Découverte de la mitochondrie
- Observés et décrites par Altmann en 1890 mais nommées par Benda en 1898
- Altmann les nommait bioplaste et croyait que c’était des particules autonomes et vivantes à l’intérieur des cellules
Localisation des mitochondries
- Présentes dans toutes les cellules eucaryotes aérobies strictes ou facultatives
- Exception: érythrocyte de mammifère
Mitochondries au microscope photonique
- Forme et dimension: 0,1 à 10 μm
- Nombre: 0 (érythrocyte) à 500 000 (ovule, Amibe)
- Formes interchangeables, extrêmement plastiques (fusionnent, fractionnent, allongent, raccourcissent) mitos: filament, chondros: granule
-Peuvent se déplacer sur les MTs - Disposition des mitochondries varie selon les types cellulaires.
– Dans le spermatozoide: immobiles et enroulées autour de l’axonème de la partie intermédiaire du flagelle
– Dans un myocyte strié entre les myofibrilles.
Structure des mitochondries au MET
- Délimitées par 2 membranes du type mosaique fluide
– membrane externe doublée d’une membrane interne qui forme des crêtes vers la matrice
Crêtes des mitochondries
Formes:
- Crêtes lamellaires
- Crêtes tubulaires chez les protozoaires en général
Rôle:
- Augmenter la surface de membrane (hépatocytes ont une membrane interne de 35 000 μm², 20x la surface de la membrane plasmique)
- Plus abondantes plus l’activité respiratoire du tissu est élevée
Matériel génétique de la mitochondrie
ADN:
- Bicaténaire
- Fermé sur lui-même
- Plusieurs copies attachées à la membrane interne
- Sans histones
ARN:
ARNm, ARNt, ARNr
Structure générale d’une mitochondrie
- Membrane externe
- Espace intermembranaire
- Membrane interne
- Matrice
- F0F1ATPase transmembranaire
- ADN libre
- Ribosome
- Crête membranaire avec structure respiratoire (ATP synthase (F0F1ATPase))
- Inclusion
Activités biochimiques
La mitochondrie transforme l’acétyl Co-A en CO2 et H20 tout en phosphorylant l’ADP en ATP (phosphorylation oxydative)
- L’énergie de l’oxydation de l’acétyl Co-A est libérée graduellement par le transfert d’électrons le long de la chaine respiratoire. Cette dernière active à son tour le transfert de protons de la matrice vers le compartiment intermembranaire maintenant ainsi le gradient de proton.
- Au fur et à mesure que cette .nergie est libérée, il y a synthèse d’ATP à partir d’ADP + Pi par L’ATP synthase
Les particules élémentaires (ATPsynthases, F0F1ATPases)
Dans la membrane interne, un transporteur de protons transmembranaire lié à une F1ATPase (unité epsilon et delta) qui possèdent une unité hexagonale de sous-unité α et β. Chaque particule élémentaire est un complexe protéique formé de 9 types de polypeptides. De 10 000 à 100 000 ATP synthase / mitochondrie.
Provenance de l’acetyl-CoA
- De la β-oxydation des acides gras (dans les mitochondries et/ou les peroxysomes)
- De l’oxydation du pyruvate (acide pyruvique dans les mitochondries)
Le pyruvate
Transformé en acétyl-CoA par la pyruvate déshydrogénase (complexe moléculaire géant) dès son entrée dans la matrice mitochondriale.
Provenance du pyruvate
- De la glycolyse (dégradation du glucose)
- De la dégradation de certains acides aminés (alanine, cystéine, glycine, sérine)
Voie d’entrée du pyruvate
Pyruvate translocase de la membrane interne, symport avec H+
Problèmes de la dissection biochimique de la mitochondrie
- 2 membranes et 2 compartiments
Pour connaitre le fonctionnement de la mitochondrie, il faut localiser ses diverses enzymes
Dissection biochimique: Ultrason - Expérience de Racker
- Rupture de la mitochondrie
- Formation de particule de Racker qui produisent de l’ATP
- Traitement à la trypsine ou urée donne des vésicules pratiquement nu, qui ne produisent pas d’ATP
- Ajout de F1ATPase, qui hydrolyse l’ATP en ADP+Pi
- Reconstitution de vésicules qui produisent de l’ATP
Dissection biochimique: Digitonine
Permet d’étudier la composition de la matrice mitochondriale et de l’espace intermembranaire, ainsi que celle des 2 membranes mitochondriales.
- Ajout de digitonine, vésiculisation de la membrane externe, centrifugation
- Surnageant forme des vésicules de membrane externe avec contenu de l’espace intermembranaire. Culot (mitoplase) est la membrane interne + matrice (lubrol)
3 (surnageant). Centrifugation, surnageant est le contenu de l’espace intermembranaire, culot est la membrane externe
3 (culot). Surnageant, Contenu de la matrice. Culot est la membrane interne
Résultats de la dissection biochimique: Membrane externe
Composition:
- Protéines: 60% de la masse
- Lipides: 40%
- Cryodécapage: 3500 particules/μm²
- Lipides: Très riches en acides gras insaturés peu de cholestérol
- Porines: protéines de transport formatn des canaux aqueux très larges à travers la membrane. Très perméables aux molécules de 10 000 D ou moins. Présentes chez les bactéries gram (-) également
Résultats de la dissection biochimique: Compartiment intermembranaire
Présence de l’adénylate kinase (adénylkinase)
- Catalyse la réaction suivante: AMP + ATP -> 2ADP
AMP ne peut traverser la membrane interne d’où la nécessité de le phosphoryler en ADP. Celui-ci peut traverser la membrane interne
Résultats de la dissection biochimique: Membrane interne
Composition:
- Protéines: 80% de la masse moléculaire, Membrane très riche en protéines et très asymétrique.
- Lipides: 20%, pas de cholestérol, 20% des phospholipides sont des cardiolipides à 4 chaines d’acides gras, Très imperméables aux ions
- Cryodécapage: 6300 particules / μm² dont 2000 à 4000 particules représenteraient le complexe ATP synthase
Résultats de la dissection biochimique: Matrice
- Enzymes du cycle de l’acide citrique (Krebs)
- Enzymes de la β-oxydation des acides gras
- Enzymes nécessaires à la réplication, la transcription et la traduction de l’ADN mitochondrial
Composition protéique de la membrane interne
3 groupes:
- Chaîne respiratoire (transport d’électrons hors de la matrice)
- ATP synthases (phosphorylation oxydative)
- Transporteurs spécifiques
- ADP-ATP translocase: système de co-transport antiport qui permet l’entrée d’une ADP simultanément à la sortie d’une ATP. (utilise le gradient électrique de part et d’autre de la membrane interne. L’ATP possède 4 charges négatives alors que l’ADP en possède seulement trois)
- Transporteurs actif d’acides gras, d’acides pyruviques et d’acides aminés
Couplage oxydation-phosphorylation
La phosphorylation oxydative constitue le couplage entre les étapes d’oxydation et la synthèse d’ATP;
Un humain sédentaire de 70 kg produira 2 millions de kg d’ATP en 75 ans
Couplage chimiosmotique
À 3 endroits le long de la chaîne respiratoire, l’énergie libérée par le transfert d’électrons (énergie des oxydations) est suffisante pour arracher des protons au substrat du côté de la matrice et les transférer dans le compartiment intermembranaire (intercrêtes).
1 paire d’électrons donneés par le NADH chasse 10 protons dans l’espace intermembranaire. 1 paire d’électrons donnée par le FADH2 chasse 6 protons dans l’espace intermembranaire. Théoriquement on estime qu’il faut transférer 3 protons pour faire une molécule d’ATP.
Aujourd’hui, les modèles expérimentaux estiment que le NADH permet la synthèse de 2.5 ATP (une fois soustraite l’énergie nécessaire pour apporter cet ATP dans le cytosol) et que le FADH2 permet la synthèse de 1.5 ATP. Par molécule de glucose, c’est environ 30 molécules d’ATP qui sont produites (2 dans glycolyse et 28 dans phosphorylation oxydative)
L’accumulation de protons dans le compartiment externe donne lieu à un gradient électrique, de pH et de concentration de part et d’autre de la membrane.
Les cardiolipides rendent la membrane interne très imperméables aux protons. ces derniers ne peuvent revenir vers la matrice qu’à travers le canal à protons de la sous-unité F0 des ATP synthases. Il semble que l’ADP + Pi forment spontanément de l’ATP après s’être liés à la sous-unité F1 ATPase. La séparation de l’ATP de la sous-unité F1ATPase nécessiterait un mouvement de protons lequel provoquerait un changement de conformation de la sous-unité libérant ainsi l’ATP.
Chaine de transport des électrons
4 complexe protéique dans la membrane interne.
Complexe I et II acceptent les électrons des transporteurs d’électrons (NADH et FADH2(succinate)) produits au cours de la glycolyse et du cycle de Krebs. Les électrons sont transportés par l’ubiquinone vers le complexe III puis le cytochrome C transfère les électrons au complexe IV. Le complexe IV catalyse la réduction de l’oxygène moléculaire pour produire une molécule d’eau. L’énergie libérée par l’oxydation du NADH et FADH2 par les complexes I et II permet la formation d’un gradient élétrochimique de protons à travers la membrane mitochondriale interne. Le complexe IV contribue également à ce gradient. Le gradient est utilisé par L’ATP synthase pour produire de l’ATP via chimiosmose.
