Ch2 : Les Mitochondries : Description Structurale Et Fonctionnelle Flashcards
Les mitochondries
- organites présents dans toute les cellules eucaryotes
- rôle primordial dans la mise en réserve de l’énergie : appelées aussi centrales énergétiques de la Cellule
- besoin d’oxygène pour fonctionner : utilisent à peu près 98% de l’oxygène respiré chez les mammifères
- sans mitochondries : l’oxygène, les poumons et le système circulatoire qui permet son acheminement vers les tissus seraient inutiles
Histoire des mitochondries
- découvre dans les cellules des granules très semblables en dimension et aspect à des bactéries -> bioblastes ( Altman, 1890)
- réussit à isoler des mitochondries à partir du foie de cobaye ( Hensley, 1932)
- décrivent pour la première fois l’Organisation générale des mitochondries ( Palade et Sjostrand, 1952-1953)
- mettent en évidence l’existence de l’ADN mitochondrial, distinct de celui du noyau ( Schatz et Nass, 1964-1965)
- découvrent le rôle des mitochondries dans l’apoptose ( Liu+ collaborateurs, 1996)
Caractéristiques générales des mitochondries
- organites cytoplasmiques à double membrane
- présentes uniquement chez les eucaryotes
- dans tous les types cellulaires, sauf dans les globules rouges
- entre 1000 et 3000 mitochondries par cellule, selon les types cellulaires
- se déplacent grâce aux interactions avec le cytosquelette
- possèdent leur propre génome, d’origine maternelle
Rôle des mitochondries
- rôle primordial dans la production énergétique de la cellule :
. Elles utilisent l’énergie libérée par le catabolisme des aliments ( comme les glucides, les protéines et les lipides) pour produire l’ATP, une molécule de stockage de l’énergie
Aspect morphologique des mitochondries
- visible au MO après fixation des cellules et coloration
- forme variable, en général : globulaire, filamenteuse, autre (au cours de certaines étapes fonctionnelles)
- leur taille et leur forme varient en fonction : du type cellulaire et de son activité, de différentes conditions physiologiques, de l’environnement
Description tridimensionnelle des mitochondries
- modèle de Palade (1952) : la membrane interne est irrégulière, S’invaginant du côté matriciel en formant des crêtes
- modèle de Sjostrand ( 1953) : les crêtes sont des lamelles indépendantes de la membrane interne
Disparité due a l’utilisation des techniques de fixation différentes
Modèle contemporain des mitochondries
- grâce à des techniques microscopique modernes
- les crêtes tubulaires et les crêtes lamellaires coexistent dans les mitochondries orthodoxe et sont reliées à la membrane interne par des jonctions
Localisation des mitochondries
- différente en fonction du type cellulaire
- d’une façon générale : zones de haute de votre consommation énergétique :
. Comme dans le flagelle des spermatozoïdes-> les mitochondries délivrent l’ATP nécessaire au mouvement flagellaire
. Près des myofibrilles, des fibres musculaires cardiaques, du réticulum endoplasmique dans les cellules à activité sécrétante
Intérêt de la microscopie électronique
- les mitochondries sont visibles en microscopie optique après coloration
- leur structure n’est révélée que par examen en ME
Structure de la double membrane
Les mitochondries sont entourées par deux membranes qui déterminent deux cavités :
- les membranes externe qui est une membrane continue et uniforme doublée par une membrane interne en forme de crêtes
- entre les deux membranes : l’espace intermembranaire ou chambre externe
- la membrane interne délimite une cavité centrale appelée matrice mitochondriale ou chambre interne
Membrane externe
- bicouche lipidique
- 5 à 7 nm d’épaisseur
- composition chimique est très proche de celle de la membrane plasmique
- 50 à 60% de protéines
- 50 à 40% de lipides
Porines
- protéines nombreuses de la membrane externe
- protéines transmembranaires de 30 KDalton
- forment des canaux/pores volumineux, aqueux à travers la membrane de 2 à 3 nm de diamètre
- laissent passer toutes les molécules hydrophiles d’une masse moléculaire inférieure à 10 KDalton
- transport passif, non sélectif, dans les deux sens
Espace intermembranaire
= chambre externe
- 4 à 7 nm d’épaisseur
- dense aux rayonnements électronique
Contient :
- des protons H+ : rôle très important dans la phosphorylation de l’ADP
- des molécules de cytochrome C : rôle important dans L’apoptose ou la mort cellulaire programmée
- des molécules d’une taille inférieure à 10 KDa, qui proviennent du cytoplasme via les porines de la membrane externe
Membrane interne
- Bicouche lipidique
- 4 à 6 nm d’épaisseur
Composition très différente de celle de la membrane externe :
. très forte teneur en protéines (jusqu’à 80%)
. 20 % des lipides: majorité de cardiolipine ou diphosphatidyglycerol, un phospholipide inhabituel responsable de la forte imperméabilité de la membrane interne pour les protons
- nombreux replis= crêtes mitochondriales:
. Cloisonnent la matrice mitochondriale
. ↗️très significativement la surface de la membrane interne( 3 à 5 fois + importante que celle de la membrane externe)
- riche en transporteurs et complexes protéiques enzymatiques
- très faible fluidité
- l’entrée de la plupart des molécules fait appel au transport actif( dépense d’énergie)
Transport actif à travers la membrane interne
- antiport ATP/ADP: assure le passage de l’ADP de l’espace intermembranaire vers la matrice en même temps que la sortie de l’ATP de la matrice vers l’Espace intermembranaire
- symports métabolites/H+: le pyruvate, les AG et les ions phosphates passent en même temps que les ions H+ , l’énergie nécessaire pour le passage de ces métabolites est fournie par le transport des protons dans le sens du gradient de concentration
Matrice mitochondriale
= chambre interne
Limité par la membrane interne
=> matériel relativement dense, finement granuleux, qui ressemble à un gel
Contient :
- une concentration très importante de protéines solubles et de petites molécules
- des ribosomes appelés mitoribosomes, ressemblant beaucoup aux ribosomes bactériens
- plusieurs copies d’ADN circulaire bicaténaire: l’ADN mitochondrial ADNmt
- des molécules d’ARN de transfert, d’ARN messager
- des granulations denses et irrégulières formées par l’accumulation de cations divalents (Ca2+, Mg2+)
- de nombreux systèmes enzymatiques : permettant l’oxydation du pyruvate, des AG, enzymes du cycle citrique (cycle de Krebs)
La Division mitochondriale
- durée de demi vie courte: 6 à 10 jours selon la cellule
- détruites par autophagie
- remplacement assuré par la division mitochondriale : ressemble beaucoup à la Division bactérienne puisqu’une mitochondrie mère -> 2 mitochondries filles par segmentation
- mécanisme de Division rapide : environ 1min
La mitochondrie mère ↗️ de taille et duplique son ADN
La divison se fait par : formation d’une cloison qui pénètre dans la matrice mitochondriale et se développe de manière à séparer les 2 mitochondries filles
Fusion mitochondriale
- permet de former des mitochondries + grandes et aux structures + ramifiées
- participe à la réparation et la restauration des mitochondries
- phénomène complexe: dépend de la presence des mitofusines qui sont des protéines à activité GTPasique
Fractionnement des mitochondries
Pour étudier la composition et la structure des différentes partie de la mitochondrie séparément :
- on place une mitochondrie dans un milieu de faible osmolarité/ milieu hypotonique
- entrée d’eau par osmose : provoque le gonflement de la mitochondrie et la rupture de la membrane externe : libération de l’espace intermembranaire -> récupérer apres centrifugation dans le surnageant
- le culot est resuspendu dans un milieu à forte osmolarité/ milieu hypertonique
- provoque la contraction de la membrane interne
- centrifugation en gradient de densité qui va séparer la membrane externe du reste
- après rupture et centrifugation-> séparer la matrice et la membrane interne
Génome mitochondrial, ADN mitochondrial
(Observé par Schatz et Nass)
Logé dans la matrice
Code pour 37genes:
-2 ARN Ribosomaux
-22 ARN de transfert
- 13 protéines de la membrane mitochondriale interne
Double brin circulaire de 16569 paires de bases
5 à 10 copies par mitochondrie( cellule peut contenir 5000 copies de cet ADN)
Représente - de 1% de l’ADN cellulaire total
- l’information portée par l’ADNmt est 100 000 fois inférieure aux informations de l’ADN nucléaire
Différences Adn nucléaire (avec ADNmt)
- pas d’introns( sequence non codante), comme les procaryotes
- systèmes de réparation de l’ADN : pas aussi complets et efficaces
- code génétique différents
- transmission maternelle uniquement : seul le noyau du spermatozoïde pénètre dans l’ovule( donc pas les mitochondries)
Nécessité d’importation des protéines mitochondriales
- 13 protéines codées par le génome mitochondrial
- 500 codés par l’ADN nucléaire : il faut les importer du cytosol vers les mitochondries
- adressage : mécanisme qui attribuera les protéines importées aux 4 compartiments mitochondriaux
Fonctionnement de l’importation des protéines mitochondriales
La plupart des protéines mitochondriales synthétisées dans le cytosol sont des précurseurs= preproteines
- possèdent séquence signal, temporaire, assurant la spécificité des importations
- se lient immédiatement à une protéine chaperonne qui les maintiennent dans un état replié, non agrégé
Récepteurs d’importation :
- sur la face externe de la membrane externe mitochondriale
- possèdent un site de liaison spécifique de la séquence signal : reconnaissent la séquence signal portée par les preproteines associée à la protéine chaperonne
La preproteine traverse le canal formé par le complexe d’importation pour arriver jusqu’à la matrice mitochondriale
Une fois la preproteine dans la matrice mitochondriale, une protéase va cliver la séquence signal :
- libere la protéine repliée qui va accomplir sa fonction biologique dans la mitochondrie
- les deux protéines chaperonnes sont recyclé dans la matrice
Nécessité d’Importation des lipides vers la mitochondrie
Les mitochondries n’ont pas la capacité de synthétiser tous leurs lipides : une partie doit être importée
Fonctionnement de l’Importation des lipides vers la mitochondrie
- mécanisme d’importation des lipides sont très mal connus
- la majorité des lipides sont fabriqués dans le réticulum endoplasmique, puis sont transporté vers les mitochondries:
postulat de l’existence des protéines qui assurent des navettes entre le réticulum endoplasmique et les mitochondries - 2 hypothèses : l’importation des lipides est possible grâce aux interactions existant entre les mitochondries et le réticulum endoplasmique
Ou l’importation est effectué par des protéines de transport spécifiques
Chaine respiratoire mitochondriale
= phosphorylation oxydative= oxydation phosphorylante
Respiration cellulaire
- > l’une des principales fonctions des mitochondries
- processus créateur d’ATP ( mitochondrie: centrale énergétique de la cellule)
- fait appel à un système enzymatique formé de 5 complexes protéiques qui se trouvent dans la membrane interne de la mitochondrie
- processus associé à la consommation d’oxygène et à la production d’eau, => respiration cellulaire
Fonctionnement de la chaîne respiratoire mitochondriale
- des électrons capturés à partir de molécules donneuses ( NADH,H+ et FADH2) vont circuler à travers des complexes où se déroule une série d’étapes d’oxydoréduction
- réactions d’oxydoréduction génèrent de l’énergie sous forme d’une force électromotrice
- l’énergie générée-> active des pompes à proton (H+) qui vont générer un gradient de H+ dans l’espace intermembranaire
- gradient de protons utilisé pour produire de l’ATP par les ATP synthase ( complexe V)
5 complexes
- > dans la membrane interne
- complexe I: NADH reductase
- complexe II : succinate-Q réductase
- complexe III: cytochrome C réductase
- complexe IV: cytochrome C oxydase
- complexe V: ATP synthase
Étapes respiration cellulaire
9 etapes
Étape 1
1- les coenzymes cèdent leurs électrons ( NADH, H+ -> complexe I ; FADH2 -> complexe II)
Étape 2
2 - le complexe I catalyse le transfert d’une paire d’électrons du NADH
- le transfert de ces 2e- libere l’énergie nécessaire au pompage de 2 protons H + vers l’espace intermembranaire
Étape 3
3- ensuite l’ubiquinone transporte les deux électrons à la fois
Étape 4
4- le complexe III catalyse le transport d’électrons de l’ubiquinone réduite au cytochrome C
- le passage d’un électron à travers le complexe III entraine le pompage d’un autre proton H +
Étape 5
Le cytochrome C transporte un électron à la fois du complexe III vers le complexe IV
Étape 6
Le complexe IV constitue l’étape finale du transport d’électrons dans la chaîne respiratoire
Étape 7
Dans le complexe IV à la lieu la réduction globale d’une molécule d’oxygène : cette réduction implique 4 électrons amenés par 4 cytochromes ce qui nécessite l’oxydation de 2 molécules de NADH, H+ et 4 protons H+
Réaction globale : O2 + 4 e- + 4H+ = 2H2O
Étape 8
Les 2 molécules sont relarguées dans la matrice
- en même temps, 4 protons sont pompés de la matrice vers l’espace intermembranaire
Dernière étape
- l’énergie lors des combinaisons des électrons avec les complexes est utilisée pour l’exportation des protons H+ dans l’espace intermembranaire
- le transport des protons dans cet espace détermine un gradient de concentration des protons ( la face externe de la mitochondrie interne devient positive puisqu’elle est plus riche en protons, et la phase matricielle devient négative)
- l’ATP synthase utilise ce gradient de concentration des protons pour synthétiser l’ATP
Création d’ATP
Fonctionne comme une turbine électrique : le passage de 3 protons de l’espace intermembranaire vers la matrice mitochondriale permet de synthétiser une molécule d’ATP par phosphorylation d’une molécule d’ADP
Les inhibiteurs
-> inhibent les complexes protéiques de la respiration cellulaire
Inhibiteur du complexe I
Le rotenone : molécule organique qui rentre dans le composition de certains pesticides et insecticides
Inhibiteur du complexe III
L’antimycine : un antibiotique
Inhibiteur du complexe IV
Le cyanure
Inhibiteur du complexe V
L’oligomycine : un antibiotique
Origine des coenzymes donneurs d’électrons
- le NADH,H+ et le FADH2 proviennent du métabolisme cellulaire : glycolyse, bêta- oxydation des acides gras…
- le métabolisme du glucose, des AG et des protéines va libérer de l’acetyl coenzyme A qui rentre dans le cycle de Krebs et libere : 3 NADH,H+ et FADH2, utilisé comme donneurs d’électrons
Synthese des hormones Stéroides
- les mitochondries participent avec le réticulum endoplasmique à la biosynthèse des hormones steroidiennes comme : les oestrogènes, la testostérone, la progestérone
- à partir du cholestérol, grâce à des cytochromes P450 mitochondriaux
Synthese des précurseurs des acides aminés
- les mitochondries y jouent un rôle important
- acides aminés très importants pour la synthese protéique
Homoeostasie calcique
- principal réservoir de calcium avec le réticulum endoplasmique
- canaux ioniques Na+/Ca2+: transport du calcium ( dans la membrane mitochondriale)
Régulation de l’apoptose
= mort cellulaire programmée
processus par lequel les cellules déclenchent leur autodestruction :
- mort cellulaire physiologique, génétiquement programmée
- nécessaire à la survie des organismes pluricellulaires
Déclenchée en réponse à un signal : les mitochondries :
- gonfle
- augmentent massivement la concentration du calcium cytosolique
- libèrent des molécules apoptogenes : qui déclenchent la mort cellulaire programmée
Vieillissement parallélisme
- Centrale électrique : utilise la radioactivité pour produire de l’électricité, produit en même temps des déchets nucléaires
- mitochondrie: utilise les aliments de l’oxygène de l’air pour produire de l’énergie sous forme d’ATP, produit des déchets du métabolisme (les radicaux libres de l’oxygène, RLO)
Vieillissement radicaux libres de l’oxygène
- espèce chimique très réactives qui peuvent attaquer toutes les macromolécules d’une cellule : les proteines, l’ADN, les lipides
- accélère/déclenchent le vieillissement
radicaux libres de l’oxygène défense antioxydante
- enzymes antioxydantes
- fragilisée avec l’âge : l’équilibre penche du côté des radicaux libres produits
radicaux libres de l’oxygène cercle vicieux
- déséquilibre augmente et déclenche le vieillissement : les mitochondries sont à la fois source mais aussi cible de ces radicaux libres de l’oxygène
- les RLO attaquent les macromolécules des mitochondries: attaque des membranes mitochondriales( baisse de la fluidité membranaire), attaque des protéines / système enzymatique mitochondrial( diminution de l’activité des complexes de la chaîne respiratoire), attaque de l’ADNmt ( augmentation de la mutation de l’ADN mitochondrial)
- les dommages provoquent : arrêt du cycle cellulaire, augmentation de l’apoptose et de l’inflammation -> engendre de + en + une production de radicaux libres
- > aboutit à l’augmentation des pathologies, à un vieillissement…
Théorie de l’endosymbiose
Les chloroplastes et les mitochondries ont évolué à partir de certaines formes bactériennes ont été Phagocytees
- ces cellules eucaryotes et les bactéries piégées à l’intérieur ont formé des relations d’endosymbiose très serrées et durant très longtemps
- > les mitochondries ont été à l’origine des bactéries : Phagocytees par une cellule eucaryote par endocytose, cette relation est transformé en relation de symbiose
Arguments pour la théorie de l’endosymbiose
- code génétique des mitochondries differe du Code génétique universelle des procaryotes et des bactéries
- l’ADN bactérien n’a pas d’introns alors que l’ADN mitochondrial de levure en possède
Arguments contre la théorie de l’endosymbiose
- mitochondrie est un organite à double membrane comme les bactéries
- presence d’un Adn qui est très différent de l’ADN nucléaire ou de l’adn du noyau cellulaire, beaucoup+ proche de l’ADN bactérien
- mécanisme de chimiosmose comparable
Pathologies dépendant d’origine mitochondriale
- soit d’une mutation ou délétion de l’ADN mitochondrial-> maladie liées à l’ADN mitochondrial
- soit d’un mauvais fonctionnement mitochondrial en rapport avec des modifications de leur environnement
- > maladie liées à une dysfonctionnement mitochondrial
Maladies liées à l’adn mitochondrial
- touchent les 2 sexes
- transmission maternelle
- évolution de la maladie dépend du nombre de mitochondries touchées
- heteroplasmie : coexistence de molécule d’ADN mutées et normales dans une même cellule
Ex: maladie de kearns-sayre
Maladies liées à un dysfonctionnement mitochondrial
Aerial 11:
- toutes les mitochondries sont touchées( les tissus touches les + gravement sont ceux qui ont les + grosses demande d’énergie : coeur, cerveau, muscles..
- transmission liée au génome nucléaire( transmission mendelienne)
Ex: Syndrome de Leigh
