Thème 1 - La Terre dans l'univers, la vie et l'évolution de la vie Énergie et cellule vivante (on se limite aux cellules eucaryotes)

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1 Thème 1 - La Terre dans l'univers, la vie et l'évolution de la vie Énergie et cellule vivante (on se limite aux cellules eucaryotes) Tout système vivant échange de la matière et de l énergie avec ce qui l entoure, il est donc le siège de couplages énergétiques : 3 grands processus caractérisent ce métabolisme : photosynthèse exclusivement chez les organismes chlorophylliens, respiration et/ou fermentation Pb : quelle est la localisation et quelles sont les modalités de la production d énergie chez les EV eucaryotes? LE SYNDROME DE MELAS Le syndrome de MELAS associe Myopathie mitochondriale, Encéphalopathie, Acidose Lactique et des problèmes neurologiques aigus ressemblant à des AVC. La maladie débute le plus souvent dans l'enfance ou chez de jeunes adultes. Les épisodes peuvent être déclenchés par une infection ou un effort physique. Ils associent céphalées et vomissements et parfois des signes évoquant un accident vasculaire. Il existe des symptômes chroniques notamment une faiblesse musculaire. Le syndrome de MELAS est provoqué par des mutations de l'adn mitochondrial. Le diagnostic repose sur l'imagerie cérébrale. In individuals with MELAS, lactate concentrations are commonly elevated at rest and increase excessively after moderate exercise (lactic acidosis). The patient had elevated resting arterial lactate (.7 mmol/l; reference interval [RI], mmol/l) and pyruvate (98 μmol/l; RI, μmol/l) levels. La biopsie musculaire permet de montrer chez environ 85% des patients l'existence d'une myopathie mitochondriale avec fibres musculaires rouges déchiquetées (ragged-red fibers). Les fibres blanches du muscle restent normales. Electron microscopy of a muscle biopsy sample revealed abnormal mitochondria. Defects of cellular respiration are observed. Les analyses biochimiques des enzymes de la membrane interne des mitochondries extraites du muscle montrent leur incapacité à convertir l O (dioxygène) et le glucose en énergie (production d ATP). Document : Muscle biopsy of a person diagnosed with MELAS (a) several ragged red fibers (arrowhead). (b) Electron microscopy showing abnormal collection of mitochondria with abnormals inclusions (arrowhead and large arrowhead) and mitochondrial vacuoles (small arrowhead). Abu-Amero et al. Journal of Medical Case Reports 009. [5] Très peu d'essais thérapeutiques satisfaisants ont été conduits chez les patients ayant un syndrome de MELAS. Le pronostic du syndrome de MELAS est sévère. Chacun des épisodes peut entraîner le décès du patient. De plus, les épisodes ont un effet cumulatif qui aboutit à une détérioration mentale graduelle, avec démence, perte de la vision et de l'audition. La myopathie peut aussi contribuer à une perte de l'autonomie. Modifié et adapté d après Dr Anne LOMBES Dernière mise à jour : Juillet 006, Ophanet550 INSERM ; Luke J Conway, Thomas E Robertson, James J McGill and Josh P Hanson Med J Aust 011; The Medical Journal of Australia ; Wikipedia, the free encyclopedia.

2 Ou Mise en relation possible pour le syndrome de MELAS

3 1 ère leçon : Respiration, fermentation, ATP et muscle BILAN : Le dysfonctionnement des mitochondries dans le syndrome de MELAS est associé à des problèmes de respiration cellulaire. La production d énergie est réduite ce qui entraîne une faiblesse musculaire. Idée : mitochondries = siège de la respiration I) Le rôle primordial des mitochondries au sein des cellules eucaryotes : Pb : monter que les mitochondries sont le siège de la respiration cellulaire Un modèle biologique : LA LEVURE (champignon unicellulaire) Stratégie? On fournit glucose et O à des levures affamées, on mesure l évolution des concentrations d O, de CO et d éthanol en fonction du temps (EXAO avec sondes à O, de CO et d éthanol) ; On compare leurs mitochondries ; On compare leur capacité à produire de l énergie et ainsi de réaliser des synthèses de matière organique dans le cadre de leur multiplication. Poly souches de Levures : Rho+ = souche sauvage Rho- = souche mutante (mutation d un gène de la mitochondrie la rendant non fonctionnelle) Métabolismes et structures comparés

4 Des modèles biologiques : les Levures Rho+ (souche sauvage) et Rho- (souche mutante mutations de l ADN mitochondrial) Métabolismes et structures comparés Mitochondries rares et anormales (Pas de crêtes internes développées).

5 Les levures Rho+ respirent en présence d O et fermentent en absence d O. Les levures Rho- fermentent exclusivement en présence ou en absence d O. Les levures Rho+ disposent de mitochondries fonctionnelles (avec 0 ), pas les Rho-. L idée se confirme : mitochondries responsables de la respiration des cellules. Validation définitive Matériel biologique : Levures rho+ = souche sauvage Levures rho- = souche mutante (mutation d un gène de la mitochondrie la rendant non fonctionnelle). Produits chimiques : Acide cyanhydrique : bloque le fonctionnement de la mitochondrie. Glucose : substrat du métabolisme des Levures Sondes : à O, CO et éthanol t0 : Levure Rho+ affamées et oxygénées Stratégie? Mesure de l évolution des [O, CO et éthanol] avec 3 sondes. t1 + glucose : On s attend à une consommation d O et une production de CO à partir de t1 = RESPIRATION. t (pendant la phase de respiration) + acide cyanhydrique : On s attend à un arrêt de la consommation d O = arrêt de la RESPIRATION et une production de CO et d éthanol à partir de t = FERMENTATION. ( Levures Rho- affamées et oxygénées + glucose au temps t1 (acide cyanhydrique inutile car selon hypothèse pas de respiration possible), mesure de l évolution des [O, CO et éthanol] avec 3 sondes.)

6 Les levures Rho+ qui disposent de mitochondries respirent en présence de glucose et d O ; elles cessent de respirer mais fermentent après injection d acide cyanhydrique qui bloque l activité des mitochondries. C est un 1 er argument en faveur du siège de la respiration dans les mitochondries. Les Levures Rho- qui ne disposent pas de mitochondries fonctionnelles, ne respirent jamais en présence de glucose et d O mais fermentent. C est un ème argument en faveur du siège de la respiration dans les mitochondries. Les mitochondries sont donc bien le siège de la respiration cellulaire. PB : Comment expliquer l accumulation d acide lactique et du pyruvate dans MELAS? Soit excès de production ou déficit d utilisation du pyruvate et du lactate. Un document ressource pour mieux comprendre On cultive des cellules musculaires dans un milieu très oxygéné contenant du glucose radioactif. On désigne ce glucose par la lettre G. Des prélèvements effectués aux temps t 0, t 1, t, t 3 et t 4 permettent de noter l apparition de nouvelles substances radioactives : - de l acide pyruvique désigné par la lettre P, d autres acides comme l acide succinique noté S, - du dioxyde de carbone (CO ). La localisation de ces produits en fonction du temps est donnée par le tableau ci-dessous : Temps Milieu extracellulaire Milieu intracellulaire Hyaloplasme Mitochondries t 0 G Entrée t 1 G G Transformation T t P Entrée P t 3 CO P + S T +Sortie t 4 CO S T On cultive désormais des cellules musculaires dans un milieu sans dioxygène contenant du glucose radioactif (G). Des prélèvements à des temps différents permettent de voir apparaître diverses molécules radioactives dont l acide pyruvique (P), l acide lactique(l) et le dioxyde de carbone. Temps Milieu extracellulaire Milieu intracellulaire Hyaloplasme t 0 G Entrée t 1 G G t P t 3 L Sortie t 4 L L T T Formulez une hypothèse sur les étapes de la respiration et de la fermentation réalisées par les cellules musculaires.

7 Stratégie? t0 : Mitochondries isolées / mesure de l évolution de [O ] avec 1 sonde. t1 : + glucose t : + acide lactique t3 : + acide pyruvique t4 : + acide cyanhydrique au temps (pendant la phase de respiration), Influence de diverses substances sur la respiration de mitochondries isolées RESPIRATION Pas de respiration cellulaire Forte consommation de dioxygène Blocage de la respiration Injections Glucose Acide lactique Acide pyruvique Acide cyanhydrique

8 L apport de glucose ou d acide lactique dans une suspension oxygénée de mitochondries isolées ne modifie pas leur consommation d O. L apport de pyruvate provoque une forte consommation d O par ces mêmes mitochondries. Conclusions : Les mitochondries sont donc les organites de la respiration cellulaire. Elles ne consomment pas directement le glucose (C6). Des réactions chimiques se déroulent donc dans le hyaloplasme (liquide du cytoplasme) et permettent d obtenir à partir du glucose des composés organiques plus simples utilisables par les mitochondries en présence d O (/ pyruvates C3). L acide lactique est un produit de la fermentation lactique des fibres musculaires (pas d O ) Retour sur le schéma MELAS Mutations de l ADN des mitochondries Mitochondries anormales Respiration cellulaire anormale Passage des cellules musculaires en fermentation lactique transformant le glucose en acide pyruvique donnant de l acide lactique Accumulation d acide lactique + Faible production d énergie par fermentation lactique Absence de consommation d acide pyruvique provenant de la transformation du glucose Accumulation d acide pyruvique + Absence de production d énergie par respiration Syndrome de MELAS Faiblesse musculaire

9 Pb : quelles sont les modalités de la synthèse d énergie par la respiration cellulaire et la fermentation? II) Les modalités de la production d énergie lors des processus de respiration et de fermentation : Des documents ressources : organisation fonctionnelle de la mitochondrie ; équations RESPIRATION et FERMENTATION LACTIQUE (on signalera la fermentation alcoolique) ; propriétés de la membrane interne de la mitochondrie. Organisation fonctionnelle de la mitochondrie Crêtes : enzymes d oxydo-réduction / Cytochrome oxydase (4H + + O H O), ATP synthétase ( ATP) = chaîne respiratoire Matrice : enzymes d oxydo-réduction, de décarboxylation ( CO ), composés = coenzymes = «transporteurs» réduits ou oxydés = R et R H, pyruvate, (succinate), ATP, ADP, Pi

10 Des équations Toute cellule vivante, isolée ou non, animale ou végétale (autotrophe et non autotrophe), régénère son ATP en oxydant des molécules organiques par processus respiratoire ou fermentaire. La respiration comporte plusieurs réactions chimiques catalysées par des enzymes. - La première étape est l oxydation du glucose en pyruvate, elle s accompagne de la production de composés réduits R H. Elle se déroule dans le hyaloplasme. L énergie libérée permet par couplage la synthèse de deux molécules d ATP par molécule de glucose oxydé. C 6 H 1 O* 6 + R ** CH 3 COCOOH + R H ADP + P i ATP Oxydation* = perte d H + Réduction** = gain de H + - La deuxième étape se déroule dans la matrice des mitochondries. C est une série de décarboxylations oxydatives, à partir du pyruvate, qui s accompagne de la production de composés réduits et de synthèse d ATP. CH 3 COCOOH* + 10 R ** + 6 H O 6 CO + 10 R H ADP + P i ATP - La dernière étape se déroule dans les crêtes de la membrane interne des mitochondries. C est l oxydation par le dioxygène, des composés réduits produits dans les étapes précédentes. Elle est couplée à la production d une importante quantité d ATP. 1 R H * + 6 O ** 1 R + 1 H O 3 ADP + 3 P i 3 ATP Ainsi, dans le cas d une molécule de glucose, la respiration cellulaire peut être traduite par le bilan des transformations : C 6 H 1 O *O + 6 H O 6 CO + 1 *H O Le symbole * indique le devenir de l O du dioxygène O. Au cours de la respiration, la dégradation du glucose est donc totale. Au cours de ces réactions, la matière carbonée est minéralisée sous forme de CO.

11 Propriétés de la membrane interne des mitochondries Document : Expérience sur des particules submitochondriales Les particules submitochondriales, petits sacs de 100 nm de diamètre, sont obtenues à partir de fragments retournés de membrane interne de mitochondries. Cette membrane est recouverte de structures arrondies nommées sphères pédonculées qui ne sont plus en contact avec la matrice (= milieu intra-mitochondrial) mais avec un milieu expérimental. Il contient de l'o, des composés réduits R'H, de l'adp et du P (phosphate inorganique). Conditions particules submitochondriales particules submitochondriales sans les sphères. particules submitochondriales sans les sphères, mais ajout de sphères isolées dans le milieu Résultats Synthèse d 'ATP et réoxydation des R'H en R' Pas de synthèse d'atp mais réoxydation des R'H en R' Synthèse d'atp et réoxydation des R'H en R' Remarque : en l'absence de composés réduits R'H, il n'y a pas de synthèse d'atp.

12 Bilan : la respiration La glycolyse dans le hyaloplasme forme des pyruvates à partir du glucose, des coenzymes réduites R H et de l ATP. L utilisation de ces pyruvates dans la matrice mitochondriale forment des R H (= coenzymes réduites), du CO et de l ATP. Ces R H sont indispensables au fonctionnement de la chaîne respiratoire des crêtes interne des mitochondries. Cette chaîne respiratoire est le siège de réactions d oxydo-réduction qui consomment ces coenzymes réduites et où l O est l accepteur final des électrons et des protons (H + ) (réduction en H O). Son fonctionnement permet la synthèse de beaucoup d ATP dans la mitochondrie et le recyclage permanent des R H en R.

13 Par contraste avec l oxydation complète du substrat liée aux mitochondries, une oxydation incomplète est possible par fermentation. Elle produit un déchet organique, reste du substrat réduit non totalement oxydé lors du processus dégradatif. Cette fermentation permet un renouvellement peu efficace mais réel des intermédiaires métaboliques, ce qui autorise dans le cas de la fermentation, une vie sans oxygène. Transformations chimiques au cours de la fermentation alcoolique ou lactique : C 6 H 1 O 6 Glucose Créd ADP + Pi ATP Oxydation Réduction CH 3 CO COOH = acides pyruviques Cox CO R R H Réduction éthanols CH 3 CH OH Oxydation CL : la fermentation a lieu en anaérobiose (pas d O ) et dans le hyaloplasme cellulaire. acides lactiques CH 3 CHOH COOH La 1 ère étape correspond à la glycolyse et ne produit que ATP par molécule de glucose oxydée et des coenzymes réduits R H. La ème étape recycle les R à partir des R H organique = alcool = éthanol ou acide lactique. (oxydation) lors de la formation (réduction) du déchet Schéma bilan : la fermentation

14 ET MELAS DANS TOUT CA???