La théorie de chimiosmose Le processus précédemment décrit est analogue à un générateur faisant passer un courant à travers une série de moteurs électriques. Cependant, dans les systèmes biologiques, les électrons sont transportés d'un site à l'autre par des molécules diffusibles qui prennent des électrons au niveau d'un site pour les apporter sur un autre site. Dans le cas de la chaîne mitochondriale de transfert d'électrons, le processus commence avec le . C'est l'anglais Peter Mitchell qui proposa le mécanisme de couplage entre le transport des électrons et la synthèse de l'ATP. Il suggéra que le flux des électrons d'un composant à l'autre de la chaîne respiratoire (et ceci est également vrai pour le flux des électrons dans les photo systèmes du chloroplaste) dirige des protons (ions hydrogène) au travers de la membrane (vers l'espace inter membranaire), créant ainsi un gradient protonique (150 mV). Secondairement, la production d'ATP est due au flux inverse de protons descendant le gradient. Cette proposition constitue la base de la théorie appelée chimiosmose (Mitchell, prix Nobel en 1978). Créatine phosphate Bien que la production d'ATP soit essentiellement due aux processus métaboliques décrits plus haut, la mitochondrie peut utiliser une voie alternative pour assurer la production immédiate d'ATP. Elle possède en effet une enzyme, créatine kinase, qui catalyse la production de créatine-phosphate. Celle-ci est à son tour transportée dans le cytoplasme où elle est utilisée pour phosphoryler l'ADP en ATP (régénération très rapide de l'ATP, indépendante de la production d'ATP mitochondrial) (voir figure 15). Cette voie s'épuise en environ 8 secondes dans le muscle au travail et pourrait donc être vue comme un processus tampon entre la demande immédiate et la possibilité de production par la glycolyse et la chaîne respiratoire. Figure 15. Créatine phosphate et ATP La créatine est un additif nutritionnel populaire chez les athlètes dont la spécialité sportive nécessite un apport brutal d'énergie (par exemple, sprinters et haltérophiles). L'idée de départ est d'atteindre un haut niveau de créatine-phosphate et donc d'atteindre une production plus élevée d'ATP dans les 8 premières secondes. Cependant, il n'y a pas de preuve établie que cette supplémentation artificielle augmente le niveau cellulaire de créatine phosphate et donc augmente réellement les possibilités de l'athlète. La figure 16 présente l'usage de différentes sources d'énergie utilisées pour l'approvisionnement en ATP pendant un exercice physique. Figure 16. Créatine phosphate dans le temps (sources d'énergie) Sommaire Transport au travers de l'enveloppe mitochondriale Sommaire Transport au travers de l'enveloppe mitochondriale Introduction De ce qui précède il apparaît que la production d'ATP requiert une provision de métabolites tels que les acides gras, le pyruvate et les acides aminés dans l'espace matriciel. L'enveloppe mitochondriale contient donc de nombreuses protéines de transport, les porines, échangeurs et transporteurs (revoir les principales classes de protéines membranaires de transport). Le transport semble s'effectuer sur des sites bien précis, nommés « sites de contact mitochondriaux », au niveau desquels les deux membranes unitaires sont rapprochées. Ces sites regroupent différentes protéines transporteuses. Des exemples significatifs sont donnés ci-dessous (paragraphe « transport à travers la membrane interne »). Pour s'approvisionner activement en métabolites, les mitochondries ont adopté la même stratégie que la cellule au niveau de sa membrane plasmique : elles utilisent un gradient électrochimique pour faciliter le transport au travers de la membrane interne. Dans le cas de la membrane plasmique (de la cellule), c'est le gradient de et , (entretenu par les pompes mises en jeu par hydrolyse de l'ATP) qui facilite le transport. Dans la membrane interne (au niveau de la crête mitochondriale), le transport utilise le gradient de protons ( ) entretenu par les complexes I, III et IV qui sont actionnés par l'association transitoire avec des électrons provenant du NADH. Si la membrane plasmique utilise le gradient de pour le transport de glucose ou les échangeurs pH, les mitochondries utilisent le gradient de protons ( de pyruvate et pour la régulation du ) pour le transport (Pi) et l'échange d'ADP/ATP. NB : Les pompes entretiennent un potentiel de 70 mV (négatif à l'intérieur de la cellule), alors que les complexes mitochondriaux de la chaîne respiratoire réalisent un potentiel de 150 mV (négatif à l'intérieur de la mitochondrie) : revoir la différence de potentiel transmembranaire. Sommaire Transport au travers de l'enveloppe mitochondriale Transport à travers la membrane externe La membrane externe contient des porines, protéines transmembranaires formant de véritables pores. Leur sélectivité et leur spécificité ne sont pas encore bien connues. Le canal anionique VDAC (voltage-dependent anion channel) est considéré comme la voie principale de passage des métabolites à travers la membrane externe. Ce canal est constitué d'une protéine de 31 kDa adoptant une structure de tonneau, ressemblant ainsi aux porines de la membrane externe des bactéries (figure 17). Ce pore a un diamètre interne de 2,5 nm qui permettrait donc le libre passage des acides gras, du pyruvate, des acides aminés et de nucléotides. Figure 17. VDAC, porine dans la membrane externe de la mitochondrie Sommaire Transport au travers de l'enveloppe mitochondriale Transport à travers la membrane interne Le passage à travers la membrane interne est sélectif et réalisé par des transporteurs et échangeurs. Quelques exemples de transport sont donnés cidessous : ATP/ADP L'ADP (entrant) et l'ATP (sortant) sont échangés entre la matrice mitochondriale et le cytoplasme de la cellule par l'ANT (adenine nucleotide translocase), protéine possédant 6 hélices transmembranaires et un poids moléculaire de 35 kDa. Ce transporteur, actif sous forme de dimère, est la protéine la plus abondante de la membrane interne. Il en existe 3 isoformes qui fonctionnent par antiport, déplaçant l' vers l'intérieur contre vers l'extérieur. La réaction d'échange est électrogénique et rendue possible par le composant électrique du gradient de protons ( ). (voir figure 18). Figure 18. Transport d'ATP/ADP, Pi et pyruvate (Pi) Le phosphate inorganique, nécessaire à la phosphorylation de l'ADP est apporté par le co-transporteur (symport), protéine de 33 kDa, active sous forme de dimère (voir figure 18). Pyruvate Le pyruvate est transporté à l'intérieur de la mitochondrie par le cotransporteur (symport), /pyruvate translocase, de 40 kDa de poids moléculaire (mal caractérisé par ailleurs) et mis en jeu par le gradient de protons ( ) (symport) (voir figure 18). Acides Gras Les acides gras (le plus abondant étant l'acide palmitique (C16) traversent la membrane interne de la mitochondrie grâce à une liaison avec la carnitine (vitamine ) qui facilite le transport. Les événements se déroulent comme suit : à l'extérieur de la mitochondrie l'acide gras se lie à un groupe CoA qui sera rapidement remplacé par un groupe carnitine, résultant dans la formation d'un acylcarnitine, réaction catalysée par la carnitine-palmitoyltransférase-I (CPT-I, poids moléculaire 88 kDa). La carnitine est reconnue par un transporteur situé dans la membrane interne et qui échange l'acide grascarnitine contre une carnitine libre (provenant de l'intérieur). Cet échangeur est appelé carnitine/acylcarnitine translocase (CACT, poids moléculaire de 33 kDa). Dans l'espace matriciel, la carnitine est séparée de l'acide gras par la carnitine palmitoyltransférase-II (CPT-II, poids moléculaire de 68 kDa). L'acide gras se lie alors au CoA, formant un palmitoyl-CoA, disponible pour subir la oxydation dans l'espace matriciel (voir figure 19A et 19B). Figure 19A. Le transport des acides gras Figure 19B. Détails moléculaires de la carnitine (vitamine l'acide palmitique ), du CoA et de Protéines de découplage (UCP) Dans la membrane interne de la mitochondrie, on trouve aussi des canaux protoniques ( ), UCP1 (thermogénine), UCP2, UCP3 (uncoupling protein 1, 2 ou 3). Ces canaux ont été caractérisés à partir du tissu adipeux brun dans lequel ils permettent le passage des protons de l'espace inter membranaire vers la matrice, évitant ainsi leur passage par l'ATP synthase et par conséquent la formation d'ATP. Le tissu brun, dont la couleur est due à la présence de très nombreuses mitochondries, est très abondant chez le nouveau-né et également chez les animaux hibernants à sang chaud. Son rôle est de fournir de la chaleur à l'organisme (par les activités métaboliques mitochondriales sans production associée élevée d'ATP (production inutile lorsque l'activité motrice est faible)). Production de chaleur Le tissu adipeux brun ne se développe chez le fœtus qu'au cours des trois derniers mois de la vie intra utérine. Le prématuré (6ème à 8ème mois de gestation) n'a donc pas encore la possibilité de maintenir correctement sa température corporelle et doit impérativement bénéficier d'une couveuse. Après la naissance, le tissu brun disparaît progressivement et la production de chaleur devient surtout associée à la régulation du tonus musculaire. Un refroidissement excessif du corps déclenche un réflexe de contraction musculaire généralisée et spasmodique : le frisson. La chaleur provient de la réaction exothermique d'oxydation du glucose (combustion) : énergie disponible 686 kcal/mol. La production couplée de 36 molécules d'ATP est une réaction endothermique : énergie absorbée 236 kcal/mol. Le bilan est une réaction exothermique au cours de laquelle 450 kcal/mol sont dissipées sous forme de chaleur (rendement de 40%). En cas de découplage de production d'ATP, l'énergie dissipée sous forme de chaleur sera plus proche de 686 kcal/mol de glucose. Sommaire Autres fonctions de la mitochondrie Sommaire Autres fonctions de la mitochondrie Rôle de la mitochondrie dans la synthèse des hormones stéroïdes Les mitochondries sont impliquées dans la biosynthèse des hormones stéroïdes dont le cholestérol est le précurseur. Ce sont les cytochromes P450scc et P450aldo, dans la matrice mitochondriale, qui font entrer le cholestérol dans la chaîne de biosynthèse des stéroïdes (voir figure 20). En fonction de la glande endocrine dans laquelle elle se produit, cette biosynthèse peut aboutir à la formation de : de testostérone, dans le testicule, de progestérone et d'œstradiol, dans l'ovaire, de glucocorticoïdes comme le cortisol (divers rôles dont lutte contre l'inflammation), dans la glande surrénale, minéralocorticoïdes comme l'aldostérone (rôle dans l'équilibre ionique), dans la glande surrénale. Figure 20. Le cholestérol et les stéroïdes L'étape limitante de la production des stéroïdes est le transport de cholestérol à travers l'espace inter membranaire. Parce que le cholestérol est un lipide (revoir le cholestérol dans la membrane plasmique), il nécessite l'intervention d'une protéine de transport pour transiter dans le milieu aqueux. Ce rôle est joué par la protéine StAR (Steroidogenic Acute Regulatory protein, d'un poids moléculaire de 30 kDa) dont le dysfonctionnement (dû à une mutation génétique) se manifeste par une hyperplasie compensatrice de la corticosurrénale. Sommaire Autres fonctions de la mitochondrie Rôle des mitochondries dans l'homéostasie du Ca2+ La mitochondrie participe (avec le réticulum endoplasmique) également à la régulation de la concentration intracellulaire de calcium. Cependant, la pompe membranaire qui assure le passage de vers la matrice n'a pas encore été identifiée. Sommaire Autres fonctions de la mitochondrie Rôle de la mitochondrie dans la mort cellulaire programmée (apoptose) Dans certains cas les cellules sont soumises à un processus de mort programmée (apoptose). Cela se manifeste par exemple : lors de dommages irréparables de l'ADN (chimiothérapie, rayons-X, radicaux libres d'oxygène), lors de la perte de contact cellule-matrice (revoir les intégrines et la survie cellulaire) ou cellule-cellule, ou lors de la mise en jeu d'une horloge interne dont le mécanisme moléculaire est encore mal compris (les leucocytes polynucléaires ont une vie moyenne limitée à quelques dizaines d'heures, après quoi ils meurent par apoptose). Dans ce processus, la fuite de cytochrome c par un pore nouvellement créé dans la membrane mitochondriale externe, PTPC (permeability-transition pore complex) qui comprend parmi d'autres protéines le canal anionique VDAC (évoqué plus haut), joue un rôle capital. Le cytochrome c ainsi relargué dans le cytoplasme participe à l'assemblage d'un complexe protéique (apoptosome), responsable de l'activation de protéases, enzymes protéolytiques appelées caspases (voir figure 21). Les caspases détruisent d'importants composants moléculaires du noyau et du cytoplasme, ce qui conduit à la mort de la cellule. Cette cellule sera phagocytée par des macrophages ou par des cellules voisines, sans laisser de traces, ce qui évite le déclenchement de la réponse inflammatoire. Ce phénomène se distingue de la nécrose cellulaire, au cours de laquelle le contenu cellulaire est répandu dans l'environnement tissulaire, ce qui provoque une réponse inflammatoire avec tous les symptômes de douleur, enflure (œdème), chaleur et rougeur. Figure 21. Cytochrome c et initiation de l'apoptose Sommaire Maladies liées aux mitochondries Sommaire Maladies liées aux mitochondries Maladies liées aux mitochondries Les maladies dues aux défauts de la chaîne de phosphorylation oxydative peuvent concerner tous les organes et survenir à n'importe quel âge. Cependant elles se manifestent dans les organes qui nécessitent une demande élevée d'ATP, tels que le muscle squelettique et cardiaque, et aussi le cerveau et le foie. Les manifestations cliniques sont des neuropathies, myopathies, cardiopathies isolées ou combinées entre elles. Les maladies mitochondriales sont sévères, souvent mortelles et toujours de nature complexe. Dans la plupart des cas elles sont transmises par la mère en raison de l'origine exclusivement ovulaire des mitochondries. Sommaire Excursions Ces excursions sont destinées à placer la mitochondrie dans un contexte conceptuel élargi ouvrant sur des implications extrêmement variées, qui vont de la pathologie à la paléontologie. En outre, nous développons le sujet du diabète sucré, conséquence d'une dérégulation dans l'approvisionnement des mitochondries en métabolites utiles. Le diabète est une maladie de plus en plus répandue (liée à l'obésité) dont l‘émergence permet de souligner l'intrication des divers processus métaboliques qui assurent l'homéostasie du glucose, décisive pour la production d'ATP. L'ADN mitochondrial. Dans cette excursion, l'ADN mitochondrial sera évoqué pour les gènes qui le composent et leurs implications dans les pathologies et le développement embryonnaire. Nous mentionnerons également leur utilité pour des recherches aussi bien phylogénétiques que médico-légales. Partir en excursion La mitochondrie complice des assassins. Dans cette excursion, nous verrons comment la mitochondrie est la cible de poisons souvent évoqués dans la littérature policière. Partir en excursion Diabète sucré, dérégulation de l'approvisionnement de la mitochondrie en métabolites. Dans cette excursion focalisée sur le diabète sucré, nous verrons les conséquences d'une dérégulation relativement fréquente de l'approvisionnement de la mitochondrie en métabolites. Partir en excursion Sommaire Excursions L'ADN mitochondrial Sommaire Excursions > L'ADN mitochondrial Un tout petit génome La mitochondrie contient plusieurs copies d'ADN circulaire (ADNmt) d'une taille de 16,5 kb environ. Comme mentionné dans l'introduction, la mitochondrie provient vraisemblablement de l'endosymbionte protobactérie aérobie incorporée par une archéobactérie anaérobie (hôte). Au cours de l'évolution, l'ADN du symbionte a graduellement rejoint l'ADN de l'hôte pour participer à la formation du noyau cellulaire (ADN nucléaire). Seul un minigénome circulaire est resté dans ce qui est devenu la mitochondrie. Ce génome code 13 protéines qui contribuent à la synthèse des complexes III (cyt b) et IV de la chaîne de transport des électrons et du complexe V (sous unités de l'ATPsynthase). L'ADNmt code également deux ARN ribosomiques (sous unités 12S et 16S du ribosome) et vingt-deux ARN de transfert (ARNt) nécessaires à la traduction de l'ARN messager (ARNm) en protéines (voir figure 22). Il faut bien réaliser que ces 13 protéines ne représentent qu'une très faible proportion des 1000 protéines qui constituent une mitochondrie fonctionnelle. L'utilisation d'ADNmt pour la synthèse protéique dépend entièrement de l'importation de facteurs de transcription et de traduction. La réplication de l'ADNmt est aussi entièrement dépendante de l'import d'enzymes provenant du cytoplasme, mais n'est cependant pas nécessairement synchronisée avec la réplication de l'ADN nucléaire. Figure 22. ADN mitochondrial Sommaire Excursions > L'ADN mitochondrial Similitudes entre cytochrome c bactérien et mammalien La cytochrome c oxydase d'une bactérie est plus simple que celle d'un mammifère. Elle est composée de seulement 4 sous-unités, trois d'entre elles étant très proches de celles qui constituent le cœur de l'enzyme mammalienne (colorées en jaune, orangé et rosé sur la figure 23). La très grande similitude de l'enzyme bactérienne avec le cœur de l'enzyme mammalienne (figurant à gauche) est remarquable par la forme et par l'origine. En effet ces sous-unités centrales sont synthétisées par la mitochondrie alors que les dix petites protéines qui enveloppent le cœur (dans l'enzyme mammalienne) sont synthétisées dans le cytoplasme de la cellule avant d'être importées dans la mitochondrie. Nos mitochondries construisent donc une enzyme de type bactérien que nos cellules décorent d'autres protéines destinées à compléter sa fonction dans la chaîne respiratoire des mammifères. Figure 23. Cytochrome c oxydase d'une bactérie et d'un mammifère Sommaire Excursions > L'ADN mitochondrial L'ADNmt et les maladies neuromusculaires invalidantes Un exemple concerne les conséquences d'une mutation d'un seul nucléotide dans l'ADN mitochondrial qui entraîne le remplacement d'un résidu arginine par un histidine (340ème acide aminé de la sous-unité ND4 du complexe I (une des 42 sous-unités de ce complexe)). Ce simple changement est à l'origine de plusieurs maladies neuromusculaires très invalidantes. Bien que le nombre de gènes mitochondriaux soit faible, les maladies qui leur incombent sont relativement fréquentes. Ceci est dû au fait que les anomalies de réplication de l'ADN sont beaucoup plus fréquentes dans les mitochondries que dans le noyau de la cellule. Sommaire Excursions > L'ADN mitochondrial Médecine légale L'ADNmt a pu être considéré comme le 24ème chromosome chez l'Homme et a été même le premier à être complètement séquencé. Etant donné qu'il y a plus de 1000 copies d'ADNmt par cellule, c'est le chromosome le plus abondant et surtout c'est souvent le seul ADN présent en quantité suffisante pour permettre des investigations en médecine légale et en paléontologie (fossiles). De ce point vue, une autre particularité de l'ADNmt est qu'il se transmet uniquement par le lignage maternel (voir ci-dessous) et ainsi, n'est pas soumis à des recombinaisons qui s'avèreraient gênantes au cours de recherches phylogéniques. Un exemple d'utilisation médico-légale de l'ADNmt est illustré par l'établissement de parenté entre des enfants orphelins et leur grand-mères présumées, après la « disparition » de leurs parents dans les années 1990 en Argentine sous le régime de junte militaire. L'ADNmt a également été indispensable dans l'identification des ossements des membres de la famille du Tsar Nicolas II assassinés à Yekaterinburg par les Bolcheviques en Russie en 1917. Enfin, l'analyse minutieuse de la séquence de l'ADNmt humain a prouvé que l'homme moderne, Homo sapiens sapiens, est originaire d'Afrique et qu'il a commencé à coloniser les différents continents il y a environ 150 000 ans. Rappelons que son prédécesseur immédiat, Homo neanderthalis, qui n'a pas eu de descendance (le « world wild life fund (WWF) » ne s'en est pas alarmé car il n'existait pas encore à cette époque), est supposé avoir quitté l'Afrique il y a deux millions d'années (environ). Sommaire Excursions > L'ADN mitochondrial Le développement de l'embryon L'ADNmt maternel domine dans l'embryon en développement. Parmi les 100 000 copies d'ADNmt contenues dans l'œuf, seulement 100 proviennent du spermatozoïde. De plus il semble que les mitochondries paternelles sont destinées à être détruites dans l'œuf. Le rôle que l'ADNmt joue dans le développement embryologique n'est pas encore entièrement compris, mais il est sûr que deux embryons clonés, par injection de noyaux de deux cellules somatiques dans deux œufs énucléés, différeront du point vue de l'ADNmt maternel et donc ne donneront pas des individus identiques (ne sont pas de vrais clones !). Des études récentes ont montré que le comportement d'orientation de souris clonées est dépendant de leur patrimoine mitochondrial maternel. Sommaire Excursions La mitochondrie complice des assassins « Cet événement nous rendit perplexes, du fait que Mary a toujours joui d'une parfaite santé. Nous l'avons envoyée à l'hôpital, pour observation, comme on dit. - Et le résultat ? - Elle paraissait souffrir d'un empoisonnement intestinal sans cause apparente. Nous vérifiâmes les aliments qu'elle absorbait et fîmes analyser quelques échantillons. On découvrit alors qu'une certaine substance avait été mêlée aux plats que seule, ma femme mangeait. - En un mot, quelqu'un lui faisait prendre de l'arsenic. Exact ? - Oui, les doses étaient minimes mais ajoutées les unes aux autres... - Vous avez alors soupçonné votre fille ? - Non » (citation prise dans « La troisième fille », Agatha Christie, 1968, p138). Les archives criminelles et les romans policiers évoquent souvent l'utilisation par les meurtriers, de deux poisons, l'arsenic et le cyanure. C'est leur grande efficacité qui fait leur succès, mais les utilisateurs ignorent sans doute qu'elle est due à l'effet bloquant qu'ils exercent sur certains processus mitochondriaux. Sommaire Excursions > La mitochondrie complice des assassins L'arsenic L'arsenic, métalloïde naturel, provoque des empoisonnements lents, lorsque il est administré à dose faible et répétée. A dose massive, l'empoisonnement est plus rapide. Il bloque le cycle de l'acide citrique et donc la production de et , indispensables au fonctionnement subséquent de la chaîne respiratoire. L'arsenic est au centre de la scène dans la pièce « Arsenic et vieilles dentelles », de Joseph Kesselring, dont la première a eu un succès énorme à Broadway en 1941 (et adaptée pour le cinéma par Frank Capra). Un deuxième exemple de ce rôle vedette de l'arsenic est donné par Jean-Francois Parot dans « l'énigme des Blancs-Manteaux ». Sommaire Excursions > La mitochondrie complice des assassins Le cyanure Le cyanure, sel de l'acide cyanhydrique (HCN), a un effet très brutal par sa propriété de se complexer facilement aux ions métalliques qui composent les groupements prosthétiques de la cytochrome c oxydase (complexe IV dans la chaîne respiratoire) et de l'hémoglobine (comme le fait le monoxyde de carbone). Dans la mitochondrie sa fixation sur le complexe IV empêche instantanément toute production d'ATP. L'HCN a été découvert en 1782 par Schelle à partir d'un pigment bleu foncé, largement utilisé par les peintres de l'époque, le bleu de Prusse (d'où l'autre appellation de l'HCN : acide prussique). Dans la nature on peut le trouver en abondance dans certaines graines (amande amère) mais également dans les amandes des noyaux d'abricot, de prune et de pêche. Les romans d'Agatha Christie font souvent référence à l'empoisonnement au cyanure de potassium (détecté par son goût d'amande amère par son héros Hercule Poirot), voir les romans tels que « Meurtre au champagne », « les Dix Petits Nègres » ou « le Géranium bleu ». Sous sa forme gazeuse il est utilisé dans certains traitements insecticides et, plus tragiquement, sous l'appellation de Zyklon B, il était employé pour l'élimination d'êtres humains dans les chambres à gaz pendant la deuxième guerre mondiale. Sommaire Excursions > La mitochondrie complice des assassins Les complexes organophosphorés Un autre exemple où la mitochondrie est ciblée par un pesticide : l'utilisation de complexes organophosphorés pour éliminer les acariens, vecteurs de maladies parasitaires chez le mouton. Ces organophosphorés (nommés ici acaricides), réduisent fortement la production d'ATP en empêchant le fonctionnement du complexe I, premier élément de la chaîne respiratoire. Malgré le fait que les organophosphorés ciblent le complexe I de toutes les espèces (homme, mouton et acarien), l'acarien est plus touché que le mouton ou le fermier qui administre le pesticide parce que, d'une part la peau n'est pas une bonne porte d'entrée et, d'autre part, les concentrations toxiques sont plus élevées pour les grands organismes (« différence exploitable »). Certains de ces organophosphorés sont très toxiques pour les poissons si bien que l'utilisation de ces pesticides dans les environnements aquatiques pose un grave problème. Sommaire Excursions Diabète sucré, dérégulation de l'approvisionnement de la mitochondrie en métabolites Sommaire Excursions > Diabète sucré, dérégulation de l'approvisionnement de la mitochondrie en métabolites Glucagon, insuline et glycémie (homéostasie du glucose) Le pancréas (du grec éponge) est une glande mixte, à la fois exocrine et endocrine. La composante exocrine qui représente la grande majorité de l'organe, déverse dans le duodénum le zymogène, composé d'enzymes digestives (trypsinogène, pepsinogène et carboxypeptidases pour la digestion des protéines, amylase pour celle des hydrates de carbone, lipase, pour celle des lipides ainsi que les désoxyribonucléases et ribonucléases pour celle des acides nucléiques). Le pancréas endocrine de l'Homme est représenté par îlots de Langerhans, chaque îlot étant constitué de 20% de cellules (production de glucagon) et 70% de cellules (production d'insuline). Quelques cellules , produisent de la somatostatine capable de freiner la libération de glucagon, et quelques cellules F, produisant le « polypeptide pancréatique » qui intervient dans la production des enzymes digestives. L'insuline et le glucacon agissent en opposition pour réguler la concentration sanguine de glucose (glycémie) : il s'agit donc d'un contrôle endocrine destiné à assurer l'homéostasie du glucose. Après un repas, l'insuline facilite la capture du glucose sanguin par certaines cellules qui le stockent sous forme de glycogène ou de graisse. En dehors des repas, c'est la libération du glucagon qui domine, maintenant ainsi le niveau sanguin de glucose par mobilisation des réserves hépatiques, essentiellement. Au cours d'une sollicitation nerveuse sympathique, en situation de stress par exemple, la médullosurrénale libère de l'adrénaline qui dans plusieurs types de cellules mobilise les réserves pour assurer une forte production d'ATP, indispensable à la contraction musculaire intense au cours de la réponse à la peur : fuir ou combattre (« fright, fight or flight »). Pendant le jeûne les changements métaboliques sont les suivants : le glycogène des muscles et du foie est épuisé en moins de 10 heures (par la voie de glycogénolyse) ; les tissus (à l'exception du tissu nerveux !) utilisent les acides gras, provenant des adipocytes, ce qui leur sert de source d'énergie pendant 2 mois environ. Le tissu nerveux est approvisionné en glucose par la voie de néoglucogenèse hépatique, voie qui utilise tout d'abord les lipides puis les acides aminés (fonte musculaire). La présence des hormones, glucose et acides gras dans le sang sous différentes conditions alimentaires est illustrée dans le tableau ci-dessous : hormone / métabolite animal nourri jeûne 12 h jeûne 3 jours jeûne 5 semaines insuline (mU/ml) 40 15 8 6 glucagon (mU/ml) 80 100 150 120 ratio insuline/glucagon 0.5 0.15 0.05 0.05 glucose (mg/10ml) 100 79 62 59 acides gras (mM) 0.14 0.6 1.2 1.4 Figure 24. Assurer l'approvisionnement des mitochondries en métabolites Sommaire Excursions > Diabète sucré, dérégulation de l'approvisionnement de la mitochondrie en métabolites Insuline et Diabetes mellitus Sommaire Excursions > Diabète sucré, dérégulation de l'approvisionnement de la mitochondrie en métabolites > Insuline et Diabetes mellitus La découverte de l'insuline Le diabète sucré (Diabetes Mellitus) est une pathologie connue du corps médical depuis quelques milliers d'années. Les allusions à cette maladie peuvent être trouvées dans les écrits anciens dans lesquels elle apparaît sous le vocable grec « diabetes » qui signifie « qui traverse », par référence à la forte production d'urine elle-même liée à une soif constante qui caractérisent le diabète. Le terme « mellitus », du latin miel ou sucre, lui fut associé lorsque les médecins réalisèrent que l'urine des diabétiques était chargée en sucre. En 1670 le médecin britannique Thomas Willis a introduit le test gustatif longtemps utilisé par la suite pour diagnostiquer le diabète sucré. La corrélation entre diabète et dysfonctionnement pancréatique a été démontrée par une longue série d'observations et découvertes. C'est d'abord l'allemand Paul Langerhans qui, en 1869, a montré l'existence de deux compartiments dans le pancréas : d'une part le compartiment acineux élaborant le « suc » pancréatique et d'autre part, les îlots cellulaires dont il ignorait la fonction. En 1889, Minkowski et von Mering démontrèrent, chez le chien privé de pancréas, l'intervention de cet organe dans la régulation de la glycémie. C'est en 1893, que Laguesse rapprocha les deux résultats et suggéra que les îlots de cellules découverts par Langerhans pourraient sécréter une substance intervenant dans le métabolisme des glucides (fonction non-exocrine). En 1910, Sharpey-Shafer a concrétisé la suggestion de Laguesse et montré en effet que le pancréas a deux fonctions sécrétrices ; externe (exocrine) et interne (endocrine). Pour cette découverte, Sharpey-Shafer peut être considéré comme l'un des pères de la science Endocrinologie. La naissance de l'Endocrinologie « ...De plus, certaines glandes importantes qui sont pourvues de canaux, possèdent non seulement la faculté de produire une sécrétion externe, mais ont de façon également importante, sinon même plus importante, des fonctions liées à une sécrétion interne. Ainsi, le foie comme le pancréas sont essentiels à la survie, aussi bien en raison de leurs sécrétions internes qu'ils libèrent dans le sang que de leurs sécrétions externes bien mieux connues. La preuve de ceci est absolue. L'entière extirpation de ces organes cause la mort et ceci est dû à la suppression de l'influence qu'ils exercent sur le métabolisme corporel, par privation de leurs sécrétions internes et pas nécessairement par privation de leurs sécrétions externes : dans le cas du foie, il est bien connu que la bile peut être détournée par une fistule sans sérieuse conséquence sur les fonctions vitales et la même chose est vraie pour le suc pancréatique » A E Sharpey-Schafer, Address to the British Medical Association in Physiology, London, 2 August 1895 « On Internal Secretions » Par ses études, Sharpey-Shafer suggéra à son tour que le pancréas des diabétiques manquait d'une seule substance chimique, produite dans les îlots endocrines et qu'il proposa donc d'appeler insuline (du latin insula = île). Aux alentours de 1920 les travaux de Banting and Best (avec l'aide de Collip) dans le laboratoire de McLeod à Toronto, Canada, ont montré que les extraits pancréatiques étaient capables de compenser le diabète chez le chien dépancréatisé puis, plus tard, chez un enfant diabétique. En 1922, dans ces extraits le principe actif a été identifié, et nommé insuline en référence à la proposition de Sharpey-Shafer. Une nouvelle thérapie antidiabétique révolutionnaire pouvait être ainsi mise en place. Banting et McLeod ont reçu le prix Nobel en 1923 (pour plus d'information voir le site Banting and the Discovery of Insulin). Sommaire Excursions > Diabète sucré, dérégulation de l'approvisionnement de la mitochondrie en métabolites > Insuline et Diabetes mellitus Insuline et glycémie (homéostasie) L'insuline est composée de deux chaînes : la chaîne A (3,35 kDa) et la chaîne B (2,35 kDa) associées par des ponts disulfures. L'insuline peut se présenter sous forme de monomère, dimère ou héxamère (ces deux derniers conditionnés par la présence de ). En raison de sa position clé dans la régulation métabolique du glucose, la déficience en insuline ou son inefficacité (insulino résistance) ont des conséquences graves pour l'organisme : elles causent le diabète sucré (diabetes mellitus). Cette maladie est caractérisée par une haute concentration sanguine en glucose (hyperglycémie) qui survient immédiatement après le repas, suivie entre les repas d'une concentration trop faible (hypoglycémie). Ceci est dû à l'intervention de deux facteurs. Le premier étant un déficit dans la capture du glucose sanguin par le muscle et le tissu adipeux en raison d'un manque d'exposition sur la membrane plasmique du transporteur de glucose GLUT-4 (ce processus d'exposition est en effet sous la dépendance directe de l'insuline). Le foie et le cerveau ne sont pas concernés car l'exposition de leurs transporteurs est indépendante de l'insuline (GLUT-3 essentiellement pour le cerveau) : revoir le transport actif et passif du glucose. Le deuxième étant un déficit dans le stockage préalable du glucose sous forme de glycogène. Le foie ne peut donc pas, entre les repas, restaurer un taux sanguin de glucose suffisant pour assurer un bon fonctionnement du système nerveux central. Chez les diabétiques, l'excès sanguin de glucose (plus de 1,8 g/l de sang) induit sa fuite urinaire : glycosurie. Sa présence dans l'urine empêche la réabsorption de l'eau par le tube collecteur, ce qui se traduit par un volume excessif d'urine. En conséquence le malade ressent une très forte soif. Cette soif associée au fort volume d'urine a suggéré le nom de la maladie : diabète, du latin « diabetes » qui signifie « qui traverse » et également « siphon ». L'hypoglycémie brutale entre les repas est particulièrement délétère pour le système nerveux central (le glucose étant son seul nutriment) et se manifeste par des symptômes de confusion mentale, des défauts d'articulation de langage et enfin par le coma, effets qui peuvent être évités par un apport faible mais régulier en sucre. Sommaire Excursions > Diabète sucré, dérégulation de l'approvisionnement de la mitochondrie en métabolites > Insuline et Diabetes mellitus Diabète sucré type I et II On distingue deux types de diabète sucré : Type I : qui est une conséquence de la destruction (souvent autoimmune) des îlots de Langerhans et qui se manifeste dès la tendre enfance. Caractérisé par une sécrétion très faible d'insuline, une hyperglycémie, une glycosurie, une forte diurèse et une déviation du métabolisme énergétique vers les lipides. La maladie est traitée par administration d'insuline (par plusieurs piqûres journalières), un régime alimentaire adapté et de l‘exercice physique. Type II : fortement associé à l'embonpoint chez l'adulte, et qui survient aux environs de 50 ans. Il est dû au phénomène d'insulino résistance : l'insuline est sécrétée à un taux quasi normal mais incapable de mobiliser le transporteur GLUT-4 et de favoriser la synthèse de glycogène (défaut dans la signalisation en aval du récepteur de l'insuline). Le traitement impose un régime alimentaire réalisant un apport de glucose modéré et régulier. Le diabète sucré présente aussi d'autres symptômes graves tels que neuropathie (perte de sensibilité surtout dans les extrémités), rétinopathie (destruction de la rétine dans l'œil) et artérite des extrémités qui peut entraîner des infections sous-cutanées, des ulcères et la gangrène. Il entraîne aussi des désordres cardiovasculaires tels que l'hypertension et athérosclérose. Ces symptômes ne peuvent pas être uniquement attribués à l'hypo- ou l'hyperglycémie (pour plus d'information consultez les sites American Diabetes Association ou Info Di@bète). Sommaire Excursions > Diabète sucré, dérégulation de l'approvisionnement de la mitochondrie en métabolites > Insuline et Diabetes mellitus Diabète Insipide Pour mémoire, il existe également une maladie nommée Diabète Insipide qui se caractérise également par une soif et une diurèse excessives (20 litres par jour). L'adjectif « Insipide » lui a été attribué parce qu'au contraire du diabète sucré l'urine n'a aucun goût. La maladie est la conséquence d'une absence de la production, par l'hypothalamus, de vasopressine (hormone responsable de la récupération d'eau au niveau du tube collecteur du rein) : revoir le maintien de l'équilibre hydrique par les reins. Sommaire
