La mitochondrie. Aspect morphologique. en microscopie électronique PLAN DU COURS. Aspect morphologique. en microscopie optique

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1 PLAN DU COURS La mitochondrie Aspects morphologiques Caractéristiques de la double membrane Production énergétique par chimiosmose L Transformation du glucose et des acides en AcétylCoA La production de FADH2 et NADH La chaîne respiratoire La phosphorylation oxydative Autres fonctions des mitochondries L ADN mitochondrial Les protéines s Outils pharmacologiques Adressage des protéines cytoplasmiques vers la mitochondrie Origine des mitochondries (théorie endosymbiotique) MOTS CLES Organite intracellulaire à double membrane Intervient dans la production énergétique de la cellule Possède son propre génome 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 Aspect morphologique en microscopie électronique Membrane externe Membrane interne Crêtes Espace Deux membranes séparées par un espace Membrane externe uniforme et continue Membrane interne forme des crêtes finement granuleuse: - mitoribosomes -ADN - granules de grande taille - cristaux protéiques - cristaux de substances minérales - Nombreux systèmes enzymatiques

2 Variation morphologique d une mitochondrie dans le temps Localisation des mitochondries L immunofluorescence Localisation dans le cytosol Marquage de l échantillon Anticorps primaires dirigés contre A Antigène A fixé Anticorps secondaires, couplés à des fluorochromes et dirigés contre les primaires actine mitochondries Observation au microscope à fluorescence noyau excitation émission Lien avec les microtubules mitochondries microtubules Composition chimique de la membrane externe Contient plus de protéines que la membrane plasmique Riche en porine Perméable aux ions et molécules de masse moléculaire inférieure à 10kDa

3 Passage passif des petites molécules par la porine de la membrane externe Composition chimique de la membrane interne ADP Contient plus de protéines que la membrane externe Cytoplasme Membrane externe Dépourvue de cholestérol mais riche en cardiolipine (diphosphatidyl-glycerol) ADP Espace Riche en transporteurs et complexes protéiques enzymatiques Faible fluidité (passage actif) Passage actif des petites molécules à travers la membrane interne Cytoplasme Membrane externe Composition de l espace Composition en ions et petites molécules identique à celle du hyaloplasme ADP ADP Espace inter-membranaire Membrane interne Contient les protons qui proviennent du fonctionnement de la chaîne respiratoire Contient le cytochrome C qui circule entre les deux membranes Fractionnement des mitochondries Membrane externe Membrane interne Espace Milieu de forte osmolarité MOTS CLES Milieu de faible osmolarité Gradient de densité Organite intracellulaire à double membrane Intervient dans la production énergétique de la cellule Centrifugation Lyse et centrifugation Possède son propre génome Espace Membrane interne Membrane externe

4 L hydrolyse de l fournit de l énergie à la cellule Lumière Aliments Electrons hautement énergétiques La chimiosmose Gradient +31 kj/mol électrochimique Transport membranaire actif Synthèse Mouvement flagellaire Glucose Acide Les potentiels rédox Acetyl-CoA Acide 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: FADH 2 Cycle de Krebs NADH e - e- GTP ADP + Pi e- voltmètre V Pont salin Couple rédox A/A+ Couple rédox de référence (B/B+) Comment faire de l 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+ Ce proton est libéré avec l e- lors de l oxydation. Principe du couplage chimiosmotique Espace Membrane interne La synthèse d Libération de Force proton motrice Complexe IV Accepteur final d e - 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. Transport d e - le long de la chaîne de transport Libération d énergie disponible pour la synthèse d Niveau d énergie des e - Niveau d énergie des e- Flux d e -

5 Le NADH est un donneur d électrons hautement énergétiques qui vont alimenter la chaîne respiratoire 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 : 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. 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 FADH 2 est un autre donneur d électrons hautement énergétiques Le pyruvate provient du catabolisme des acides aminés et des sucres simples glycolyse 1 Glucose 2 s + 2 NAD 2 Le passage des électrons sur la chaîne respiratoire conduit à la formation d un gradient électrochimique 2 s CoA-SH -2 2 NADH 2 NADH FADH 2 NADH ADP + Pi 2e - 2e- 2 AcetylCoA Krebs 2 GTP + 6NAD 2FADH 2 1 GTP + 1 ADP 1 GDP + 1 FMP Force motrice protonique FMP = V-60 ph (environ 220mV) L énergie d oxydation du NADH et FADH 2 est transformée au niveau de la membrane interne en énergie de liaison phosphate sous forme d L oxydation des acides dans la matrice est une source de NADH et FADH2 Acide FADH 2 NADH 2e - 2e- ADP + Pi FMP CoA-SH -2 Acyl-CoA Lynen 1 FADH2 1 NADH 1 AcetylCoA Acyl-CoA(-2C) Krebs 1 GTP + 3 NAD 1 FADH 2 1 GTP + 1 ADP 1 GDP molécule de NADH oxydée 1 molécule de FADH 2 oxydée 3 molécules d 2 molécules d

6 Le contrôle respiratoire Les cellules n oxydent que la quantité de glucose nécessaire pour synthétiser la quantité d suffisante à leur activité métabolique. Transport d électrons (chaîne respiratoire) Flux d e - Cytochrome c Complexe I Complexe III Complexe IV Espace Coenzyme Q Le fonctionnement de la chaîne s accompagne d un transport de H+ et crée un gradient. C est la vitesse de dissipation du gradient qui dicte la vitesse de fonctionnement de la chaîne et donc la consommation d. NADH+ 3 complexes enzymatiques (associations de nombreuses protéines) Complexe I: NADH déshydrogénase Complexe III: cytochrome b-c 1 Complexe IV: cytochrome oxydase Ce qui contribue à un retour plus rapide des H+ accélère la respiration. 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 situés dans l espace inter-membranaire doivent traverser la membrane interne au niveau du «tunnel à» de l ase Le passage des dans le tunnel de l ase génère l énergie pour former de l 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 /ADP, Pi ADP + Pi Membrane interne Espace AUTRES FONCTIONS DES MITOCHONDRIES La synthèse des hormones stéroïdes La synthèse de phospholipides La synthèse d acides aminés Rôle dans le contrôle de la concentration de calcium cytosolique Rôle déterminant dans la mort cellulaire MOTS CLES L ADN mitochondrial Organite intracellulaire à double membrane Intervient dans la production énergétique de la cellule Possède son propre génome

7 L ADN mitochondrial Dans la matrice Circulaire Deux brins Taille: 16,5 kilobases chez l homme 78,5 kilobases chez la levure Pas d introns chez l homme Hérédité maternelle Le code génétique mitochondrial diffère du code génétique universel Mito ch ond ri es Codon Cod e u niv erse l Mam m ifè res Dr os oph ila N eu ro sp ora Levure P lan te s UGA S top Trp Trp Trp Trp S t op AGA, AGG Stop Ser Ar g Ar g Ar g Ar g AUA Ile Met Met Ile Met Ile AUU Ile Met Met Met Met Ile CUU, CUC, CUA, CUG Leu Leu Leu Leu Thr Leu Origine des composants protéiques de la mitochondrie Origine des composants protéiques de la mitochondrie Inhibiteurs pharmacologiques alpha-amanitine Transcription nucléaire cycloheximide Traduction cytoplasmique acridine ou éthidium Transcription chloramphénicol, érythromycine, tétracycline Traduction Les protéines codées par l ADN mitochondrial restent toujours dans la mitochondrie La majorité des protéines s sont codées par l ADN nucléaire Les ARN messagers correspondants sont traduits sur des ribosomes cytoplasmiques libres Importation des protéines s produites dans le cytoplasme Rôle des protéines chaperons dans l adressage des protéines cytoplasmiques vers la mitochondrie

8 L adressage des protéines cytoplasmiques vers la membrane interne ou l espace 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 se fait par scissiparité Comme pour les eucaryotes, chaque mitochondrie fille est génétiquement identique à la mère.