Mitochondrie
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Mitochondrie Les mitochondries sont des organites présents dans toutes les cellules des organismes eucaryotes. Elles jouent un rôle primordial dans la vie et la mort cellulaire. Benda 1902 donne le nom de mitochondrie Du grec mitos: filament, et kondria: granule Elles ont son propre ADN Origine: Endosimbiotique Nombre et forme - 500 et 2000 mitochondries. Cellules de la rétine et du muscle cardiaque, elles représentent respectivement 80% et 40% du volume cellulaire. Est un organite: - Semi autonome - Spécifique des eucaryotes aérobies - Pas chez les procaryotes - L’ADN est d’origine maternelle - Est le principale fournisseur d’énergie de la cellule - plaquettes sanguines 2 à 6 - globules rouges pas de mitochondries. Les mitochondries sont déplaces par la dyneine ou la kinesine selon le Sens du déplacement sur le microtubules Sens du déplacement mitochondrie - kinesine + microtubule Taille varie entre 0,5um a 7um spermatozoïdes Leur activité varie avec la cellule Leur localisation cellulaire dépend de la demande d’énergie. - Le mouvements des mitochondries dépendent du cytosquelette - Ils cessent au cours de la division cellulaire - Dans certaines cellules les mito sont immobiles comme dans les spermatozoïdes STRUCTURE DES MITOCHONDRIES I deux membranes (couches bilipidiques), -une externe -une interne II un espace intermembranaire, III la matrice ADN mitochondriale Ribosome Granulation de calcium L’espace inter membranaire • Très étroit lieu de transit pour molécules de taille inférieur a 10000 daltons • Contiennent des ions H + • Protéines comme: Cytochrome C Les procaspases impliques dans l’apoptose Créatine kinase Myokinase Cytidine diphosphate kinase La membrane mitochondriale externe • Elle est constituée: Protéines (60%), et lipides 40% - Des porines 30KDa: transport passif de molécules avec un PM de moins de 10 KDa. Des pores anioniques voltage-dependants (VDCA) chez la levure et chez l’homme PTP permeability transition pore. - Des récepteurs d’importation TOM, reconnaissent les séquences d’adressage des protéines d’origine cytosolique destinée au mito. - Des complexes d’importation du cholestérol, pour la synthèses des stéroïdes - La protéine bcl-2 blocage de l’apoptose - Une acyl-CoA synthétase: elle active les acides gras en les transformant en acyl-CoA. - Porines capables de se lier a MAPs - Des molécules de cytochrome b5 qui participent aux réactions de transfert des électrons La membrane mitochondriale interne a) Morphologie • Elle est formée crêtes, dirigés vers l’intérieur de la mitochondrie et • Le nombre de crêtes varie selon l’activité mitochondriale (respiration cellulaire, oxydation des acides gras…). • Les crêtes se présentent sous des formes très variées: - En forme de bouteilles aplaties - Sacculaires - Lamellaires comme dans les myosites -Tubulaires, dans les cellules qui secrètent des stéroïdes Grâce aux crêtes, la membrane interne est multiplie par cinq Composition Membrane interne - Les antiports malate/Pi, transfère de matricielle vers l’espace intermembranaire Elle est imperméable aux: - Protons, aux coenzymes (NAD et NADH2), aux nucléotides (AMP,ADP,ATP,GDP,GTP), au malate, au fumarate, a l’oxaloacétate… - La navette malate aspartate: forme par la perméase malate/αcetoglutarate et aspartate/glutamate. Elle transfère le malate en direction la matrice Un soixante de protéines constituent la MI elles sont en majorité hydrophobes: - La navette glycérol-phosphate: elle transfère les électrons du NADH+ a l’ubiquinone (CoQ) situe dans la MI • Des symports métabolites/H+ comme les pyruvate et le phosphate - Cytochromes P450: son site actif est localise dans la matrice, enzymes de la synthèse des hormones stéroïdes. malate d’origine • Des canaux ioniques Na, K, Ca - Adrenoxine et d’adrenoxine réductase, transports des électrons entre le NAPDH et le cytochrome P450 • PTP (permeability transition pore) ou megacanaux ont un rôle pendant l’apoptosis - Les antiports ATP/ADP • L’ATP synthase produit de l’ATP a partir de la phosphorylation de l’ADP • Des transporteurs d’électrons et de protons ou complexes de la chaîne respiratoire: 1. 2. 3. 4. Complexe I ou le NADH- déshydrogénase Complexe II ou succinate- déshydrogénase Complexe III ou complexe b-c1 Complexe IV ou cytochrome oxydase - Les complexes d’importation de la membrane interne TIM - Les protéines de découplage: permettent le passage des protons H+ de la chambre externe vers la matrice Des lipides: la cardiolipine qui est caractéristique de cette membrane et qui représente environ 20% des lipides totaux. Elle est indispensable au fonctionnement de la cytochrome c oxydase. Canaux ioniques ATP ADP ATP Malate Pi2 PTP ou megacanal CoA Acides gras carnitine Acetyl-CoA ATP H+ Synthase Aspartate CoA Aspartate Aspartate H+ Aspartate Glutamate H+ Glutamate H+ H+ H+ FAD H+ NAD+ FADH Piruvate TIM H+ Malate Pi2 Malate Complexes I de la chaîne II respiratoireIII Proteine de decouplage Antiports Malate/Pi Malate Acetyl-CoA Proteines Antiports ATP/ADP ADP Canaux ioniques Soit pour Ca++ Soit pour K+ Soit pour Na+ UCP H+ Phosphate H+ H+ NADH Piruvate H+ Phospahte H+ Navette Malate/ Aspartate Navette Glycerolphosphate Symports Métabolite /H La matrice Ce compartiment contient: - Des molécules d’ADNmt circulaire Des molécules d’ARNmt et des ARNt Des mitoribosomes Toutes les enzymes impliques dans la réplication, la transcription et la traduction de l’ADNmt - Des granulations denses, accumulation des cations, calcium et magnésium - Des enzymes de l’oxydation de l’acide pyruvique, dans la b-oxydation des acides gras - La succinate déshydrogénase impliquée dans le cycle du Krebs, et des NADH et NADPDH mt: transports des électrons La mort des mitochondries Sont détruits par autophagie, dans la cellule hépatique elles sont renouvelles environ 15 fois pendant 150 jours (la demi-vie) Division des mitochondries 1. 2. La duplication de l’ADNmt 50 – 100 copies La mitochondriodierese Le génome mitochondriale L’ADNmt - Est circulaire, bicatenaire: 16 Kb chez l’homme 63 Kb chez Neurospora crassa 78 Kb chez Saccharomyces cerevisiae - 4 a 5 molécules d’ADN par mito des hépatocytes - ADN associe a une histone mitochondriale Les gènes -Les gènes ne possèdent pas des introns comme les Procaryotes - Le brin lourd ou H code pour: a. 12 sous-unités de la chaîne respiratoire b. Les ARN ribosomaux c. 14 ARN de transfert - Le brin légère ou L contient 9 gènes: a. Un gène code les sous-unités du complexe I de la chaîne respiratoire b. 8 pour les ARNt Le génome mitochondrial ne fonctionne pas comme celui du noyau: Le code génétique est différent, le même codon ne code pas les mêmes amino acides Les ARNm ne possèdent ni séquence initiale, ni séquence terminale Il n’existe qu’un seul promoteur par brin d’ADN 500 protéines sont synthétises dans le cytosol et transférées aux mitochondries Transmission du génome mitochondriale Chez les mammifères, les mito sont transmises par la mère Les mitoribosomes Deux sous-unités: - 25 a 33 S - 35 a 45 S La quasi totalité des protéines des mitoribosomes, est cytoplasme Synthese, par la mitochondrie, des protéines mitochondriales • Génome mt humaine 16569pb 2 ARNr, 22ARNt et 10 polypeptides. Une partie des sous-unités des protéines est code par l’ADN nucléaire. • Les acides amines nécessaires pour la synthese sont importe du cytosol • L’ARNm est polymérise a partir d’une enzyme d’origine cytosolique • Comme dans les bactéries le codon d’initiation est la nformyl-méthionine et non la méthionine chez les eucaryotes • Le code génétique de l’ADNm diffère de celui de l’ADN nucléaire. Relations fonctionnelles Noyau-mitochondrie Complexes d’importation des protéines cytosoliques Les récepteurs d’importation de l’enveloppe motichondriale Membrane externe Espace intercellulaire Membrane interne Assemblage pour Hsp10 et HSP 60 Matrice mitochondriale Fonctions Membrane externe Chambre externe Source d’energie de la mitochondrie - Le transfert du pyruvate dans la mitochondrie Cytosol Pyruvate Mitochondrie Acetyl-coA [CH3CO] C00H+ CoA + NAD+ CO2 + NADH + H+ + [CH3CO] CoA Acétyl-CoA Acide pyruvique Les apports énergétiques de la glycolyse a la mitochondrie Les mitochondries peuvent utiliser le squelette carbone des aminoacides La désamination: - NH2 + acide pyruvique = l’alanine - Une glutamate déshydrogénesa désamine l’acide glutamique qui produise la formation du NH4+ qui est converti en urée La dégradation de la chaîne carbonée: La degradation des 20 aa forment 7 molécules nécessaires au cycle de Krebs: 1- le pyruvate, pour le squelette carbone provenant du l’alanine, la cystéine, le glycocol, la serine, la thréonine 2- l’acétyl-CoA= l’isoleucine, la leucine, le tryptophane 3- l’acétoacétyl –CoA= phénylalanine, tyrosine, leucine, lysine, tryptophane 4- l’oxaloacétate = l’aspartate, l’asparagine 5- le fumarate= la tyrosine te la phénylalanine 6- le succinyl-CoA= l’isoleucine, la méthionine et la valine 7- l’acide α-cétoglutarique= l’arginine l’histidine, la glutamine et la proline Les fonctions amine des acides amines en excès sont transforme en urée B-oxydation des acides gras 2 ATP L’acyl-CoA reste dans la matrice et subit alors la b-oxydation L’oxydation d’un radical acetyl-CoA permet la formation de 17 ATP L’importation des acides gras ATP CoA Acides gras Acetyl-CoA synthétase Membrane externe AMP + P-Pi Acyl-CoA CoA Membrane interne Acyl-Carnitine Carnitine Carnitine Acyl-transférase II translocase Carnitine Acyl-transférase I Acyl-Carnitine Carnitine Acyl-CoA Pyruvate deshidrogenase Pyruvate Matrice mitochondriale Citrate synthetase Aconitase B-oxydation acides gras 2 2 2 NADH Malate deshydrogenase fumarase MI mitochondriale Isocitrate deshydrogenase Cycle de Krebs Bilan: 2 CO2 8 protons H+ 8 électrons 36 ATP Cetoglutarate deshydrogenase 6 2 2 ATP GTP Succinyl deshydrogenase Succinate deshydrogenase 32 ATP Cycle de l’urée H2O fumarate arginine Mitochondrie Cycle de Krebs Urée 2 ATP Cytosol 1 molécule glucose 2 ATP 2GTP Phosphorylation oxydative pyruvate 2 NADH Cycle de 6 NADH Krebs 2 FADH2 Électrons des Navettes Glycérol phosphate 32 ATP 6 ATP ornithine argininosuccinate 18 ATP 4 ATP 4 ATP citrulline Carbamoyl phosphate aspartate CO2 + NH4+ MATRICE MITOCHONDRIALE Mitochondrie et respiration cellulaire La chaîne respiratoire ou unité d’oxydation C’est un ensemble ordonne d’enzymes: - La NADH réductase qui constitue le complexe I - La succinate-Q réductase ou complexe II - La cytochrome c réductase-cytochrome bc1 ou complexe III - La cytochrome c oxydase ou complexe IV L'énergie provenant des électrons transférés sert à "pomper" des ions H+ dans l'espace intermembranaire de la mitochondrie (entre la membrane externe et l'interne) Navette Glycérol phosphate ubiquinone Le NADH (ou le FADH2) cède ses électrons riches en énergie à un transporteur d'électrons de la membrane interne de la mitochondrie. Les électrons passent d'un transporteur à l'autre. À chaque transfert, ils perdent de l'énergie. L'oxygène accepte les électrons à la fin de la chaîne et se combine aux 2 H+ pour former de l'eau. PYRUVATE PYRUVATE AC. GRAS ACETYL-CoA AC. GRAS CYCLE DE KREBS CO2 NADH NAD animation NADH O2 H2O H2O H+ H+ H+ ATP synthase ME H+ H+ H+ eH+ H+ EI O2 Matrice ADP+ Pi ATP MI Chimiosmose ATP synthétase La force protomotrice (ions H+ qui diffusent à travers l'ATP synthétase) permet la formation d'ATP à partir d'ADP et P. Matrice Espace intermembranaire Peter Mitchell (1920-1992) a remporté le prix Nobel de chimie en 1978 pour sa théorie de la chimiosmose mitochondriale (le gradient de concentration de protons formé de part et d’autre de la membrane interne sert de réservoir d'énergie libre pour la synthèse d’ATP). Membrane interne de la mitochondrie Vitesse de rotation = 50 à 100 tours / seconde ATP synthétase Le passage des ions H+ entraîne la rotation de la sous-unité « c ». 100 Å = 10 nm Une mitochondrie typique de foie de mammifère contient environ 15 000 ATP synthétase C’est ce mouvement qui permet la formation d’ATP à partir d’ADP et P dans la partie qui dépasse de la membrane. La « turbine à protons » Effets de quelques poisons Le cyanure: bloque le passage des électrons du cytochrome α3 (un des transporteurs d'électrons de la membrane) à l'oxygène. On peut inverser la rotation et le passage d'ions H+ en transformant des ATP en ADP. Le dicoumarol ou le 2,4 dinitrophénol : augmente la perméabilité de la membrane aux ions H+. Les ions H+ diffusent à travers la membrane sans passer par les ATP synthétases. Leur énergie est convertie en chaleur (et non en ATP). L'ATP synthétase peut donc être convertie en un nanomoteur. Les graisses brunes Synthèse des hormones stéroïdes dans la mitochondrie Cytosol Site de stockage Synthèse Alimentation LDL, lysosomes Graisse brune Graisse blanche • Cellules des graisses brunes riches en mitochondries. • Les membranes des mitochondries possèdent des protéines de transport d'ions H+ non couplées à des ATP synthétase (thermogénines) UCP. L'énergie se dégage sous forme de chaleur. • Abondant à la naissance chez l'humain (~5% du poids) et disparaît progressivement jusqu'à l'âge adulte. transporteur Cholesterol oestrogenes androgènes REL pregnenolone Cholestérol Progestérone Cortisol Perméase + StAR aldostérone Cortisol Mitochondries et ion calcium Rôles du calcium mitochondrial Régulation du métabolisme oxydatif Active trois déshydrogénases du cycle de Krebs: • pyruvate déshydrogénase, • isocitrate déshydrogénase • et α-cétoglutarate déshydrogénase). Régulation de la concentration intracellulaire du calcium : • l’ouverture de canaux calciques présents dans les membranes plasmique ou du réticulum endoplasmique/sarcoplasmique (RE/RS), est accompagnée d’une augmentation du calcium dans la mitochondrie. Ceci a deux conséquences fonctionnellement importantes : • le regroupement spatial des mitochondries représente un « tampon physiologique » qui prévient et/ou retarde des réponses cellulaires non appropriées. • Les mitochondries étant dans ce microenvironnement, elles préviennent ce rétrocontrôle en captant le calcium. • Les mitochondries et le contrôle de l’apoptose La phase effectrice de l’apoptose se caractérise par l’ouverture des pores de transition de perméabilité des membranes mitochondriales: 1. 2. 3. 4. 5. Cytosol L’augmentation massive du calcium cytosolique par fuite du calcium La chute de potentiel transmembranaire de mitochondrie La libération de cytochrome c de la mitochondrie dans le cytosol L’arrêt de la phosphorylation oxydative La libération des protéines apoptogenes mitochondriales comme: le cytochrome c, les caspase 3 et 9 el le facteur AIF La libération et sous le contrôle de la protéine anti-apoptotique bcl2, est un famille de protéines régulatrices de l’apoptose Peroxysomes • Organites autoreplicables • Limites par une membrane • Présents dans toutes les cellules eucaryotes sauf les hématies Structure et composition - Organites ovoides - Diametre 0,15 et 1,7 υm - Limites par une membrane - Une matrice - Un nucleoide - Une plaque marginale - l’homéostasie des lipides par oxydation des lipides, des acides gras a longue chaîne et très longue chaîne - La conversion du cholestérol en sels biliaires - La biosynthèse de plasmalogenes une famille de phospholipides du cœur et du cerveau - La respiration cellulaire - La biosynthèse du cholestérol, le métabolisme des acides amines, des purines et l’α-oxydation - Chez les végétaux, dans les graines, ils sont responsables de la conversion des acides gras en glucides - La production et dégradation du peroxyde d’hydrogène - L’hydroxylation de molécules • Une réaction cytoenzymologique permet démontrer la présence, dans les peroxysomes d’une enzyme, la catalase, consommant l’H2O2 • Les peroxysomes constituent un réseau dans le cytoplasme • Ils forment un réseau grâce a des canicules • Les canicules produisent aussi de l’ H2O2 Un hépatocyte en contient environ Plaque marginale 1000 La membrane et la matrice Sont des éléments constants Le nucleoide dépende de l’espèce La plaque de la nature de la cellule Les peroxysomes interviennent en: Matrice Membrane peroxysomale Nucleoide Composition chimique du peroxysome • Chez l’homme existent plusieurs maladies héréditaires lies au métabolisme des peroxysomes Nucleoide Urate-oxydase Plaque marginale pas chez l’homme Membrane Peroxysomale -Super famille ABC= Importation des protéines dans la matrice - Cytochrome P450 • On désigne sous le nom de peroxine PEX a les protéines du peroxysome • Toute anomalie d’une peroxine (mutation…) entraîne l’apparition d’une maladie peroxysomal chez l’homme. Matrice -enzymes de la β-oxydation -enzymes responsables de la synthèse de cholestérol -amino-acide oxydase -enzymes de la synthèse d’acides biliaires - Catalasa • PEX1 a PEX23 Fonctions des peroxysomes Acides gras a chaîne très longue ATP Biogenèse et renouvellement des peroxysomes Acides amines autres molécules Perméases ABC Précurseurs du cholestérol Enzymes O2 cholestérol OXYDASES H2O2 Acétyl-CoA Perméase Acides gras a chaîne carbonée raccourcie CATALASE Oxydation Détoxification CYTOSOL Cytochrome P450 MITOCHONDRIE Hydroxylation Détoxification O2 NADPH - Les protéines membranaires ou de la matrice sont synthétises dans le cytosol puis adressées au peroxysomes. - Différents types des signaux d’adressage sont connus pour les protéines matricielles: PST (Peroxysome Targeting-Signal) 1-PST1 au niveau C-Terminale Serine-lysine-leucine 2-PST2 au niveau N-Terminale une dizaine de aa 3- La catalase a une signal différent de PST1 et PST2 - Pour des protéines membranaires plusieurs types des signaux sont connus. - Le cytosol comporte des protéines qui reconnaissent l’un ou l’autre des PTS Synthèse cytosolique Protéines de la membrane CYTOSOL PTS Récepteur du PTS Reconnaissance Protéine Matricielle à importer SYNTHESE dans le CYTOSOL Phospholipides membranaires Complexe d’importation Exportation Protéines d’amarrage PTS Matrice du peroxysome AAA Réseau peroxysomal Protéines de la matrice Protéines AAA + HSP amarrage HSP SYNTHESE a la surface du feuillet cytosolique du RETICULUM ENDOPLASMIQUE Transporteurs cytosoliques Dynamine Membrane d’enveloppe • Les peroxysomes se déplacent dans les cellules avec participation du cytosquelette (microfilaments d’actine et myosine ou microtubules et leurs protéines associées. • Les constituants du peroxysomes sont soumis a un renouvellement permanent 20 a 30% par jour. • Comme les mitochondries, les peroxysomes sont détruits par autophagie dans le compartiment lysosomal. croissance bourgeonnement GTPγS
