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Membrane externe mitochondrie
Membrane interne mitochondrie
Homologies avec membrane plasmique eucaryotes :
Homologue de la membrane interne des Bactérie :
- Rapport phospholipides/protéines 1:1
- Pas de potentiel de membrane.
- Rapport phospholipides/protéines 1:3 (en poids)
(≠ membrane cytoplasmique eucaryotique)
- Riche en cardiolipine (caractéristique des bactéries) : 4 acides gras.
- Comporte des enzymes de transport d'électrons
- Très imperméable (même aux H +).
- Siège de la formation d'ATP par l'ATP synthase.
- Présence d un potentiel de membrane (ddp)
- Translocases
- Forme des crêtes : augmentation de la surface (aire 5x plus
grande que la membrane externe : plus d ATP). Observé chez
certaines bactéries (sous une autre forme).
Homologies avec membrane externe des Bactéries Gram – :
- Comporte des porines (diffusion de molécules < 10 000 Da)
Ions, sucres, aa : passage libre dans espace intermembr.
Grandes protéines : pas de passage libre (ex: cytochrome c).
Rappelle la membrane externe des Gram –
- Possède des translocases : passage de gros polypeptides, possédant
une séquence signal.
Cardiolipine
glycérol
Matrice mitochondriale
• Siège du cycle de Krebs
Voie métabolique d'oxydation de groupements acétyles (2 C)
Voie aérobie
Récupération des e– sous forme de NADH
• Possède des ribosomes de type 16S–23S
glycérol
• Présence de tRNA
• Présence d'un génome circulaire (plusieurs copies)
Fonction dominante de la mitochondrie : production d ATP
Glycolyse = Voie d Embden-Meyerhof
Glycolyse
Glucose
6C
pyruvate
3C
CYTOPLASME
ATP
ADP
Pyruvate
3C
NADH + H +
acétate
2C
cycle de Krebs
Chaînes transporteuse d eATP
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kinase
Glucose-6-phosphate
isomérase
MITOCHONDRIE
CO 2
Glucose
CO 2
NADH + H +
O2
ATP
ADP
Etapes
consommant
de l ATP
Fructose-6-phosphate
kinase
Fructose-1,
6-diphosphate
aldolase
Phosphodihydroxyacétone
CYTOPLASME
3-phosphoglycéraldéhyde
PGAL
isomérase
1
PGAL
NAD+
déshydrogénase
NADH + H+
ADP
1,3-diphosphoglycérate
kinase
ATP
3-phosphoglycérate
- Dans le cytoplasme
Etapes
générant
ATP
et
NADH + H +
- 10 étapes (10 enzymes)
- "Phosphorylation
au niveau du substrat"
(de l'ATP est produit sans
l'aide de membranes).
mutase
2-phosphoglycérate
énolase
H2O
- Pas besoin d O 2
Voie anaérobie
CYTOPLASME
phosphoénolpyruvate (PEP)
ADP
kinase
ATP
- Pas de libération CO 2
pyruvate
La glycolyse
Bilan de la glycolyse
Glucose
2 pyruvate + 2H 2O + 2 ATP + 2 NADH + 2H +
Mitochondrie
Consommation
1"Glucose
Production
2"pyruvate
2"NAD+
2"NADH"+"2"H+
2"ADP
2"ATP
2"Pi
2"H2O
NADH = Nicotinamide Adénine Dinucléotide
Transporteur d'e–
acide pyruvique
CH 3CO-COOH
pyruvate
CH 3CO-COO -
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2
Forme oxydée du nicotinamide
adénine dinucléotide (NAD +)
Le NADH est un coenzyme transporteur de 2 électrons et
de 1 H (l autre étant relâché en solution)
Forme
réduite
Forme
oxydée
NAD +
NADH + H +
NAD + + substrat-H 2
NADH + H +
(réduit)
Etape charnière entre glycolyse et cycle de Krebs
H+
CO 2
Coenzyme A (CoA)
thiol : partie réactive : SH-CoA
CoA
Pyruvate
NAD+
NADH+H+
Acétyl-CoA
-CoA
perméase
(symport avec H +)
Mitochondrie
Consommation
1"Pyruvate
Production
1"Acétyl;CoA
1"NAD+
1"NADH"+"H+
1"CoA
1"CO2
Grâce à la fonction thiol de la cystéamine, le coenzyme A forme
un thioester avec le groupement acétyle : l acétyl-CoA. La
liaison thioester est particulièrement riche en énergie.
CoA-SH + R-COOH
+ substrat (oxydé)
cystéamine
β-alanine
acide
pantoïque
diphosphate
Adénosine 3 -phosphate
acide pantothénique, vit. B5
Cycle de l acide citrique = cycle de Krebs
= cycle des acides tricarboxyliques
CoA-S-CO-R + H 2O
Acétyl
Hans Adolf Krebs
(1900-1981)
Acétyl-CoA = transporteur de groupements acétyles
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Prix Nobel 1953
3
- 8 étapes
- phosphorylation
au niveau du substrat
- pas besoin d O 2
- libération CO 2
- Voie métabolique
des mitochondries
Le FAD : autre transporteur d'e–
flavine
FAD = Flavine Adénine Dinucléotide
riboflavine-5 -phosphate
= Flavine mononucléotide (FMN)
ribitol
(ribose réduit)
adénosine monophosphate
(AMP)
- récupération des e–
Remarque
D-ribose
+ 2 H + + 2 e–
Riboflavine
=
Vitamine B2
Flavine mononucléotide
FMN
D-ribitol
La flavine
Bilan cycle de Krebs
CoA + 2 CO 2 + 3 NADH + 3 H +
+ 1 ATP + 1 FADH 2
Acétyl-CoA
Consommation
1"Acétyl;CoA
FAD
FADH 2
Production
1"CoA
3"NAD+
3"NADH"+"3"H+
1"GDP
1"GTP"(donnera"1"ATP)
1"Pi
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2"H2O
2"CO2
1"FAD
1"FADH2
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Les chaînes transporteuses d électron
Protéines de la membrane interne de la mitochondrie
(crêtes : grande surface; nombreux exemplaires) qui
transportent les e– fournis par le NADH (et FADH) vers l O 2.
Quelques éléments (4) des chaînes transporteuses d e– :
1) Flavoprotéines : protéines contenant une flavine ou un
dérivé de la vitamine B2. Transfert de 2 e–
Forment des complexes : complexes I à IV.
C est la respiration aérobie.
Les chaînes transporteuses d e- ne produisent pas
d ATP directement. Elles produisent un gradient de protons
qui produit de l ATP par chimiosmose.
vit. B2
2) Cytochromes : protéines comportant un groupement
prosthétique : noyau porphyrine = hème (Fer). Transfert de 1 e– :
Cytochrome-Fe(II) = Cytochrome-Fe(III) + 1 e–
Différentes classes (lettre en fct hème) :
hème
Cytochromes a : a1, a2, a3
Cytochromes b : bL, bH
Cytochromes c : c1
Forment des complexes
Exemple : complexe bc1
Cytochrome c
3) Protéines Fer-Soufre :
- Protéines non héminiques.
- Grande variété.
- Agissent en différents endroits des chaînes transp. d’e-.
- Contiennent des clusters de Fe et de S : Fe2S2 et Fe4S4
fixés à des résidus cystéines.
- Exemple : la ferrédoxine (Fe2S2)
- Potentiel rédox (E ) est fct du nombre d atomes de Fe et de S
4) Quinones :
- Molécules non protéiques
- Très hydrophobes ! membr.
- Proches de la vitamine K.
- Transfert de 2 e–.
3 isoprènes
Ex: coenzyme Q = ubiquinone
Q (ox) + 2H + + 2 e– = QH 2 (red)
chaîne isoprénoïque : liposoluble
(bact : 2 isoprènes; homme : 10 isoprènes (Q10)
de 5 C
base = p-benzoquinone
Rôle : transport des électrons
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Les transporteurs d e– forment des complexes
Les complexes I, II, III et IV
Vitamine K 2
coenzyme Q
Les complexes I, III et IV sont des pompes à H +
(matrice vers espace intermembranaire)
Complexe I = NADH-Quinone oxydoréductase
- Point d entrée de la plus grande partie des e- dans les
chaînes transporteuses d e-; provoque la sortie de H +.
- Réduit le coenzyme Q : obtention de QH 2
- Contient :
• 1 flavoprotéine FMN
• protéines Fe/S : 2 à Fe2S2 et 6 à Fe4S4
Complexe I : réaction globale :
NADH + H + + Q + 2H +in = NAD + + QH 2 + 2H +out
- Composition variable en fct des espèces :
Mammifères : 45 sous-unités ≠
Bactéries : 14 sous-unités ≠
Levure : 1 sous-unité, pas protéines Fe/S
- Si fonctionne mal : ≠ pathologies. Recherches très importantes
en médecine clinique (neuropathie optique héréditaire de Leber;
maladie de Parkinson; diabète; cible de pesticides).
Complexe II = complexe succinate déshydrogénase
- Court-circuite le complexe I
- Partie intracellulaire
- Réduit le coenzyme Q.
- Substrat : succinate (produit du cycle de Krebs)
transformé en fumarate
- Contient une flavoprotéine FAD
- N est pas une pompe à H +
succinate
fumarate
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Quinones
Complexe III = complexe bc1
= ubiquinol-cytochrome c oxydoreductase
- Composition :
Compexe bc1 ou complexe III
2 cytochromes de type b (bL et bH)
1 cytochrome c1
1 protéine Fe/S (prot. de Rieske)
- Pompe à H +
- Accepte un par un les e– du QH 2, transfert vers cytochrome c.
QH 2 + 2 Fe3+-cyt c + 2H +in = Q + 2 Fe2+-cyt c + 4H +out
Les e– en surplus sont retransférés aux ubiquinones
(cycle Q)
Cytochrome c (cyt c)
- Dans l’espace inter-membranaire
- Très hydrophile
- Accepte un e– du complexe III et le donne au complexe IV.
- Très conservée dans l évolution
Cycle Q
100–104 aa
hème
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Complexe IV = cytochrome c oxydase
- Oxyde le cytochrome c et transfert les e– vers l’O 2
- Face interne membrane. Dernier complexe de la chaîne.
- Composition : cytochrome a, a3, centre CuA, centre CuB
4 Fe2+-cyt c + 8 H +in + O 2 → 4 Fe3+-cyt c + 2 H 2O + 4 H +out
In
Out
Out
out
In
in
- Pompe à H +
- Inhibition : cyanure, sulfure, azoture, monoxide de C
Comporte Cu et Fe
13 sous-unités
chez Mammifères
O2 = accepteur
terminal des e–
Le gradient de H + est ensuite utilisé par l ATP synthase
1 Glucose
Glycolyse
Bilan : en présence d O 2 (ou d un autre
accepteur terminal d e–)
2 ATP
2 NADH + H +
34 ATP
ATPase
2 pyruvate
I
2 NADH + H +
2 Acétyl-CoA
Cycle de
Krebs
Complexe V = ATP synthase = ATPase
ATP
Génération d ATP à partir d ADP + Pi
ADP
+ Pi
Total : Max 38 ATP
(quand O 2)
2 CO 2
Métabolisme
hétérotrophe
2 ATP
6 NADH + 6 H +
2 FADH 2 + 2 H +
4 CO 2
intermédiaires
biosynthèses
H+
II
III
O2
H 2O
IV
in
out
La chimiosmose
Bilan de la respiration de 1 Glucose
1 NADH
1 FADH 2
3 ATP produits par ATP synthase
2 ATP produits par ATP synthase
10 NADH et 2 FADH 2
+ 4 ATP direct
= 34 ATP
= 38 ATP max
ATP synthase : enzyme de la membrane interne de la
mitochondrie. Fabrication d ATP à partir d ADP.
Pour cela, l ATP synthase utilise l énergie du gradient de H +.
Il s agit d un gradient de pH à travers la membrane.
L énergie emmagasinée sous forme de gradient électrochimique
va servir à effectuer du travail cellulaire : chimiosmose.
Le gradient électrochimique est une force protonmotrice (fpm)
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Le gradient de H + est ensuite utilisé par l ATP synthase
Le modèle de la chimiosmose à été présenté en 1961
par Peter Mitchell (1920-1992)
Complexe V = ATP synthase = ATPase
ATP
Prix Nobel 1978
Génération d ATP à partir d ADP + Pi
ATP synthase
ADP
+ Pi
out
Complexe
protéique
F0 : sous-unité
fixant l oligomycine
(rotor)
in
15% des protéines
membranaires de
la mitochondrie
Production de chaleur. Thermogenèse.
Parfois, l énergie potentielle du gradient de H +
est convertie en chaleur.
Les H + entrent alors dans le stroma via la thermogénine
(diffusion facilitée). Energie dissipée en chaleur (et non stockée
en ATP).
Dans tissus adipeux brun.
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Origine de la mitochondrie
Origine endosymbiotique (1960) : Lynn Margulis
La mitochondrie possède de nombreuses
caractéristiques bactériennes :
- Génome
- Ribosomes (16S-23S rRNA), tRNA
- Membrane
- ATP synthase
- Similitudes entre code génétique et celui des Protéobactéries α
(code génétique alternatif : petites ≠)
- Reproduction par fission binaire
Des Protéobactéries α actuelles sont proches de l ancètre des
mitochondries : Les rickettsies
- Parasites intracellulaires
(essentiellement) : Rickettsia
- Certaines libres : SAR11
(=Pelagibacter, océans)
- Difficiles à cultiver : emploi
de cultures tissulaires ou
d embryons.
- Transmises par tiques et puces
(cause du typhus)
Avantage : acquisition de la respiration, plus d ATP
Transmission du typhus
Rickettsies
Rickettsia
Le typhus
Rickettsies
Rickettsies
Réservoir
acariens
puces
Homme
Protéobactéries α
parasites intracellulaires
poux
- Conditions hygiène déficientes
- Fièvre, maux tête,
toux, éruptions, stupeur, délire
4.2. Les chloroplastes
- Les chloroplastes sont des organites d eucaryotes, absents chez
les Bactéries et Archées.
- Ils sont le siège de la photosynthèse :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
La membrane plasmique (Euc et Proc)
Le cytosquelette (Euc)
La paroi des bactéries
Les mitochondries et les chloroplastes (Euc)
Le réseau intracellulaire de membranes (Euc)
Les constituants extracellulaires (Euc)
La communication cellulaire (Euc)
• Processus convertissant l énergie lumineuse en énergie
chimique (glucides et autres molécules organiques).
• Chez certaines Bactéries et certains Eucaryotes
(pas chez Archées).
Les organismes photosynthétiques sont essentiellement
des autotrophes : leur souce de carbone = CO2. Ce sont
des producteurs primaires (de matière organique).
Les hétérotrophes se nourrissent de matière organique.
Ce sont des consommateurs.
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espace thylakoïdien ou lumen : [H +]"
(photolyse de l eau)
Chloroplaste
- 4 à 7 μm de long
- Double membrane
- Présence de thylakoïdes (formation fpm, ATP)
- Chlorophylle a et b dans les thylacoïdes
- Le stroma contient de la RubisCO (ribulose bisphosphate
carboxylase).
- Contient de l’ADN : plusieurs copies ADN linéaire (ou circ.)
Long. : 37 000 – 220 000 pb ( 100 gènes)
- Ribosomes 16S-23S
Taille - ADN
Ressemblance avec
Ribosomes 16S
certaines Bactéries :
- Cycle de Calvin.
Thylacoïdes
les Cyanobactéries
Chloroph. a et b
granum
m. ext.
m. int.
lamelle
amidon
ribosome
stroma
thylakoïdes
ADN
gouttelettes lipidiques
Lamelle = thylakoïde inter granaire
Origine chloroplastes : endosymbiose avec bactérie
photosynthétique (Cyanobactéries)
Chloroplaste (microscope électronique)
chloroplastes
Bilan de la photosynthèse
6 CO 2 + 6 H 2O + lumière
→
Cycle de Calvin
C 6H 12O 6 + 6 O 2
Peut se faire
à l obscurité
Cycle de Calvin
Chaînes de
transport d e–
Nécessite
de la lumière
Chaînes de
transport d e–
Photosynthèse
oxygénique
Schema en Z
Photolyse de l eau
Stroma
Membrane des thylakoïdes
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Au niveau du stroma :
RUBISCO
Le Cycle de Calvin-Benson utilise NADPH et ATP (issus des
thylakoïdes) et CO 2 atmosphérique pour produire du G3P :
Thylakoïdes
Thylakoïdes
3 CO 2 + 6 NADPH + 5 H 2O + 9 ATP
→ G3P + 2 H + + 6 NADP+ + 9 ADP + 8 Pi
G3P : Glycéraldéhyde-3-Phosphate
G3P : Glycéraldéhyde-3-Phosphate
RubisCO
L
RubisCO
Ribulose 1,5 bisphosphate carboxylase/oxygénase
- Enzyme multimérique du stroma des chloroplastes
- Permet la fixation du CO 2 dans la biomasse végétale
- Comporte du magnésium (Mg2+)
S
L
Ribulose-1,5-bisphosphate + CO 2
→ 2 (3-phospho-glycérate)
8 petites sous-unités (S)
8 grandes sous-unités (L)
génome nucléaire
génome chloroplastique
Vue supérieure
Vue latérale
Au niveau des thylakoïdes : chaînes transporteuses d e–
Lumière ! photolyse de l eau (= donneur d e–). Accepteur
d e– = NADP+. Le transport des e– génère un gradient de
H+ utilisé par ATPase pour fabriquer ATP.
Le flux des e– se fait selon un « schéma en Z » dans les
membranes des thylakoïdes qui comportent :
PSI (photosystème I) : Chlorophylle a de type P700
(absorbe dans le rouge lointain).
PSII (photosystème II) : Chlorophylle a de type P680
(absorbe dans le rouge proche)
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Le transport des e– génère
un gradient de H +
plastoquinone
ferredoxin-NADP
reductase
H+
PC= plastocyanine (Cu)
- Le PSII contient
du Mn
- Le Cyt b6f contient
du Fe
-1.25
Schéma en Z
P700*
« Invention » de la photosynthèse chez les Bactéries :
-1.0
- 0.75
(V)
- 0.5
P680*
Donneur d e-
Pheophytine
Ferredoxine
NADP reductase
Plastoquinones
0.0
E
Cyt b6 f
+ 0.25
NADP+
- Phototrophie oxygénique : produisent de l O 2 sur Terre depuis
2.15 109 ans (Rasmussen et al. 2008 Nature 455:1101)
- Importance : 50% photosynthèse sur Terre : Prochlorococcus
NADPH
Plastocyanine
P700
PSI
+ 0.5
h"
H 2O
1/2 O 2 + H +
+ 0.75
+ 1.0
Phylum Cyanobacteria
FeS (ferredoxine)
- 0.25
ATP synthase
- CF0 (au lieu de F0): tunnel à proton enfoui dans la
membrane thylacoïde.
- CF1 (au lieu de F1) : site de catalyse qui fait saillie
dans le stroma.
P680
PSII
Flux d e– produisant une fpm : ATP
h"
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Les Prochlorophytes
Thylacoïdes de cyanobactéries
Cyanobactéries actuelles, à chlorophylle a et b, les plus proches des
chloroplastes
Rem : plus que trois espèces de Prochlorophytes actuellement :
1. Prochloron didemni (pas de culture pure)
Premier Prochlorophyte découvert
Possèdent une paroi avec acide muramique.
Symbiote d Ascidies tropicales (Didemnidae).
Sphériques,
8-10 µm Ø
Système étendu de membranes thylacoïdales
Possèdent #-carotène et zéaxanthine
2. Prochlorococcus
Prochloron didemni (Lewin 1977)
Dans matrice
mucilagineuse à
l extérieur de l hôte
(tunique)
8-10 µm Ø
Ascidie
0.6 µm Ø (picoplancton)
Dans les zones oligotrophes des océans.
Volume des océans $ $ $ : grand producteur O 2.
Important contributeur de la productivité primaire des océans
Une des bactéries les plus abondantes sur terre.
3. Prochlorothrix hollandica
Bactérie filamenteuse d eau douce.
Prochloron fourni 60% du C
de l hôte.
Alberte et al. (1987) Symbiosis 4:147170.
5 μm
Prochlorococcus sp.
0-200 m
Pas aux hautes latitudes (t
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C trop %)
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