La mitochondrie

1
La mitochondrie
I) Introduction
II) Forme et structure
1) Forme
2) Structure
III) Fonctions de la mitochondrie
1) Mécanismes de production énergétique : rappel de biochimie
1.1) Oxydation des lipides
1.2) Dégradation du glycogène
1.3) Le cycle de Krebs
2) La phosphorylation oxydative
2.1) Généralités
2.1.1) Le couplage chimioosmotique
2.1.2) La force proton motrice
2.1.3) Mécanismes d'oxydation biologique
2.2) La chaîne respiratoire
2.2.1) La force proton motrice
2.2.2) L'ATPsynthase
2.2.3) Thermodynamique
2.2.4) Les composants de la chaîne respiratoire
IV) Comparaison mitochondrie – chloroplaste : la photosynthèse
1) Introduction
2) Le chloroplaste
3) La chaîne de transport des électrons
4) Biosynthèse des glucides
V) Evolution des chaînes respiratoires
VI) Croissance et division des mitochondries
VII) Adressage des protéines mitochondriales
1) Adressage des protéines cytosoliques matricielles
2) Transport des protéines à destination de la membrane interne et de l'espace
intermembranaire
3) Transport des autres éléments
VIII) L'ADN mitochondrial
1) Généralités
2) Tailles
3) Code génétique
4) Evolution
2
La mitochondrie
I) Introduction
Les mitochondries ont une importance fondamentale dans le métabolisme cellulaire.
Elles sont visibles en microscopie optique présentent des particularités morphologiques très
typiques.
Elles fonctionnent selon un processus semblable à celui des chloroplastes : le couplage
chimioosmotique.
L’énergie d’oxydation des nutriments est utilisée pour faire fonctionner la chaîne de transport
des électrons et pour alimenter les ATP synthases.
II) Forme et structure
1) Forme
- La forme des mitochondries peut être très variée, ainsi que leur nombre.
- Elles sont très plastiques et établissent des contacts avec les microtubules.
2) Structure
- La membrane est double et délimite deux compartiments :
l’espace matriciel et l’espace intermembranaire.
- La membrane externe est un tamis perméable qui laisse passer
toutes les molécules de PM égal ou inférieur à 5000 Da et possède
des porines et des perméases.
- La membrane interne présente des crêtes et est imperméable. Elle
contient de la cardiolipine, des protéines de transport, la chaîne
respiratoire.
- La matrice contient de nombreuses voies métaboliques : cycle de
Krebs, métabolisme des acides gras, ... Les produits finaux sont
dirigés vers la chaîne respiratoire.
III) Fonctions de la mitochondrie
- Elles sont très diverses : production d'ATP, mais aussi, hydroxylation du cholestérol,
synthèse de phospholipides, synthèse d’acides aminés, contrôle de la concentration de Ca2+,
participation aux mécanismes d’apoptose.
- L’oxydation mitochondriale se fait à partir de l’acétyl CoA produit dans la matrice.
- L’apport continu est assuré par les réserves de glycogène et de graisse.
1) Mécanismes de production énergétique : rappel de biochimie
1.1) Oxydation des lipides
Pour chaque tour de cycle, production de :
- 1 acétyl CoA pour le cycle de Krebs
- 1 NADH soluble
- 1 FADH2 lié à l'acyl CoA deshydrogénase.
Glycogène
1.2) Dégradation du glycogène
G1P
G6P
pyruvate
Pyruvate
Acétyl CoA
Complexe pyruvate déshydrogénase
Cycle de Krebs
3
1.3) Le cycle de Krebs
Bilan du cycle de Krebs :
- 2 CO2 déchet
- 3 H+
- 3 NADH solubles
- 1 FADH2 – succinate deshydrogénase de la chaîne respiratoire
- 1 ATP par phosphorylation liée au substrat
Bilan : 12 ATP théoriques par tour de cycle
2) La phosphorylation oxydative
2.1) Généralités
- L’oxydation des substrats est indirecte, par transfert d’électrons par les deshydrogénases et
l’oxygène n’intervient qu’en bout de chaîne respiratoire.
- L’énergie libérée par le transfert des électrons d’un transporteur au suivant, permet la
conversion de ADP + Pi
ATP par l’ATP synthase.
2.1.1) Le couplage chimioosmotique
- C'est l'association d'un processus chimique et d'un processus de transfert.
- Le transfert des électrons s'accompagne de l'expulsion des ions H+ vers l'espace
intermembranaire.
- L'ATPsynthase est une pompe protonique qui utilise le gradient de protons pour synthétiser
l'ATP.
2.1.2) La force proton motrice
Elle est due au gradient électrochimique de protons.
Espace intermembranaire
Espace matriciel
H+ H+ H+ H+
H+ H+ H+ H+ H+ H+
H+ H+ H+ H+ H+ H+
H+ H+ H+ H+
H+
H+
H+
Résumé sur les fonctions mitochondriales :
H+
H+
4
2.1.3) Mécanismes d'oxydation biologique
- L’action des enzymes consiste à arracher l’hydrogène et les électrons aux substrats.
- La libération se fait par palier et l’oxygène ne réagit pas directement avec l’hydrogène.
2.2) La chaîne respiratoire
2.2.1) La force proton motrice
5
- Le transport des électrons commence quand l'ion hydrure est arraché de NADH pour
régénérer NAD+.
- Puis, les électrons sont transmis aux autres transporteurs de la chaîne respiratoire, chaque
transporteur ayant une affinité plus élevée pour les électrons que le précédent.
- L’énergie produite par le transfert des électrons est stockée sous forme de protons dont
l'accumulation dans l'espace intermembranaire génère un gradient de pH et une augmentation
des charges – sur la face interne de la membrane interne.
- Le pH de l’espace matriciel est plus élevé que celui du cytosol
-> gradient de pH : pH = V (1 u. pH = 60 mV)
- Des charges – s’accumulent sur la face interne de la membrane interne
-> accentuation du potentiel de membrane : V (140 mV)
Au total, la force proton motrice à travers la membrane interne d’une mitochondrie augmente
la ddp jusqu'à 200 mV (140 + 60).
2.2.2) L'ATPsynthase
- Elle convertit l’énergie fournie par le gradient en une autre énergie, celle des liaisons hautes
en énergie de l’ATP.
- Le gradient de protons sert à des mécanismes de transport.
- L’antiport ADP / ATP utilise le gradient de voltage et maintient un rapport ATP / ADP très
élevé dans le cytosol.
6
2.2.3) Thermodynamique
- Dans la cellule, le transfert d’énergie nécessaire à la réalisation des réactions chimiques, se
fait par couplage des réactions :
X
Y
ATP
ADP + Pi
- Au niveau de la chaîne respiratoire, les réactions d’oxydoréduction sont également couplées.
A red
A ox + 2 eE0 A
B red
B ox + 2 eE0 B
Si E0 A < E0 B, les e- vont aller de A vers B
Pour NADH
Pour FADH2
NAD+
FAD
NADH
FAD
E0 = - 0.32 V
E0 = - 0.05 V
NAD+
FADH2
2.2.4) Les composants de la chaîne respiratoire
7
L'ATPsynthase :
- 500 kD
- 9 chaînes polypeptidiques différentes
- F0 = canal à protons
- F1 = site catalytique pour la formation de
la liaison
- 15 % des protéines totales de la
membrane interne
- Synthétise 1 molécule d’ATP pour
environ 3 H+
- Réversible
Les autres composants :
- La chaîne respiratoire comporte environ 40 protéines différentes, en plus de l'ATPsynthase.
- Les cytochromes possèdent un hème, qui passe de l’état Fe III à l’état Fe II chaque fois qu’il
accepte un é-.
- Les protéines fer – soufre possèdent un centre fer – soufre.
- L’ubiquinone ou Coenzyme Q est une petite molécule hydrophobe contenue dans la double
couche lipidique servant de transporteur.
- Du cuivre et une flavine, la FMN.
Les complexes de la chaîne respiratoire :
Complexe I : complexe NADH deshydrogénase :
- 800 kD
- 22 polypeptides, dont 6 codés par l’ADNmt
- 1 flavine et 5 centres fer – soufre
- Il transmet les électrons du NADH à l’ubiquinone
- Variation de potentiel Redox = 360 mV
- Inhibiteurs : roténone et amytal
Complexe III : complexe cytochrome b – c1
- Dimère de 500 kD
- 8 polypeptides différents dont 1 codé par l’ADNmt
- 3 hèmes dans les cytochromes et une protéine fer – soufre
- Il accepte les électrons de l’ubiquinone et les transmet au cyt c qui les transporte jusqu’au
complexe cytochrome oxydase
- Variation de potentiel Redox = 270 mV
- Inhibiteurs : antimycine
Complexe II : complexe succinate deshydrogénase
- Deux polypeptides pour la deshydrogénase
8
- Deux polypeptides permettant l’entrée d’électrons provenant du succinate par
l’intermédiaire du FAD
- Voie d’entrée à faible énergie
- Pas de variation de potentiel
- Pas de transfert de proton
Complexe IV : complexe de la cytochrome oxydase
- 300 kD
-13 polypeptides dont 3 sont codés par l’ADNmt
- 2 cytochromes et 2 atomes de Cu par monomère
- C’est l’intermédiaire entre le cytochrome c et l’oxygène
- Variation de potentiel Redox = 560 mV
- Inhibiteurs : cyanide (CN), l’azide (N3) et CO
Couples Redox
Valeurs
NADH
- 360 mV
FMN Fe+++
- 50 mV
Co enzyme Q
+ 40 mV
Cytochrome b Fer - S
+ 70 mV
Cytochrome c1
+ 220 mV
Cytochrome c
+ 260 mV
Cytochrome a
+ 290 mV
Cytochrome a3
+ 580 mV
Oxygène
+ 820 mV
Valeurs des potentiels des couples Redox :
9
IV) Comparaison mitochondrie – chloroplaste : la photosynthèse
1) Introduction
Le mécanisme de photosynthèse est double et repose sur :
- Les réactions photosynthétiques de transferts d’électrons à partir de l’eau, qui
libèrent de l’oxygène, de l’ATP et du NADPH.
- Les réactions de fixation de carbone, qui permettent la synthèse de glucides
Les deux réactions sont couplées :
lumière
(H2O)n + (CO2)n + ATP + NADPH
(CH2O)n + n O2
2) Le chloroplaste
Il possède un système membranaire supplémentaire : les thylacoïdes.
10
3) La chaîne de transport des électrons
- La chaîne respiratoire comprend un accepteur d’électrons, la chlorophylle, des complexes
enzymatiques et des transporteurs.
- La chlorophylle, pigment formé d’un cycle pyrollique comportant un atome de Mg2+ capte
les électrons de l'eau.
- Le transfert permet la synthèse de NADPH et la synthèse d'ATP par une ATPsynthase.
4) Biosynthèse des glucides
Bilan :
3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH + H2O
1 Glycéraldéhyde 3 P + 8 Pi + 9 ADP + 6 NADP+
- Fructose 6 P
- Glycéraldéhyde 3 P
- Glucose 1 P
Glucose 1 P
UDP Glucose
UDP glucose + fructose 6 P
saccharose
Le saccharose est la forme de transport des glucides entre les cellules végétales.
- Glycéraldéhyde 3 P
amidon
L'amidon est la forme de réserve.
11
V) Evolution des chaînes de transport des électrons
- L'environnement était riche en matières organiques mais dépourvu d'O2. Les cellules
primitives produisaient l'ATP par fermentation.
- La grande quantité d'acides organiques libérée a entraîné une diminution du pH et la
nécessité de ramener ce pH à la neutralité en utilisant des pompes à protons.
- La pression de sélection a favorisé l'utilisation de pompes à proton ne consommant pas
d'ATP : premiers complexes de transport d'électrons et de H+.
- L'expulsion des ions H+ a créé un gradient qui a pu être utilisé par les pompes ATPases qui
se sont mises à fonctionner dans l'autre sens.
- Ensuite, apparition de l'utilisation du CO2 pour la synthèse des glucides et des enzymes de
décomposition de l'eau pour la libération d'électrons et d'O2.
VI) Croissance et division
La division des mitochondries n'est pas synchrone de la division cellulaire et est contrôlée par
des systèmes de régulation en fonction des besoins énergétiques de la cellule.
VII) Adressage des protéines mitochondriales
- Les protéines mitochondriales résultent de l'assemblage de protéines synthétisées dans le
cytosol et de protéines synthétisées dans la mitochondrie.
- Les protéines mitochondriales peuvent être localisées dans la matrice, dans la membrane
interne ou dans l'espace intermembranaire.
1) Adressage des protéines cytosoliques matricielles
12
- Les protéines cytosoliques possèdent un signal peptide qui est reconnu par un récepteur
membranaire. Une translocation amène la protéine au niveau d'une zone de contact des deux
membranes.
- Le transport nécessite la prise en charge par des chaperonnes cytosoliques et
mitochondriales.
2) Adressage des protéines à destination de la membrane interne ou de l'espace
intermembranaire
- Un premier signal peptide les adresse à la membrane externe, puis ensuite, il existe deux
possibilités :
- soit, elles pénètrent dans la matrice où un second peptide signal les ancre dans la
membrane,
- soit elles sont transloquées en restant insérées dans les deux membranes, sans passer
dans la matrice. Les protéines de la face externe de la membrane sont maintenues ancrées
dans la membrane interne et les protéines de l'espace sont clivées.
3) Transport des autres composants
- Les précurseurs lipidiques sont synthétisés dans le cytosol.
- Il n'y a aucun transfert d'acides nucléiques.
13
VIII) L'ADN mitochondrial
1) Généralités
- L’ADNmt est un ADN circulaire double brin, de 16500 bp chez les mammifères, présent en
multiples copies.
- L’ADN est dépourvu d'intron et code pour 13 sous unités différentes du métabolisme
oxydatif, 22 ARNt et 2 ARNr.
- La transcription se fait sur les deux brins.
- Les systèmes de réparations sont moins performants que ceux de l'ADN nucléaire.
2) Tailles du génome mitochondrial de divers organismes
3) Le code génétique
- Le code génétique diffère au niveau de 4 codons.
14
4) Evolution du génome mitochondrial
- Le taux de substitutions au cours de l’évolution a été 10 fois plus important que dans les
génomes nucléaires et la comparaison des séquences permet de dater les événements récents
dans la lignée des primates.
- La transmission est cytoplasmique et monoparentale.