Mitochondries et Peroxysomes

• Les mitochondries et les peroxysomes dérivent des endosymbiontes

Mitochondrie - Généralités

• La mitochondrie est un vestige d'une bactérie ancestrale.
• Il y a environ 2 milliards d'années, une symbiose s'est établie après la phagocytose d'une bactérie.
• La mitochondrie produit ou stocke l'énergie cellulaire.
• La mitochondrie effectue la synthèse lipidique et stéroïdienne (maturation)

Mitochondrie - Organite cellulaire semi-autonome

• Mitochondrie possède l'ADN mitochondrial (mtDNA) différent du génome nucléaire.
• Mitochondrie possède ses propres ribosomes appelés mitoribosomes, différents de ceux de la cellule et à mi-chemin entre les ribosomes eucaryotes et les ribosomes procaryotes.

Mitochondrie - Structure

• La mitochondrie a une membrane mitochondriale externe qui sépare l'intérieur de la mitochondrie du cytosol.
• La mitochondrie a une membrane mitochondriale interne, caractérisée par de nombreux replis appelés crêtes ou cristae, qui délimitent la matrice.
• Les deux membranes ne sont pas en contact physique, il existe un espace mitochondrial intermembranaire.
• La présence de cristaux de calcium témoigne du rôle de l'organite dans l'homéostasie calcique.
• La forme est caractéristique, comme un ballon de rugby.
• Le diamètre est assez constant (0,5-1 µm), la longueur est extrêmement variable.
• Il existe un polymorphisme important dû à des phénomènes de fusions et fissions mitochondriales constants.

Mitochondrie - Division, Transport et Transmission

• La fission mitochondriale et la division cellulaire sont mécanistiquement très différents.
• La prédominance des fusions a lieu lors des phases G1-S et la prédominance des fissions a lieu à la fin du cycle cellulaire.
• Permet une distribution symétrique/homogène des mitochondries lors de la mitose.
• Le déplacement est bidirectionnel le long des microtubules.
• L'intervention de protéines motrices, dynéine et kinésine, et de la protéine adaptatrice Milton permettent l'accrochage de la protéine Milton à la mitochondrie, par la Protéine Miro de la membrane externe.
• Ce phénomène est essentiel pour rapprocher ou éloigner les mitochondries.

Mitochondrie - Fusion et Division

• Mitofusines, Mfn1 et Mfn2 permettent la fusion des membranes externes.
• OPA1 (Optic Atrophy 1) permet la fusion des membranes internes.
• DRP1 (Dynamin-Related Protein 1) permet les fissions des membranes externes et internes.
• Le rapprochement de la mitochondrie se fait à l'aide des microtubules.
• L'accostage a lieu au niveau du RE avec la formation d'une protrusion de RE qui va ceinturer la mitochondrie.
• L'Ancrage est assuré par un système de bouton pression, constitué du complexe multiprotéique ERMES (ER-Mitochondrial Encounter Structure).
• La Constriction se fait grâce à la DRP1 et son co-facteur MFF (Mitochondrial Fission Factor).
• Vient ensuite la fission de la mitochondrie.

Mitochondrie - Hérédité

• L'hérédité mitochondriale est un phénomène exclusif et non-mendélien.
• Les mitochondries paternelles sont éliminées par autophagie chez le règne Animal.

Mitochondrie - Membranes

• La membrane externe a une structure proche de celle de certaines bactéries.
• Elle est composée à 40% de lipides et 60% de protéines et possède des protéines canal perméables à toutes les molécules <10kD (porines).
• La membrane externe présente des translocases = transporteurs : TOM (Translocase of the Outer Membrane).
• La membrane interne est composée à 20% de lipides et 80% de protéines.
• La membrane interne est riche en cardiolipines ce qui a pour effet de la rendre imperméable.
• Translocases = transporteurs sur la membrane interne: TIM (Translocase of the Inner Membrane).
• La membrane interne possède des phénomènes de diffusion simple d'O₂ et de CO₂ et des protéines du métabolisme énergétique.

Mitochondrie - Matrice mitochondriale

• Environ 1100 protéines fonctionnelles connues de la matrice mitochondriale.
• Protéome mitochondriale humain actuel résultat de l'évolution endosymbiotique.
• L'ADN mitochondrial (mtDNA) contient une grosse partie de l'information génétique qui a été perdue ou transférée dans l'ADN nucléaire au cours de l'évolution.

Mitochondrie - ADN mitochondrial

• L'ADN mitochondrial (ADNmt) est un ADN double brin circulaire et fermé.
• L'ADNmt contient 16 569 paires de base chez l'Homme avec 4 à 5 copies par mitochondrie, ce qui correspond à 1% de l'ADN cellulaire total.
• Le taux de mutation est de 1 mutation tous les 10 000 ans.
• Faible variabilité des génomes mitochondriaux avec seulement 20 haplogroupes répartis dans le monde actuellement.
• Eve mitochondriale est la lignée mitochondriale humaine spécifique à partir de laquelle ont dérivé tous les haplogroupes humains actuels.
• Lignéee est apparue il y a 150 000 ans en Afrique et ne représente pas la première mitochondrie apparue sur Terre mais la lignée "humaine" qui a survécue jusqu'à aujourd'hui.
• Les causes de la disparition des autres lignées diverses sont des absences de descendance, descendance uniquement masculine, catastrophe climatique, maladies et famine.
• L'ADN mitochondrial est utilisé dans la génétique des populations humaines, la filiation mère-enfant et dans l'identification médico-légale lorsque l'ADN nucléaire est insuffisant.
• 37 gènes codent pour: 22 ARNt et 2 ARNr et 13 protéines du métabolisme énergétique cellulaire (complexe OXPHOSO) et possède un code génétique particulier.

Mitochondrie - Bioénergétique

• Le rôle principal de la mitochondrie est le centre de production de l'énergie cellulaire.
• Utilisation de l'énergie provenant de l'extérieur, pour la transformer en énergie utilisable à l'intérieur de la cellule.
• Chez les végétaux, il s'agit de la lumière et chez les animaux de la nourriture.
• Les molécules doivent subir des étapes de transformation et de dégradation pour être utilisées par la cellule sous forme de protéines dégradées en acides aminés, glucides dégradés en sucres simples (glucose) et lipides dégradés en acides gras.
• Les molécules simples obtenues sont riches en énergie stockée dans les liaisons chimiques.
• La dégradation simple étant impossible, la cellule utilise des modes de dégradation séquentiels afin de récupérer cette énergie progressivement et la stocker sous une forme utilisable pour la cellule (ATP).
• Glycolyse pour le glucose et béta-oxydation pour les acides gras.
• L'énergie dégagée (sous forme d'électrons) est transportée jusqu'au site de fabrication de l'ATP, la réaction d'oxydo-réduction.
• Les électrons libres sont pris en charge par 2 systèmes de transport : Le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD) et la flavine adénine dinucléotide (FAD).

Mitochondrie - Bioénergétique; Phosphorylation oxydative

• L'ensemble fonctionnel de protéines de la membrane interne mitochondriale est formé de deux grandes parties.
• (1) La chaîne respiratoire: chaîne d'oxydo-réduction chargée de récupérer l'énergie des électrons.
• (2) L'ATP-synthase chargée de stocker l'énergie sous forme d'ATP grâce à des réactions de phosphorylation.

Mitochondrie - Chaîne Respiratoire

• La chaîne respiratoire transporte les électrons de NADH,H+ et FADH2 jusqu'à l'O₂.
• Succession de 6 systèmes rédox avec 4 complexes fixes (I,II,III et IV).
• Le Complexe I récupère les électrons du NADH,H+.
• Le Complexe II récupère les électrons du FADH2.
• Le Complexe III cède ses électrons au cytochrome C.
• Le Complexe IV donne ses électrons à la molécule finale, l'O₂.
• 2 complexes mobiles: Coenzyme Q et cytochrome C permettent au coenzyme Q: de récupérer les électrons des complexes I et II et les apporte au complexe III. Le cytochrome C cède ses électrons au complexe IV.
• 3 sites de pompages de protons de la matrice vers l'espace intermembranaire sont activés à chaque fois qu'un électron arrive dans un des complexes I, III et IV.

Mitochondrie - ATP Synthase

• L'ATP Synthase est un complexe enzymatique connu sous plusieurs noms: Complexe V, Complexe FO-F1 et ATPosome.
• La sous-unité Fo effectue, avec une rotation antihoraire, la translocation des H+ de l'espace membranaire, vers la matrice.
• La sous-unité F1 effectue la synthèse de l'ATP grâce à la rotation de Fo.

Mitochondrie - Insertion des protéines dans les membranes mitochondriales

• Le complexe TOM est la porte d'entrée de la mitochondrie qui autorise l'accès ou non aux protéines.
• Une fois le complexe TOM passé, trois destinations possibles des protéines sont, la membrane interne, la membrane externe et la matrice mitochondriale.
• Le complexe SAM permet l'insertion de protéines en tonneau-ẞ dans la membrane externe.
• Le complexe TIM 22 permet Insertion de protéines présentant des signaux internes d'ancrage.
• Le complexe TIM 23 permet la translocation de protéines présentant une séquence de localisation matricielle, séquence généralement coupée par la peptidase MPP (Mitochondrial Processing Peptidase).
• L'enzyme du cycle de Krebs est inserée grace au complexe TIM23.
• L'insertion de protéines présentant des signaux internes d'ancrage grâce au complexe OXA (OXidase Assembly machinery) est utilisé par certaines protéines de la chaine respiratoire et L'ATP-synthase.

Peroxysome - Ultrastructure

• Le peroxysome est délimité par une bicouche lipidique.
• Présence d'une matrice contenant de nombreuses enzymes, dont l'uricase ou urate-oxydase qui forme un centre cristallin du fait de sa forte concentration et intervient dans le métabolisme oxydatif.
• L'uricase est retrouvée chez tous les végétaux et animaux sauf les primates, gène devenu non fonctionnel lors de l'évolution.
• Les peroxysomes sont plus stables que celles des mitochondries.
• Le peroxysome est une sphère d'environ 0,5 à 1 µm de diamètre.

Peroxysome - Membrane

• La membrane du Peroxysome est composée de: 30% de lipides (peu de cholestérol) et 70% de protéines.
• Le peroxysome ressemble au réticulum endoplasmique.
• Les proteines du peroxysome sont non N-glycosylée, produite sur des ribosomes libres dans le cytosol puis importées dans le peroxysome et peuvent être intramembranaires ou périphérique.
• La membrane du peroxysome est souvent très accolée à la membrane du REL donnant lieu à un artéfact de double membrane.
• Le peroxysome présente (comme dans le REL) le cytochrome P450 qui joue un role dans la détoxification cellulaire.
• Il existe des "peroxynes" (transporteur) pour l'import de protéines matricielles et membranaires.

Peroxysome - Ancètre

• Il est très probable qu'il y a plusieurs milliers d'années, le peroxysome ait été un organite essentiel, à l'évolution des cellules vivante, pour les protéger des effets cytotoxiques de l'O₂, produit par les bactéries photosynthétiques et leur mise à profit de l'O₂ pour les réactions d'oxydation utiles à la cellule.
• Le role du Peroxysome est rendu parti obsolète par l'apparition des mitochondries

Peroxysome - Fonctions matricielles

• Conversion des acides gras en glucose (seulement chez les végétaux).
• Synthèse des plasmalogènes et des acides biliaires (seulement chez les animaux).
• Détoxification cellulaire.
• Dégradation des purines et Dégradation des acides gras à longue chaîne carbonée (C> 24).

Peroxysome - Métabolisme oxydatif

• Les réactions d'oxydation sont assurées par les oxydases.
• Il se produit alors une production du peroxyde d'hydrogène cytotoxique.
• Elimination du peroxyde d'hydrogène et production d'eau et d'O₂ par la Peroxydation à l'aide d'une peroxydase et la Dismutation lors d'une forte accumulation de peroxyde d'hydrogène grâce à la catalase.
• Il n'y a pas de chaine respiratoire comme dans les mitochondries.

Peroxysome - Dégradation des purines

• On observe une Possibilité de réalimentation du cycle de synthèse des acides nucléiques.
• L'Adénine et la guanine sont transformées en acide urique, lui-même transformé par l'uricase en allantoïne, lui-même transformé, en urée puis en ammoniaque, éliminée dans les urines.
• Problème chez les primates ne possédant pas d'uricase avec Acide urique normalement éliminé dans les urines et en cas de trop forte accumulation: crises de gouttes.
• Due à l'accumulation cristalline d'acide urique dans le liquide synovial et responsable d'une inflammation articulaire.

Peroxysome - Biogenèse

• Les peroxysomes proviennent de sous-domaines du réticulum endoplasmique et se forment de novo à partir d'une vésicule pré-peroxysomale dépourvu de protéines.
• Les peroxysomes proviennent de peroxysomes préexistants avec des phénomènes de fission et d'élongation analogue aux mitochondries.
• Le peroxysome serait un endosymbiote antérieur à la mitochondrie ayant transféré la totalité de son génome au noyau.

Peroxysome - Importation des protéines

• Protéines cytosoliques codées par le génome nucléaire et traduites par les ribosomes libres.
• Séquence PTS (Peroxisome-Targeting Signal) reconnue par des peroxynes: 2 PTS différentes PTS1 en C-term et PTS2 N-term et Une protéine possède soit l'une soit l'autre.
• 3 étapes d'importation: Reconnaissance, Accostage et Importation.
• Reconnaissance par les peroxynes (Pex5 reconnaît PTS1 et Pex7 reconnaît PTS2).
• Accostage grâce à un complexe qui attrape Pex5 ou Pex7 et cède la protéine au complexe d'importation formée de 3 peroxynes et de son co-facteur.
• Importation avec le passage de la protéine dans la matrice du peroxysome.