La mitochondrie
L1 SV - Biologie cellulaire Février 2007
• Organite intracellulaire à double membrane
• Intervient dans la production énergétique de la cellule
• Possède son propre génome
MOTS CLES
Organisation, morphologie et dynamique des mitochondries
Organisation, morphologie et dynamique des mitochondries
Aspect morphologique en microscopie électronique
Matrice finement granuleuse :- mito-ribosomes- ADN (mtDNA)- granules de grande taille- cristaux protéiques- cristaux de substances minérales- Structure fibreuse
Aspect morphologique
• Deux membranes séparées par un espace inter-membranaire
• Membrane externe uniforme et continue
• Membrane interne formée des crêtes
Organisation, morphologie et dynamique des mitochondries
Aspect morphologiqueen 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)
Localisation dans le cytosol
actine
mitochondries
noyau
Visualisation des mitochondries:- immuno-
marquage (anticors anti-ATP synthase)
- protéines de fusion (mit::FP)
Tom::MCHERRY MERGEMIT::YFP
Visualisation des protéines mitochondriales
Localisation des mitochondries
Lien avec les microtubules
mitochondries microtubules
Organisation, morphologie et dynamique des mitochondries
mit::GFP
Les mitochondries des organelles très dynamiques
Kinesin HC
Microtubule
Miro / Milton complex
Specific adaptors drive mitochondrial transport along microtubules
The fusion and fission balance
Fission
Fusion
small entities tubule
La division mitochondriale se
fait par scissiparité
Hyperfusion of mitochondria in fission mutant
Control Fission mutant
DRP1 drives fission
Fission
Fusion
Mitofusin MFN and OPA1 drives fusion
Control Fusion mutant
Fission
Fusion
Hyperfission of mitochondria in fusion mutant
« FUSION »« FISSION »
drp1
mitofusin
+ Biogenèse
+ Morphogenèse
+ Transport
Les fonctions de la mitochondrie
Comment isoler les membranes mitochondriales et les protéines qu’elles contiennent?
Fractionnement des mitochondries
MatriceMembrane externeMembrane interneEspace intermembranaire
Milieu de faible osmolarité
Centrifugation
Espace intermembrana
ire
Milieu de forte osmolarité
Gradient de densité
Membrane interne
Matrice Membrane externe
Lyse et centrifugation
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
Passage passif des petites molécules par la porine de la membrane externe
Membrane externe
Espace inter-membranaire
Cytoplasme
ATPADP Pyruvate
Acidesgras Phosphate
ATPADP Pyruvate
Acidesgras Phosphate
Composition chimique
de la membrane interne
• Contient plus de protéines que la membrane externe et que tout autre membrane biologique (>70%)
• Dépourvue de cholestérol mais riche en cardiolipide (diphosphatidyl-glycerol)
• Riche en transporteurs et complexes protéiques enzymatiques
• Faible fluidité (passage actif)
Passage actif des petites molécules à travers la membrane interne
Membrane externe
Espace inter-membranaire
CytoplasmeATP Pyruvate
Acidesgras Phosphate
ADP Pyruvate
Acidesgras Phosphate
Membrane interne
MatricePyruvate Acides
grasPhosphate
ATP
ATPADP
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Composition de l’espace
intermembranaire
• Composition en ions et petites molécules identique à celle du hyaloplasme
• Contient les protons qui proviennent du fonctionnement de la chaîne respiratoire mitochondriale
• Contient le cytochrome C qui circule entre les deux membranes
Bio-énergétique des mitochondries : la synthèse d’ATP par le mécanisme de la phosphorylation oxydative
Principe du couplage des réactions chimiques
L’hydrolyse de l’ATP fournit de l’énergie à la cellule
+31 kJ/mol
Electronshautement
énergétiques
AlimentsLumière
Gradientélectrochimique de
protons
transmembranaire
Transport membranair
e actif
Synthèse Mouvementflagellaire
La chimiosmose
Catabolisme conduisant des
aliments aux déchets Schéma simplifié des 3 étapes
La chaine respiratoire
Phosphorylation oxydative & synthèse d ’ATP
• 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 d’inducteur dans la mort cellulaire (libération de cytochrome C)
• Synthèse des Hèmes
AUTRES FONCTIONS DES MITOCHONDRIES
Le génome mitochondrial
L’ADN mitochondrial
L’ADN mitochondrial• Dans la matrice• En multicopie dans chaque mitochondrie• Circulaire• Deux brins• 37 gènes (13 codant des protéines)• Taille:
• 16,5 kilobases chez l’homme• 78,5 kilobases chez la levure
• Pas d’introns chez l’homme • Hérédité maternelle
2 ARN ribosomiques
13 protéines / 1500 sont codées par l’ADN mitochondrial (le reste est codé par le noyau)!!!
L’ADN mitochondrial
Le code génétique mitochondrial diffère du code génétique universel
Mitochondries
Codon Code universel Mammifères Drosophila Neurospora Levure Plantes
UGA Stop Trp Trp Trp Trp Stop
AGA, AGG Stop Ser Arg Arg Arg Arg
AUA Ile Met Met Ile Met Ile
AUU Ile Met Met Met Met Ile
CUU, CUC,
CUA, CUG
Leu Leu Leu Leu Thr Leu
Differences between the vertebrate mtDNA code and the "universal" code are indicated in red. Note that UGA codes for Trp rather than being a stop codon, there are two Met codons, and two AGR codons are read as Stops. Slightly
different mtDNA codes are found in Drosophila and other invertebrate groups.
Origine des composants protéiques
de la mitochondrie
Inhibiteurs pharmacologiques
• alpha-amanitine Transcription nucléaire
• cycloheximide Traduction cytoplasmique
• acridine ou éthidium Transcription mitochondriale
• chloramphénicol, érythromycine, tétracycline Traduction mitochondriale
Origine des composants protéiques
de la mitochondrie
• Les protéines codées par l’ADN mitochondrial restent toujours dans la mitochondrie
• La majorité des protéines mitochondriales sont codées par l’ADN nucléaire
• Les ARN messagers correspondants sont traduits sur des ribosomes cytoplasmiques libres
Origine des mitochondries
La théorie
endosymbiotiqu
e s’appuie sur le
parallèle fait entre
les bactéries et
les mitochondries
Evolution vers des cellules avec
mitochondries et chloroplastes
• Premiers eucaryotes : métabolisme peu efficace
• Mitochondries → aérobie
• Chloroplastes → photosynthèse
• → système endosymbiotique
- ADN circulaire
- Pas d’intron
- Ribosome 70S
- Membrane interne et externe n’ont pas la même composition
- Cardiolipine de la membrane interne proche des phospholipides procaryote
- Similarité de séquence entre les gènes mitochondriaux (y compris ceux codés par le noyau) et les gènes bactériens
- Mécanisme de chimiosmose comparable (Enzymes du métabolisme oxydatif proches des enzymes procaryotes aérobie)
- Division par scissiparité comme les procaryotes (chez les eucaryotes primitif la division des mitochondrie est contrôlé par le gène FtsZ or ce gène contrôle aussi la division des bactéries)
Eléments sans réponse
• Le code génétique des mitochondries
diffère du code génétique universel des
procaryotes (mais il y a des codes
génétiques variants chez les bactéries)
• L’ADN bactérien n’a pas d’introns alors
que l’ADN mitochondrial de levure en
possède