La mitochondrie

PLAN DU COURS
La mitochondrie
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MOTS CLES
• Organite intracellulaire à double membrane
• Intervient dans la production énergétique de la
cellule
• Possède son propre génome
Aspect
morphologique
Crêtes
Membrane externe
Membrane interne
Espace
intermembranaire
Matrice
• Deux membranes
séparées par un espace
intermembranaire
• Membrane externe
uniforme et continue
• Membrane interne forme
des crêtes
Aspects morphologiques
Caractéristiques de la double membrane
Production énergétique par chimiosmose
– L’ATP
– Transformation du glucose et des acides gras en AcétylCoA
– La production de FADH2 et NADH
– La chaîne respiratoire
– La phosphorylation oxydative
Autres fonctions des mitochondries
L’ADN mitochondrial
Les protéines mitochondriales
– Outils pharmacologiques
– Adressage des protéines cytoplasmiques vers la mitochondrie
Origine des mitochondries (théorie endosymbiotique)
Aspect
morphologique
en microscopie
optique
• Dans le cytoplasme
• Globulaires:
0,5 à 1µm de diamètre
• Filamenteux: jusqu’à 10µm
de long
• Nombre variable selon
type cellulaire (et besoins
énergétiques)
Aspect morphologique
en microscopie électronique
Matrice finement granuleuse:
- mitoribosomes
- ADN
- granules de grande taille
- cristaux protéiques
- cristaux de substances
minérales
- Nombreux systèmes
enzymatiques
1
Variation
morphologique
d’une mitochondrie
dans le temps
L’immunofluorescence
Marquage de l’échantillon
Anticorps primaires
dirigés contre A
Localisation des mitochondries
Localisation dans le cytosol
Anticorps secondaires,
couplés à des fluorochromes
et dirigés contre les primaires
actine
Antigène A fixé
mitochondries
noyau
Observation au microscope à fluorescence
excitation
émission
Lien avec les microtubules
mitochondries
Composition chimique
de la membrane externe
microtubules
• Contient plus de protéines que la membrane
plasmique
• Riche en porine
• Perméable aux ions et molécules de masse
moléculaire inférieure à 10kDa
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Passage passif des petites molécules
par la porine de la membrane externe
ATP
ADP
Acides
gras
Pyruvate
• Contient plus de protéines que la membrane externe
Phosphate
Cytoplasme
Membrane externe
ATP
ADP
Espace
intermembranaire
Acides
gras
Pyruvate
Composition chimique
de la membrane interne
• Dépourvue de cholestérol mais riche en cardiolipine
(diphosphatidyl-glycerol)
• Riche en transporteurs et complexes protéiques
enzymatiques
Phosphate
• Faible fluidité (passage actif)
Passage actif des petites molécules à travers la
membrane interne
ATP
Acides
gras
Pyruvate
Composition de l’espace
intermembranaire
Phosphate
Cytoplasme
Membrane externe
ADP
ATP
Acides
gras
Pyruvate
H+
Espace
inter-membranaire
Phosphate
H+
H+
ADP
Pyruvate
H+
Acides
gras
• Contient les protons qui proviennent du fonctionnement
de la chaîne respiratoire mitochondriale
H+
Membrane interne
ATP
• Composition en ions et petites molécules identique à
celle du hyaloplasme
H+
Phosphate
• Contient le cytochrome C qui circule entre les deux
membranes
Matrice
Fractionnement des mitochondries
Milieu de faible
osmolarité
MOTS CLES
Milieu de forte
osmolarité
Matrice
Membrane externe
Membrane interne
Espace intermembranaire
• Organite intracellulaire à double membrane
Gradient de densité
• Intervient dans la production énergétique
de la cellule
Lyse et
centrifugation
• Possède son propre génome
Centrifugation
Espace
intermembranaire
Membrane
interne
Matrice
Membrane
externe
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L’hydrolyse de l’ATP
fournit de l’énergie à la cellule
Lumière
Aliments
Electrons
hautement
énergétiques
La chimiosmose
Gradient
électrochimique
+31 kJ/mol
Transport
membranaire
actif
Glucose
Pyruvate
Acide gras
Pyruvate
Acide gras
Lors des réactions biochimique: Quand un e- est enlevé à une molécule (elle est
oxydée), il est immédiatement transféré à une autre molécule (qui est réduite).
La tendance à transférer des e- peut être mesurée expérimentalement:
Acetyl-CoA
GTP
Cycle de
Krebs
H+
O2
H2 O
H2 O
H+
e-
e-
ADP + Pi
H
H+
+
ATP
H+
Couple rédox A/A+
H+
Couple rédox de référence (B/B+)
H+
H+
Comment faire de l’ATP avec des e-?
Chaque fois qu’un e- réduit une molécule, il lui amène une charge négative.
Cette charge est alors compensée par l’apport d’un H+
La synthèse d ’ATP
Principe du couplage chimiosmotique
Force proton motrice
Espace intermembranaire
Ce proton est libéré avec l’e- lors de l’oxydation.
Les complexes de la chaîne de
transport « prennent » un H+
dans la matrice quand ils sont
réduit et le re-larguent dans
l’espace
inter-membranaire
lorsqu’ils sont oxydés. Ils créent
ainsi
un
gradient
électrochimique de H+ à travers
la membrane interne.
V
Pont salin
Chaîne respiratoire
mitochondriale
H+
voltmètre
e-
NADH
FADH2
O2
Mouvement
flagellaire
Les potentiels rédox
H+
H+
Synthèse
Membrane
interne
Libération
de H+
Accepteur
final d’eComplexe IV
Libération d ’énergie disponible
pour la synthèse d ’ATP
Niveau d’énergie des ed’e-
Transport
le long de
la chaîne de transport
Niveau d’énergie des e-
Matrice
Flux
d ’e-
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Le NADH est un donneur d’électrons hautement énergétiques qui vont
alimenter la chaîne respiratoire mitochondriale
NADH / FADH2: donneurs d’ee- sont maintenus dans une liaison à haute énergie.
* Potentiel rédox: très négatif
faible affinité pour les e-.
* Potentiel rédox de O2: très positif
accepteur d’e-/forte affinité pour e-.
Pourquoi une chaîne de transport d’e-?
La différence de potentiel rédox est très importante
la réaction est très favorable et l’énergie fournie énorme.
Supérieure à l’énergie nécessaire pour la synthèse d’ATP.
Explosion et dissipation sous forme de chaleur.
Nicotinamide Adenine Dinucleotide
Nicotinamide Adenine Dinucleotide reduit
Ainsi à partir du NADH, les e- passent d’un complexe à l’autre en perdant peu à peu
leur énergie.
Le FADH2 est un autre donneur d’électrons hautement énergétiques…
Le pyruvate provient du catabolisme des acides aminés
et des sucres simples
1 Glucose
glycolyse
2 Pyruvates
+
2 NADH
+
2
ATP
-2 ATP
2 Pyruvates
Chaîne respiratoire
mitochondriale
2 NADH
CoA-SH
O2
ATP
2 NADH
2 AcetylCoA
Krebs
Le passage des électrons sur la chaîne respiratoire
mitochondriale conduit à la formation d’un gradient
électrochimique
2 GTP + 6NADH + 2FADH2
O2
1 GDP + 1
NADH
2e-
2e-
ADP + Pi
ATP
H+
Chaîne respiratoire
mitochondriale
H+
H+
1 GTP + 1 ADP
FADH2
H2 O
H2 O
H+
H+
ATP
H+
H+
FMP
H+
Force motrice protonique
FMP =∆V-60∆pH (environ 220mV)
L’énergie d’oxydation du NADH et FADH2 est transformée au
niveau de la membrane interne en énergie de liaison
phosphate sous forme d’ATP
L’oxydation des acides gras dans la matrice est
une source de NADH et FADH2
Acide gras
CoA-SH
O2
O2
FADH2
NADH
2e-
2e-
H2 O
H2 O
H+
-2
ADP + Pi
ATP
H+
H+
ATP
Lynen
H+
Acyl-CoA(-2C)
1 FADH2
1 NADH
Chaîne respiratoire
mitochondriale
H+
H+
H+
FMP
Chaîne respiratoire
mitochondriale
ATP
Acyl-CoA
1 AcetylCoA
Krebs
1 GTP + 3 NADH + 1 FADH2
H+
1 GTP + 1 ADP
1 molécule de NADH oxydée
3 molécules d’ ATP
1 molécule de FADH2 oxydée
2 molécules d’ ATP
1 GDP + 1
ATP
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Transport d’électrons (chaîne respiratoire)
Le contrôle respiratoire
Flux d’e-
Les cellules n’oxydent que la quantité de glucose nécessaire pour synthétiser la
quantité d’ATP suffisante à leur activité métabolique.
Espace intermembranaire
Cytochrome c
Complexe III
Complexe I
Complexe IV
Coenzyme Q
Matrice
Le fonctionnement de la chaîne s’accompagne d’un transport de H+ et crée un
gradient.
O2
NADH+H+
• 3 complexes enzymatiques (associations de nombreuses protéines)
Complexe I: NADH déshydrogénase
C’est la vitesse de dissipation du gradient qui dicte la vitesse de fonctionnement de
la chaîne et donc la consommation d’O2.
Ce qui contribue à un retour plus rapide des H+ accélère la respiration.
Complexe III: cytochrome b-c1
Complexe IV: cytochrome oxydase
• 2 transporteurs d’électrons (mobiles)
Coenzyme Q = Ubiquinone
Cytochrome c
La force proton motrice est une forme d’énergie potentielle
(gradient)
• Pour rétablir l’équilibre, les H+ situés dans l’espace inter-membranaire doivent traverser
la membrane interne au niveau du « tunnel à H+ » de l ’ATPase
• Le passage des H+ dans le tunnel de l’ATPase génère l’énergie pour former de l’ATP à
partir de l ’ADP et de Pi
• L’énergie libérée sert aussi au transport actif de substrat:
- symport
entrée de pyruvate, AG, phosphate
- antiport
échange ATP/ADP, Pi
• La synthèse des hormones stéroïdes
• La synthèse de phospholipides
• La synthèse d’acides aminés
Matrice
ATP
ADP +
Pi
AUTRES FONCTIONS DES MITOCHONDRIES
Membrane interne
Espace intermembranaire
MOTS CLES
• Rôle dans le contrôle de la concentration de
calcium cytosolique
• Rôle déterminant dans la mort cellulaire
L’ADN mitochondrial
• Organite intracellulaire à double membrane
• Intervient dans la production énergétique
de la cellule
• Possède son propre génome
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L’ADN mitochondrial
Le code génétique mitochondrial
diffère du code génétique universel
• Dans la matrice
• Circulaire
• Deux brins
Mito ch ond r i es
Co don
Cod e u niv erse l
Mam m i f è res
Dr o s oph i la
N eu ro sp ora
Le v ure
P lan t e s
UGA
S t op
Trp
Trp
Trp
Trp
S t op
AGA , AGG
S t op
S er
Ar g
Ar g
Ar g
Ar g
AUA
Il e
Me t
Me t
Il e
Me t
Il e
AUU
Il e
Me t
Me t
Me t
Me t
Il e
Leu
Leu
Leu
Leu
Thr
Leu
• Taille:
• 16,5 kilobases chez l’homme
• 78,5 kilobases chez la levure
• Pas d’introns chez l’homme
• Hérédité maternelle
CUU, CU C,
CUA, CUG
Origine des composants protéiques
de la mitochondrie
Origine des composants protéiques
de la mitochondrie
Inhibiteurs pharmacologiques
• Les protéines codées par l’ADN mitochondrial restent toujours
dans la mitochondrie
• alpha-amanitine
Transcription nucléaire
• cycloheximide
Traduction cytoplasmique
• acridine ou éthidium
Transcription mitochondriale
• chloramphénicol,
érythromycine,
tétracycline
Traduction mitochondriale
Importation des protéines mitochondriales
produites dans le cytoplasme
• La majorité des protéines mitochondriales sont codées par l’ADN
nucléaire
• Les ARN messagers correspondants sont traduits sur des
ribosomes cytoplasmiques libres
Rôle des protéines chaperons dans l’adressage des
protéines cytoplasmiques vers la mitochondrie
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L’adressage des protéines cytoplasmiques
vers la membrane interne ou l’espace
intermembranaire
Origine des mitochondries
La théorie
endosymbiotique
s’appuie sur le parallèle
fait entre les bactéries et
les mitochondries
Evolution vers des cellules
avec mitochondries et
chloroplastes
Les mitochondries sont seules responsables
de la respiration. Sans mitochondries, les
cellules animales seraient des organismes
anaérobies, dépendant énergétiquement du
processus relativement inefficace et antique
de la glycolyse.
De nombreuses bactéries actuelles peuvent
respirer, comme les mitochondries. Il semble
donc probable que les cellules eucaryotes sont
les descendantes d'organismes primitifs
anaérobies qui ont survécu dans un monde
devenu riche en oxygène par intégration de
bactéries aérobies les maintenant en symbiose
pour leur capacité de consommer l'oxygène
atmosphérique et de produire de l'énergie.
Les arguments contre cette théorie
• Le code génétique des mitochondries diffère du code
génétique universel des procaryotes
• L’ADN bactérien n’a pas d’introns alors que l’ADN
mitochondrial de levure en possède
Les éléments en faveur de cette théorie
• La mitochondrie est un organite à double membrane
• Présence d’ADN dans un organite
• Mécanisme de chimiosmose comparable
La division mitochondriale se fait
par scissiparité
Comme pour les eucaryotes, chaque
mitochondrie fille est génétiquement
identique à la mère.
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