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Membrane externe mitochondrie
Homologies avec membrane plasmique eucaryotes :
- Rapport phospholipides/protéines 1:1
- Pas de potentiel de membrane.
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.
Membrane interne mitochondrie
Homologue de la membrane interne des Bactérie :
- 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).
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1
Cardiolipine
glycérol
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
• Présence de tRNA
• Présence d'un génome circulaire (plusieurs copies)
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2
Fonction dominante de la mitochondrie : production d ATP
Glycolyse
Glucose
6C
pyruvate
3C
CYTOPLASME
MITOCHONDRIE
CO2
Pyruvate
3C
acétate
2C
NADH + H+
CO2
NADH + H+
cycle de Krebs
Chaînes transporteuse d e-
O2
ATP
Glycolyse = Voie d Embden-Meyerhof
ATP
ADP
Glucose
kinase
Glucose-6-phosphate
Etapes
consommant
de l ATP
isomérase
ATP
ADP
Fructose-6-phosphate
kinase
Fructose-1,
6-diphosphate
aldolase
Phosphodihydroxyacétone
CYTOPLASME
3-phosphoglycéraldéhyde
PGAL
isomérase
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3
PGAL
NAD+
déshydrogénase
NADH + H+
ADP
1,3-diphosphoglycérate
kinase
ATP
3-phosphoglycérate
Etapes
générant
ATP
et
NADH + H+
mutase
2-phosphoglycérate
énolase
H2O
CYTOPLASME
phosphoénolpyruvate (PEP)
ADP
kinase
ATP
pyruvate
- Dans le cytoplasme
- 10 étapes (10 enzymes)
- "Phosphorylation
au niveau du substrat"
(de l'ATP est produit sans
l'aide de membranes).
- Pas besoin d O2
Voie anaérobie
- Pas de libération CO2
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La glycolyse
Bilan de la glycolyse
2 pyruvate + 2H2O + 2 ATP + 2 NADH + 2H+
Glucose
Mitochondrie
Consommation
Production
1"Glucose
2"pyruvate
2"NAD+
2"NADH"+"2"H+
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2"ADP
2"ATP
2"Pi
2"H2O
5
acide pyruvique
CH3CO-COOH
pyruvate
CH3CO-COO-
NADH = Nicotinamide Adénine Dinucléotide
Transporteur d'e–
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6
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
oxydée
NAD+
NAD+ + substrat-H2
(réduit)
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Forme
réduite
NADH + H+
NADH + H+
+ substrat (oxydé)
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Etape charnière entre glycolyse et cycle de Krebs
H+
CO2
CoA
Pyruvate
Acétyl-CoA
-CoA
NAD+
NADH+H+
perméase
(symport avec H+)
Mitochondrie
Consommation
Production
1"Pyruvate
1"Acétyl;CoA
1"NAD+
1"NADH"+"H+
1"CoA
1"CO2
Coenzyme A (CoA)
thiol : partie réactive : SH-CoA
cystéamine
β-alanine
acide
pantoïque
diphosphate
Adénosine 3 -phosphate
acide pantothénique, vit. B5
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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
CoA-S-CO-R + H2O
Acétyl
Acétyl-CoA = transporteur de groupements acétyles
Cycle de l acide citrique = cycle de Krebs
= cycle des acides tricarboxyliques
Hans Adolf Krebs
(1900-1981)
Prix Nobel 1953
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- Voie métabolique
des mitochondries
- 8 étapes
- phosphorylation
au niveau du substrat
- pas besoin d O2
- libération CO2
- récupération des e–
Le FAD : autre transporteur d'e–
flavine
FAD = Flavine Adénine Dinucléotide
riboflavine-5 -phosphate
= Flavine mononucléotide (FMN)
ribitol
(ribose réduit)
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adénosine monophosphate
(AMP)
10
Remarque
D-ribose
+2
H+
+2
e–
D-ribitol
Flavine mononucléotide
FMN
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Riboflavine
=
Vitamine B2
11
La flavine
FAD
FADH2
Bilan cycle de Krebs
CoA + 2 CO2 + 3 NADH + 3 H+
+ 1 ATP + 1 FADH2
Acétyl-CoA
Consommation
Production
1"Acétyl;CoA
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 O2.
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.
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–
vit. B2
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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
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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
Rôle : transport des électrons
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– = QH2 (red)
chaîne isoprénoïque : liposoluble
(bact : 2 isoprènes; homme : 10 isoprènes (Q10)
de 5 C
base = p-benzoquinone
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Vitamine K2
Les transporteurs d e– forment des complexes
Les complexes I, II, III et IV
coenzyme Q
Les complexes I, III et IV sont des pompes à H+
(matrice vers espace intermembranaire)
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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 QH2
- Contient : • 1 flavoprotéine FMN
• protéines Fe/S : 2 à Fe2S2 et 6 à Fe4S4
- 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 I : réaction globale :
NADH + H+ + Q + 2H+in = NAD+ + QH2 + 2H+out
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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
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Complexe III = complexe bc1
= ubiquinol-cytochrome c oxydoreductase
- Composition :
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 QH2, transfert vers cytochrome c.
QH2 + 2 Fe3+-cyt c + 2H+in = Q + 2 Fe2+-cyt c + 4H+out
Compexe bc1 ou complexe III
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Les e– en surplus sont retransférés aux ubiquinones
(cycle Q)
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
100–104 aa
hème
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Complexe IV = cytochrome c oxydase
- Oxyde le cytochrome c et transfert les e– vers l’O2
- Face interne membrane. Dernier complexe de la chaîne.
- Composition : cytochrome a, a3, centre CuA, centre CuB
4 Fe2+-cyt c + 8 H+in + O2 → 4 Fe3+-cyt c + 2 H2O + 4 H+out
Out
In
Out
In
- Pompe à H+
- Inhibition : cyanure, sulfure, azoture, monoxide de C
13 sous-unités
chez Mammifères
O2 = accepteur
terminal des e–
out
in
Comporte Cu et Fe
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Le gradient de H+ est ensuite utilisé par l ATP synthase
Complexe V = ATP synthase = ATPase
ATP
Génération d ATP à partir d ADP + Pi
1 Glucose
Glycolyse
Bilan : en présence d O2 (ou d un autre
accepteur terminal d e–)
2 ATP
2 NADH + H+
34 ATP
ATPase
2 pyruvate
2 Acétyl-CoA
I
2 NADH + H+
2 CO2 Métabolisme
Total : Max 38 ATP
(quand O2)
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2 ATP
6 NADH + 6 H+
2 FADH2 + 2 H+
4 CO2
intermédiaires
biosynthèses
H+
II
hétérotrophe
Cycle de
Krebs
ADP
+ Pi
III
O2
H2O in
IV
out
23
Bilan de la respiration de 1 Glucose
1 NADH
1 FADH2
3 ATP produits par ATP synthase
2 ATP produits par ATP synthase
10 NADH et 2 FADH2
+ 4 ATP direct
= 34 ATP
= 38 ATP max
La chimiosmose
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 modèle de la chimiosmose à été présenté en 1961
par Peter Mitchell (1920-1992)
Prix Nobel 1978
Le gradient de H+ est ensuite utilisé par l ATP synthase
Complexe V = ATP synthase = ATPase
Génération d ATP à partir d ADP + Pi
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ATP
ADP
+ Pi
25
ATP synthase
out
Complexe
protéique
F0 : sous-unité
fixant l oligomycine
(rotor)
in
15% des protéines
membranaires de
la mitochondrie
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26
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
Avantage : acquisition de la respiration, plus d ATP
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)
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Rickettsies
Rickettsia
Le typhus
Protéobactéries α
parasites intracellulaires
Transmission du typhus
Rickettsies
Rickettsies
Réservoir
acariens
puces
Homme
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poux
- Conditions hygiène déficientes
- Fièvre, maux tête,
toux, éruptions, stupeur, délire
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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)
4.2. Les chloroplastes
- Les chloroplastes sont des organites d eucaryotes, absents chez
les Bactéries et Archées.
- Ils sont le siège de la photosynthèse :
• 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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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 :
Thylacoïdes
- Cycle de Calvin.
les Cyanobactéries
Chloroph. a et b
Origine chloroplastes : endosymbiose avec bactérie
photosynthétique (Cyanobactéries)
espace thylakoïdien ou lumen : [H+]"
(photolyse de l eau)
granum
m. ext.
m. int.
lamelle
amidon
ribosome
stroma
thylakoïdes
ADN
gouttelettes lipidiques
Lamelle = thylakoïde inter granaire
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chloroplastes
Chloroplaste (microscope électronique)
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Bilan de la photosynthèse
6 CO2 + 6 H2O + lumière
→
C6H12O6 + 6 O2
Cycle de Calvin
Chaînes de
transport d e–
Cycle de Calvin
Peut se faire
à l obscurité
Chaînes de
transport d e–
Nécessite
de la lumière
Photosynthèse
oxygénique
Schema en Z
Photolyse de l eau
Membrane des thylakoïdes
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Stroma
33
Au niveau du stroma :
Le Cycle de Calvin-Benson utilise NADPH et ATP (issus des
thylakoïdes) et CO2 atmosphérique pour produire du G3P :
Thylakoïdes
Thylakoïdes
3 CO2 + 6 NADPH + 5 H2O + 9 ATP
→ G3P + 2 H+ + 6 NADP+ + 9 ADP + 8 Pi
G3P : Glycéraldéhyde-3-Phosphate
RUBISCO
G3P : Glycéraldéhyde-3-Phosphate
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34
RubisCO
Ribulose 1,5 bisphosphate carboxylase/oxygénase
- Enzyme multimérique du stroma des chloroplastes
- Permet la fixation du CO2 dans la biomasse végétale
- Comporte du magnésium (Mg2+)
Ribulose-1,5-bisphosphate + CO2
→ 2 (3-phospho-glycérate)
8 petites sous-unités (S)
8 grandes sous-unités (L)
génome nucléaire
génome chloroplastique
RubisCO
L
S
L
Vue supérieure
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Vue latérale
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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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36
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
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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.
37
-1.25
Schéma en Z
P700*
-1.0
- 0.75
Donneur d eFeS (ferredoxine)
Pheophytine
(V)
- 0.5
P680*
- 0.25
0.0
E
Cyt b6 f
+ 0.25
NADP+
NADPH
Plastocyanine
P700
PSI
+ 0.5
h"
H2O
1/2 O2 + H+
+ 0.75
+ 1.0
Ferredoxine
NADP reductase
Plastoquinones
P680
PSII
h"
Flux d e– produisant une fpm : ATP
« Invention » de la photosynthèse chez les Bactéries :
Phylum Cyanobacteria
- Phototrophie oxygénique : produisent de l O2 sur Terre depuis
2.15 109 ans (Rasmussen et al. 2008 Nature 455:1101)
- Importance : 50% photosynthèse sur Terre : Prochlorococcus
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39
Thylacoïdes de cyanobactéries
Les Prochlorophytes
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
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40
Prochloron didemni (Lewin 1977)
Dans matrice
mucilagineuse à
l extérieur de l hôte
(tunique)
8-10 µm Ø
Ascidie
Prochloron fourni 60% du C
de l hôte.
Alberte et al. (1987) Symbiosis 4:147170.
2. Prochlorococcus
0.6 µm Ø (picoplancton)
Dans les zones oligotrophes des océans.
Volume des océans $ $ $ : grand producteur O2.
Important contributeur de la productivité primaire des océans
Une des bactéries les plus abondantes sur terre.
3. Prochlorothrix hollandica
Bactérie filamenteuse d eau douce.
5 μm
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41
Prochlorococcus sp.
0-200 m
Pas aux hautes latitudes (t C trop %)
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