Mitochondries
L’énergie de la
cellule est fournie par un apport extérieur ou provient de
réserves intracellulaires (glycogène, vacuoles lipidiques).
L’énergie consommée par les êtres vivants est d’origine
solaire à l’exception des bactéries chimiotrophes des fosses
sous marines qui oxydent le souffre.
L’ATP est la molécule clé du métabolisme énergétique: (petite
monnaie du métabolisme)
ATP --> ADP + Pi + Energie (7,3 Kcal/M).
ATP --> AMP +P-P ( pyrophosphate )+ Energie (7,3 Kcal/M)
* L’ATP - fournit l’énergie chimique du mouvement (cils;
flagelles, muscles) ou des transporteurs membranaires ( ex:
Na/K ATPase )
- active des molécules au cours des réactions métaboliques:
ATP+UMP (uridine monophosphate) --> ADP + UDP
ATP + UDP --> ADP + UTP ; l’uridine triphosphate est un
précurseur de l’ARN
ATP + glucose --> ADP + glucose-6 -P (le glucose 6P est la
première étape nécessaire de la glycolyse)
ATP + acide aminé --> ADP + AA-P activé ; l’AA activé peut
s’ajouter à une chaîne protéique en cours de synthèse
- régule l’activité des protéines enzymatiques en les
phosphorylant:
ATP + Prot --> ADP + PROT-P
- Production de l’ATP par chimiotrophie
Les plantes, les algues et certaines bactéries sont
phototrophes; elles produisent l’ATP en utilisant l’énergie
solaire par le processus de la photosynthèse. Elles accumulent
l’énergie sous forme de molécules de réserve (glucose puis
amidon et cellulose); elles assurent aussi la synthése des
acides aminés, des nucléotides et des acides gras. Les autres
cellules vivantes (protozoaires, champignons, cellules
animales, autres bactéries ) sont chimiotrophes; elles
utilisent l’énergie chimique accumulée par les cellules
phototrophes en catabolisant les sucres et les graisses.
La cellule chimiotrophe dégrade les sucres (glucose, fructose)
par une série d’étapes successives qui sont couplées à la
synthése de l’ATP:
C6H12O6 (glucose) + 32 ADP + 32 Pi (H2PO4) + 6 O2 --> 6 CO2 +
6 H20 + 32 ATP
La dégradation du glucose est scindée en 2 phases:
* une phase anaérobie cytosolique: la glycolyse anaérobie
* une phase aérobie mitochondriale: la respiration cellulaire
I.
Etapes Cytosoliques
La glycolyse anaérobie (voie d’Embden-Meyerhoff) se déroule en
10 étapes chimiques successives dans le cytosol où sont
localisées les enzymes nécessaires:
1 glucose ( C6H12O6 ) + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ --> 2 Pyruvates
( C3H4O3 )+ 2 ATP + 2 NADH + 2 H+
Le Nicotinamide Adénine Dinucléotide (NAD) est un transporteur
d’électron. La forme oxydée (NAD+) est un accepteur de proton
et d’électron pour aboutir à la forme réduite:
2 H+ + 4 e- + 2 NAD+ <----> 2 NADH2
Certains eucaryotes (levures) sont capables de vivre en
aérobiose ou en anaérobiose. En l’absence d’oxygène, elle
dégrade le pyruvate en éthanol et en CO2.
Le muscle squelettique peut travailler en anaérobiose relative
lors d’un effort prolongé. Le métabolisme du pyruvate est
dévié vers la formation d’acide lactique. Ce composé est
responsable d’une acidose cellulaire (crampes). Rejeté dans la
circulation; il est réoxydé en pyruvate et dégradé en CO2 par
la respiration cellulaire au niveau du foie et du coeur.
II.
Mitochondries
Les mitochondries ont été visualisées par la microscopie
optique dés la fin du XIX siècle. Elles sont présentes dans
toutes les cellules eucaryotes à l’exception de certains
parasites unicellulaires (trichomonas). Leur rôle a été mis en
évidence au cours des années 40: du foie a été broyé et la
fraction mitochondriale a été récupérée par centrifugation;
seule cette fraction cellulaire est capable de consommer de
l’O2 et de rejeter du CO2 ---> les mitochondries assurent la
respiration cellulaire et fournissent l’énergie en produisant
plus de 95 % de l’ATP.
La dégradation oxydative du glucose (respiration) s’achève
dans la mitochondrie où le pyruvate a été transporté. La
respiration comprend 15 étapes chimiques successives dont le
bilan global est :
2 Pyruvates + 2 O2 +30 ADP --> 6 CO2 + 6 H20 + 30 ATP
A.
Aspect en microscopie optique
Elles ont la forme de bâtonnets ou d’éllipses mesurant 2 X 1
µ. Leur abondance est variable:
* les globules rouges mâtures n’en possédent pas; l’apport
énergétique est fourni uniquement par la glycolyse anaérobie
* le foie est riche en mitochondries (environ 1000 par
cellule; 20 % du voulume cytosolique); les muscles sont encore
plus riches, en particulier le coeur ou les muscles alaires
des insectes. On peut dénombrer jusqu’à 500 000 mitochondries
chez l’amibe où elles sont situées prés de la zone d’ingestion
des nutriments.
* dans la levure cultivée en condition anaérobie, il y a peu
de mitochondries; elles prennent une forme de vésicule avec
très peu de crêtes au niveau de leur membrane interne. Si on
apporte de l’O2, le nombre de mitochondries augmente et la
membrane interne présente de nombreuses crêtes.
* Les mitochondries changent de forme et de place en
permanence; elles peuvent se scinder ou fusionner; elles sont
associées au cytosquelette (surtout la tubuline) qui assure
leur déplacement intracellulaire.
* Les mitochondries sont abondantes prés des zones où
l’énergie est consommée: myofibrilles des muscles, base des
flagelles dans le spermatozoïde ou base des cils chez la
paramécie.
B.
Aspect en microscopie électronique et
composition
La mitochondrie est un compartiment subcellulaire clos, isolé
du cytosol par sa membrane externe.
* La membrane externe est une bicouche lipidique
correspondant au modèle général des membranes biologiques.
Elle est composée de 50% de protéines et de 50% de lipides.
Elle contient de nombreuses copies de porine; cette protéine
forme des canaux hydrophiles qui permettent le passage de
molécules ayant un PM < 10 000 d. Il existe des protéines de
reconnaissance pour des séquences signal de protéines
d’origine cytosolique qui seront importées aux niveaux de
complexes d’importation (zones d’accolement entre membrane
externe et membrane interne) permettant l’entrée dans la
matrice de protéine de PM > 10 000.
* l’espace intermembranaire est étroit (100 A); sa
composition chimique est proche de celle du cytosol. Il
contient beaucoup d’ion H+ dont le gradient est élevé par
rapport à la matrice.
* la membrane interne est caractéristique de la
mitochondrie. C’est aussi une bicouche phospholipidique mais
elle contient plus de protéines (80%) que de lipides (20%).
Elle est repliée en de multiples crêtes qui augmentent sa
surface. On peut visualiser en ME des complexes sphériques de
90 A situés à la face interne de la membrane interne; ces
complexes contiennent des enzymes de la respiration
cellulaire. Dans la membrane interne, on trouve une ATP
synthétase et des protéines de transport. La membrane interne
est peu perméable aux ions; un lipide à 4 acides gras,
particulier à la membrane interne (le cardiolipide), contribue
à la faible perméabilité aux ions de la membrane interne et
facilite le maintien des gradients électro-chimiques ( ex:
gradient de protons).
* la matrice : c’est le compartiment interne de la
mitochondrie; elle contient des centaines d’enzymes
nécessaires au cycle de Krebs et à l’oxydation des acides
gras. La matrice contient également de l’ADN mitochondrial
d’une longueur de 16 kilobases, des ribosomes mitochondriaux,
des t RNA des r RNA et des enzymes nécessaires pour
l’expression du DNA.
L’ADN mitochondrial est circulaire, ne possède pas d’introns
ni d’histones. Ses 16 569 bases ont été séquencées. Chaque
mitochondrie possède 5 à 10 copies d’ADN qui codent pour 13
enzymes de la matrice (cytochrome b, NADH-déshydrogénase,
ATP-synthase, cytochrome-oxydase entre autres). Les autres
protéines mitochondriales (environ 500) sont codées par l’ADN
génomique et importées. L’ADN mitochondrial code pour 2 ARNr
et 22 ARNt.
Le code génétique de la mitochondrie est un peu différent du
code génétique universel (ex: UGA -> tryptophane dans la
mitochondrie, codon stop dans le code universel; AGA -> codon
stop dans la mitochondrie, -> arginine dans le code
universel). La différence entre ADN mitochondrial et ADN
génomique est expliquée par la théorie endosymbiotique: la
mitochondrie serait une cellule procaryote capturée par les
cellules eucaryotes primitives.
Les mitochondries se reproduisent par fission; toutes les
mitochondries d’un organisme proviennent de l’ovule:
l’hérédité mitochondriale est matrilinéaire; le patrimoine
génétique mitochondrial n’est pas remanié à chaque génération.
L’analyse de la fréquence de mutations de l’ADN miotochondrial
est trés utile en génétique des populations: localisation
d’Eve en Afrique Orientale, proximité génétique des
amérindiens et des mongoles.
C.
Fonctionnement Mitochondrial
Dans la mitochondrie, le pyruvate entre dans l’espace
intermembranaire par une porine. Il est importé dans la
matrice par un symport pyruvate/proton dépendant du gradient
d’ions H+. Le pyruvate est capté dans la matrice par un
complexe enzymatique macromoléculaire qui a approximativement
la taille d’un ribosome; ce complexe contient des copies
multiples de 3 enzymes, de 5 coenzymes et de 2 enzymes de
régulation; l’enzyme principal est la pyruvate deshydrogénase
qui convertit le pyruvate en acétylCoA:
Pyruvate + CoA-SH + NAD+ --> acétylCoA + NADH
La dégradation des lipides fournit aussi une part
substantielle du métabolisme énergétique. Les réserves
lipidiques sont essentiellement sous la forme de triglycérides
(une molécule de glycérol associée à 3 molécules d’acide gras)
qui forment des gouttelettes dans le cytosol. Dans le muscle
cardiaque, on visualise des triglycérides entourant les
mitochondries, elles même situées prés des myofibrilles.
Les triglycérides sont hydrolysés; les acides gras sont
acheminés par des transporteurs (symports acides gras/proton)
vers la matrice mitochondriale. Les acides gras vont entrer
dans le cycle d’oxydation des acides gras; 2 carbones seront
dégradés à chaque cycle en produisant une molécule d’acétylCoA,
une molécule de FADH2 et une molécule de NADH (hélice de Lynen).
L’acétylCoA est la voie finale commune du catabolisme des
glucides et des acides gras. Il va être “brûlé” dans le cycle
de l’acide citrique (cycle de Krebs) .
Pour chaque molécule d’acétylCoA entrant dans le cycle de
Krebs, il se forme 2 CO2, 1 ATP et surtout 4 paires
d’électrons de haute énergie qui seront transférés sur les
coenzymes ( 3 NADH et 1 FAD-H2).
Rappel : Un oxydant est un accepteur d’électron; un
réducteur est au contraire un donneur d’électron.
NAD+,ubiquinol, cytochrome c (Fe+++), 1/2 O2 + 2 H+, sont des
oxydants.
NADH, ubiquinone, cytochrome c (Fe ++), H20 sont des
réducteurs.
NAD+ + 2 e- + H+ <--> NADH
La respiration cellulaire se poursuit au cours du processus de
la phosphorylation oxydative
La dégradation d’une molécule de glucose a entraîné jusqu’ici
la formation de 6 CO2, de 10 NADH ( 2 au cours de la
glycolyse, 2 au moment de la formation d’acétylCoA à partir du
pyruvate et 6 au cours du cycle de Krebs), de 2 FADH2 ( cycle
de Krebs ) et de 4 ATP. Il y a eu accumulation d’énergie
électrochimique sous la forme de 12 paires d’électrons captées
par les coenzymes FAD et NAD. C’est le transfert par étape des
électrons vers l’O2, molécule finale acceptrice des électrons
qui constitue la phosphorylation oxydative. Ce transfert est
couplé à la synthèse de l’ATP (d’où le terme phosphorylation).
Les électrons vont passer successivement du NADH -->
Ubiquinone/Ubiquinol (complexe I)--> Complexe Cytochrome b-c
(complexe III) --> Cytochrome oxydase (compexe IV) --> 1/2 O2
+ 2 H+ --> H20 .
Les cytochromes sont des protéines qui possédent un atome de
fer sous forme ferrique ou ferreuse: Fe+++ + e - ---> Fe++
- Le complexe I est la NADH deshydrogénase; il est composé de
20 chaînes polypeptidiques insérées dans la membrane interne
(PM: 800 000). Il s’agit d’une proténine fer-soufre où les
atomes de fer accepteurs des electrons sont liés à des atomes
de soufre liés aux protéines. Il fait passer 4 H+ de la
matrice dans l’espace intermembranaire.
- Le complexe II (succino-déshydrogénase) accepte et transfert
à l’ubiquinone les électrons provenant de FADH2. C’est aussi
une protéine fer-soufre.
- Le complexe III (ubiquinol-cytochrome c réductase ou compexe
bc1) est constitué de 8 chaînes polypeptidiques insérées dans
la membrane; il pompe 2 H+ de la matrice vers l’espace
intermembranaire; c’est aussi une protéine fer-soufre. Il
comprend une sous-unité immobile (cytochrome b1) et une
navette (cytochrome c).
- Le complexe IV (cytochrome c oxydase) est constitué de 13
chaînes polypeptidiques. Il contient du fer et du cuivre. Il
pompe 2 H + vers l’espace intermembranaire.
NADH2 + 1/2 O2 ---> NAD+ + H2O + Energie pour pomper les
protons dans l’espace intermembranaire. Il s’agit d’un
couplage chimiosmotique.
Les complexes sont de gros assemblages polypeptidiques
enchassés dans la membrane interne mitochondriale. L’ubiquinone
et le cytochrome c sont des molécules plus petites et plus
mobiles qui servent de navettes en transportant les électrons
au niveau de la face interne de la membrane mitochondriale
mais qui ne jouent pas de rôle dans la translocation des
protons.
Outre le pompage des protons, la chaîne respiratoire permet
d’amener les électrons de haute énergie des nucléotides NADH
et FADH2 à un niveau suffisament bas pour permettre leur
captation par l’oxygène.
L’ATP est synthétisée par l’ATP synthase grâce au gradient
protonique
Le passage des électrons des coenzymes FAD-H2 et NADH vers
l’O2 a permis la formation d’un gradient de protons entre
l’espace intermembranaire et la matrice. Ces protons vont
rentrer dans la matrice au niveau des granulations de 90 A; ce
passage de proton est couplé à la synthése d’ATP par l’ATP
synthétase. Il faut 3 H+ pour fabriquer une molécule d’ATP. Il
s’agit d’un couplage osmochimique. L’hypothèse d’un couplage
chimio-osmotique et d’un couplage osmo-chimique nécessaires de
façon simultanée pour la synthèse mitochondriale d’ATP
constitue la théorie chimio-osmotique de Mitchell (prix Nobel
de chimie en 1978).
L’ATP-synthase est un complexe protéique formé de deux
sous-unités F1 et F0. La sous-unité F1 est composée de 3
chaînes , deux chaînes ß et de chaînes et . F1 possède
l’activité ATP-synthase. F0 (chaînes ) possède une
fonction canal à protons.
On peut détruire le gradient protonique par le dinitrophénol;
cette molécule est un ionophore à proton qui équilibre la
concentration des H+ entre la matrice et l’espace
intermembranaire; le dinitrophénol découple la phosphorylation
oxydative: la synthése d’ATP s’arrête tandis que le transfert
d’électrons vers l’O2 se poursuit; il y alors formation de
chaleur sans accumulation d’énergie chimique. On a mis en
évidence chez les animaux qui hibernent une protéine de la
membrane mitochondriale interne qui laisse passer les protons;
cette protéine assure un découplage physiologique de la
phosphorylation oxydative et permet la production de chaleur
chez l’animal endormi à partir des réserves lipidiques
(graisse brune ).
L’ATP synthétisée s’accumule dans la matrice mitochondriale;
elle va être échangée avec de l’ADP grâce à un transporteur
membranaire de type antiport qui assure la diffusion facilitée
des deux molécules en sens inverse l’une de l’autre. S’il n’y
a pas hydrolyse de l’ATP dans le cytosol, il n’ y a pas d’ATP
disponible au niveau du transporteur et l’ATP nouvellement
synthétisé reste dans la matrice mitochondriale (régulation
autonome du système).
Le cyanure se fixe sur la cytochrome-oxydase et bloque le
transfert d’électron entre la cytochrome oxydase et l’eau; la
chaîne respiratoire s’arrête.
Les cytopathies (ou myopathies) mitochondriale sont dues à des
mutations au niveau des complexes transporteurs d’électrons.
Ces maladies se traduisent par une fatigabilité anormale à
l’effort.
Le rendement énergétique de la cellule n’est pas total:
Le bilan énergétique de la dégradation d’une molécule de
glucose par la glycolyse et la respiration cellulaire est 38
molécules d’ATP ( 2 au cours de la glycolyse, 2 au cours du
cycle de Krebs et 34 au cours de la phosphorylation
oxydative).
Si on faisait brûler une molécule de glucose en calorimètre,
l’énergie obtenue correspondrait à celle d’une centaine de
molécules d’ATP; le rendement énergétique de la cellule est
donc de l’ordre de 38%. Ce rendement est à comparer à celui
des meilleures machines thermiques fabriquées par l’homme dont
le rendement maximal n’excède pas 10 % .
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