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Les mitochondries sont-elles transférables entre types cellulaires, individus et espèces ?

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Je suis curieux de savoir ce qui se passe lorsque vous insérez des organites d'une cellule dans une autre. En particulier, les mitochondries.

Prenez deux cellules de votre propre corps. Extraire d'une manière ou d'une autre une mitochondrie d'une cellule et l'insérer d'une manière ou d'une autre dans l'autre cellule.

La cellule aux mitochondries étrangères s'en servira-t-elle (respiration), ou en disposera-t-elle ?

Et si les mitochondries étrangères provenaient du corps de quelqu'un d'autre ?

Et si les mitochondries étrangères provenaient d'une cellule d'une autre espèce ?


Il existe des preuves que les cellules peuvent échanger des mitochondries. Certaines cellules donneuses transfèrent les mitochondries aux cellules receveuses via des nanotubes cytoplasmiques (au sein de la même espèce). Cela se produit de manière endogène et les facteurs déclenchants peuvent inclure le stress.

Les références:

  • Pasquier et al. 2013
  • Ahmad et al. 2014
  • Wang et Gerdès. 2015
  • Hayakawa et al. 2016

Sur le transfert interspécifique des mitochondries.

Dans une étude de Yang et Koob, la faisabilité des greffes mitochondriales a été étudiée. Les mitochondries isolées des cellules du donneur ont été initialement injectées dans des ovocytes/embryons de souris. Ensuite, les mitochondries, ainsi qu'un morceau de cytoplasme et de membrane ont été retirés; ces structures ressemblant à des cellules ont été appelées mitocytoplastes. Ensuite, ces mitocytoplastes ont été fusionnés avec des cellules receveuses (cellules rho0 de souris - celles-ci sont dépourvues de mitochondries) à l'aide d'une protéine de fusion virale.

Ils ont découvert que les cellules receveuses supportaient les mitochondries de la même espèce (les espèces donneuses comprennent la souris, le rat, les gerbilles de Mongolie et les hamsters dorés de Syrie).

Le succès de la "xénogreffe mitochondriale" dépend de la différence entre les espèces et, comme le montre l'expérience susmentionnée, une cellule donneuse (souris) ne supporterait pas les mitochondries d'une espèce proche (rat). Cette incompatibilité serait principalement basée sur la dépendance des mitochondries vis-à-vis du génome nucléaire qui peut être différente selon les espèces. Il est possible que des « xénogreffes mitochondriales » soient acceptées ; son impossibilité n'a pas été vérifiée de manière exhaustive.


Je ne suis pas tout à fait sûr du transfert d'organites entre espèces (concentrons-nous sur les mitochondries), mais certaines personnes ont déjà fait trois bébés parents, donc les mitochondries sont au moins transférables entre individus de la même espèce.

Le but de l'opération était de guérir une maladie inhérente aux mitochondries de la mère (les mitochondries viennent toujours de la mère, jamais du père). Ils ont utilisé le matériel génétique des noyaux de la mère et du père, et ont utilisé les mitochondries d'une mère « nourricière ».

http://www.bbc.com/news/health-31594856


Un autre mot clé pour les transferts mitochondriaux interspécifiques est "xénomitochondrial". Le laboratoire de Carlos Moraes est probablement l'un des principaux groupes qui étudient cela au fil des ans, découvrant que les mitochondries de certains grands singes seulement pourraient se substituer fonctionnellement aux mitochondries humaines dans les lignées cellulaires.

Kenyon & Moraes "Élargir la base de données fonctionnelle de l'ADN mitochondrial humain par l'établissement de cybrides xénomitochondriaux primates" PNAS 1997 http://www.pnas.org/content/94/17/9131.short


Mitochondries et oxydation cellulaire | Document à terme | Biologie cellulaire

Lisez cet article pour en savoir plus sur le rôle des mitochondries dans l'oxydation cellulaire.

Les chaînes carbonées oxydées dans la respiration cellulaire proviennent des glucides, des graisses et des protéines. Au préalable à l'oxydation cellulaire, ces trois types de molécules sont d'abord convertis en unités plus petites.

Les polysaccharides sont hydrolysés en monosaccharides individuels, les graisses sont hydrolysées en glycérol et acides gras, et les protéines sont divisées en acides aminés. Ces produits, les monosaccharides, le glycérol, les acides gras et les acides aminés, sont les carburants immédiats de l'oxydation cellulaire.

Ces carburants sont oxydés dans une série de réactions qui peuvent inclure l'une ou les deux étapes principales, la première se produisant à l'extérieur des mitochondries et la seconde à l'intérieur. Dans la première étape, appelée glycolyse, les carburants sont partiellement oxydés et convertis en segments plus courts à trois carbones, qui sont complètement oxydés en CO2 et de l'eau dans la deuxième étape. La majeure partie de l'ATP généré lors de l'oxydation cellulaire est produite dans la deuxième étape.

Les monosaccharides et autres unités glucidiques suivent une ligne principale d'oxydation à travers les deux étapes. Le glycérol entre dans la voie glycolytique dans la première étape, et les acides gras entrent dans les mitochondries pour l'oxydation dans la deuxième étape. Les acides aminés sont désaminés (l'amino, ou -NH2 groupe est retiré) et convertis en molécules qui peuvent entrer dans la voie dans l'une ou l'autre étape.

Dans la discussion suivante, il est important de se rappeler que l'oxydation ne nécessite pas de combinaison directe d'oxygène moléculaire avec un métabolite. L'oxydation décrit toute réaction dans laquelle des électrons sont retirés d'une molécule. Pour chaque oxydation, un accepteur d'électrons est réduit en se combinant avec les électrons retirés.

Par conséquent, chaque oxydation s'accompagne d'une réduction. L'oxydation implique fréquemment l'élimination d'un ou deux ions hydrogène (protons) ainsi que des électrons. Les accepteurs d'électrons réduits lors de l'oxydation cellulaire peuvent également se combiner avec l'un ou les deux de ces hydrogènes ainsi qu'avec les électrons retirés.

La quantité d'énergie associée aux électrons retirés dépend des orbitales qu'ils occupaient dans la molécule oxydée. Une partie de cette énergie est utilisée pour conduire la synthèse d'ATP dans la glycolyse et les oxydations mitochondriales. L'énergie des électrons retirés peut être exprimée sous forme de potentiel ou de tension relative par rapport à une norme arbitraire. L'étalon utilisé est l'énergie caractéristique des électrons retirés de l'hydrogène dans la réaction H2 → 2H + + 2e – catalysé par le platine.

Le potentiel, ou tension, attribué à ces électrons est de 0,00 V. Tous les autres potentiels, appelés potentiels redox ou de réduction-oxydation sont mesurés et se voient attribuer une valeur par rapport à cette norme. Les potentiels relatifs des électrons m'ont enlevé des intermédiaires importants dans l'oxydation cellulaire.

La première étape de l'oxydation cellulaire : Glycolyse:

Les réactions globales de la glycolyse divisent le glucose et d'autres monosaccharides à six carbones en fragments à trois carbones. Au cours de la glycolyse, une seule oxydation se produit et chaque molécule de glucose génère un gain net de deux ATP. La glycolyse a deux parties principales. Dans la première partie, les molécules à six carbones dérivées du glucose sont élevées à des niveaux d'énergie plus élevés aux dépens de l'ATP.

Cette partie de la séquence élève en effet les dérivés du glucose à des niveaux d'énergie suffisamment élevés pour entrer dans la seconde partie. Dans la seconde partie, l'énergie dépensée dans la première partie est récupérée avec un gain net en ATP par oxydation des dérivés hautement énergétiques du glucose. Dans le processus, les dérivés du glucose sont divisés en deux unités à trois carbones d'acide pyruvique.

Chaque étape de la voie glycolytique est catalysée par une enzyme spécifique, et toute la série de réactions implique la protéine enzymatique 1 I. Les divers enzymes, réactifs et produits de la glycolyse sont en solution dans le cytoplasme à l'extérieur des mitochondries et interagissent apparemment par des collisions aléatoires.

La réaction de la séquence glycolytique :

Les réactions individuelles dans la séquence glycolytique et les enzymes les catalysent. Dans les trois premières réactions de la voie, le glucose est converti en un dérivé plus réactif contenant deux groupes phosphate. Deux molécules d'ATP se décomposent pour fournir l'énergie nécessaire à l'action phosphorique du glucose.

L'activité de l'enzyme catalysant la première réaction de la voie, la liexokinase, illustre l'un des nombreux contrôles régulant la vitesse d'oxydation dans les cellules. Le produit de la première réaction, le glucose-6-phosphate, est un inhibiteur de l'hexokinase. Si le glucose-6-phosphate s'accumule parce que le reste de la séquence s'exécute lentement, l'enzyme hexokinase est inhibée, bloquant l'entrée supplémentaire de glucose dans la voie.

Des mécanismes de régulation similaires contrôlent la glycolyse en tant que points ultérieurs de la séquence. Le glucose-6-phosphate produit dans la première étape est réarrangé puis phosphorylé en fructose-1,6-diphosphate aux dépens d'un second ATP. Les caractéristiques de cette réaction illustrent un autre mécanisme régulant la glycolyse, celui-ci lié à l'apport d'ATP.

L'enzyme catalysant la phosphorylation, la phosphofructokinase, est inhibée par des concentrations élevées d'ATP et est stimulée par l'ADP et le phosphate inorganique. Si suffisamment d'ATP est présent dans le cytoplasme, la phosphofructokinase est inhibée et les réactions ultérieures de glycolyse ralentissent ou s'arrêtent.

Un surplus d'autres produits du métabolisme oxydatif, comme le NAD réduit, inhibe également l'enzyme. Si des activités nécessitant de l'énergie se déroulent ailleurs dans la cellule, entraînant la conversion d'ATP en ADP et en phosphate, l'accumulation d'ADP et de phosphate inorganique stimule la phosphofructokinase, augmentant le taux de glycolyse et la production d'ATP.

La régulation par la phosphofructokinase est probablement le plus sensible et le plus significatif des contrôles de la glycolyse, puisqu'elle est directement liée aux concentrations relatives d'ADP et d'ATP et donc au retard auquel les cellules utilisent l'énergie pour leurs activités.

Les autres réactions de la glycolyse se déroulent sans ATP. Le fructose-1,6-diphosphate est divisé en deux segments différents à trois carbones, qui sont facilement interconvertis, formant un "pool" des deux sucres à trois carbones. L'un de ces sucres, le 3-phosphoglycéraldéhyde (3-PGAL) entre dans les étapes restantes de la glycolyse. Au fur et à mesure que le 3-PGAL est épuisé dans le pool, il est remplacé par la conversion du second produit à trois carbones.

À l'étape suivante de la séquence, deux électrons et deux hydrogènes sont retirés du 3-PGAL. Cette oxydation est la principale étape de libération d'énergie de la glycolyse. Une partie de l'énergie libérée est piégée, dans le cadre de la réaction, par l'ajout d'un second phosphate du milieu (pas d'ATP) pour former le produit 1, acide 3-diphosphoglycérique. Les électrons retirés à cette étape ont un potentiel ou une tension relativement élevé et sont acceptés par une molécule appelée nicotinamide adénine dinucléotide.

Le NAD est une molécule porteuse transportant des électrons de haute énergie entre les systèmes de réaction cellulaire. Le NAD réduit obtenu à cette étape est l'un des produits à haute énergie importants de la séquence glycolytique. Le produit acide 1, 3-diphosphoglycérique peut également être considéré comme une molécule à haute énergie, car l'élimination de ses deux phosphates plus tard dans la séquence libère de grandes quantités d'énergie libre, dont une grande partie est capturée dans la conversion d'ADP en ATP.

La réaction éliminant le premier des phosphates, car elle illustre une méthode par laquelle l'énergie d'oxydation est convertie en une forme chimique utilisable dans la cellule. Si 1 mole d'acide 1, 3-diphosphoglycérique est hydrolysée directement en produits 3 acide phosphoglycérique et phosphate inorganique, la réaction libère environ 10 000 à 15 000 cal dans des conditions normales de température et de pression. Dans la glycolyse, la dégradation du sucre diphosphorylé est couplée à la synthèse d'ATP.

La différence de calories entre les deux réactions représente l'énergie captée dans la formation d'ATP. Le produit d'acide 3-phosphoglycérique entre alors dans une série de réactions, y compris un réarrangement et une conversion dans laquelle les éléments d'une molécule d'eau sont éliminés. Dans la réaction finale de glycolyse, le phosphate restant est transféré à l'ADP pour produire de l'ATP. La réaction finale donne le produit final de la glycolyse, l'acide pyruvique, ainsi que l'ATP qui résume les réactions de la glycolyse.

Étant donné que chaque molécule de glucose entrant dans la voie produit finalement deux molécules de 3-PGAL, un total de quatre molécules d'ATP sont produites lors de la conversion de 3-PGAL en acide pyruvique. Les réactions liant deux phosphates à une molécule de glucose dans les étapes initiales nécessitent deux molécules d'ATP. Par conséquent, il y a un gain net de deux ATP, ainsi que deux molécules de NAD réduit, pour chaque glucose entrant dans la glycolyse.

Les réactifs et produits globaux de la glycolyse sont donc :

Glucose + 2ADP + 2HPO4 2- + 2NADbœuf → 2 acide pyruvique + 2NADrouge + 2ATP

En plus d'une paire d'électrons à haute énergie, chaque molécule de NAD réduite porte l'un des deux hydrogènes éliminés lors de l'oxydation du 3-phosphoglycéraldéhyde. L'autre hydrogène pénètre dans le pool d'ions H + du milieu entourant la séquence réactionnelle.

Les deux molécules d'acide pyruvique produites en tant que produits finaux sont encore des molécules relativement complexes et riches en énergie qui peuvent être davantage oxydées pour fournir une énergie de fret supplémentaire. Ces molécules à trois carbones sont le principal carburant de la deuxième grande série d'oxydations cellulaires qui ont lieu dans les mitochondries.

Variations importantes de la voie glycolytique de base :

Les réactions de la glycolyse à partir d'une voie centrale dans le métabolisme des glucides dans les cellules végétales et animales. L'amidon chez les plantes et le glycogène chez les animaux sont tous deux des polysaccharides à longue chaîne constitués de liaisons glucose répétées pour entrer dans la voie glycolytique après hydrolyse en unités de glucose individuelles.

D'autres sucres, y compris une grande variété de mono et disaccharides, entrent dans la glycolyse après avoir été convertis en enzymes en l'une des molécules initiales de la voie. A l'extrémité opposée de la séquence, l'acide pyruvique peut être modifié pour donner d'autres produits. Dans l'une des plus importantes de ces modifications, l'acide pyruvique est converti en acide lactique après avoir accepté les électrons du NAD réduit plus tôt dans la séquence.

acide pyruvique + NAD réduit → acide lactique + NAD oxydé

La caractéristique la plus importante de cette modification est la régénération du NAD oxydé, qui est ensuite libre de revenir en arrière pour accepter les électrons dans l'oxydation de la 3-PGAL dans la glycolyse. Parce que le NAD oxydé est continuellement régénéré par cette voie alternative, la glycolyse peut continuer à fonctionner avec la production nette d'ATP.

Cette voie est vitale pour les cellules vivant temporairement ou définitivement sans oxygène (le NAD réduit transfère normalement ses électrons à travers une série de porteurs à l'oxygène). Cette voie se produit dans les cellules musculaires des animaux, y compris l'homme, si une activité physique intensive et soutenue est effectuée avant que les augmentations de la respiration et de la fréquence cardiaque aient une chance de répondre à la demande d'oxygène dans le tissu musculaire.

L'acide lactique accumulé en tant que sous-produit est oxydé plus tard, lorsque la teneur en oxygène des cellules musculaires revient à des niveaux normaux.

Une autre variation glycolytique se produit dans des organismes tels que les levures.

Dans cette modification, l'acide pyruvique accepte les électrons du NAD réduit et est converti par des réactions supplémentaires en alcool éthylique (deux carbones) et CO2:

acide pyruvique + NAD réduit → alcool éthylique + CO2+ NAD oxydé

Cette variation dans la voie glycolytique est d'une importance centrale dans l'économie humaine. Il constitue la base biologique du brassage et de la boulangerie, et fournit l'alcool d'importance pour une industrie, et le CO2 d'importance pour l'autre.

Ces variations de la voie glycolytique, dans laquelle les électrons transportés par le NAD réduit sont échangés contre une substance organique telle que l'acide pyruvique, sont collectivement appelées fermentations. Dans le chemin alternatif, les électrons transportés par la glycolyse par le NAD réduit finissent par atteindre une substance inorganique, des fermentations d'oxygène moléculaire de divers types, produisant une grande variété de produits, sont utilisées comme source d'ATP par de nombreuses espèces de bactéries.

Certaines de ces espèces, appelées anaérobies strictes, sont limitées aux fermentations glycolytiques pour la production d'ATP et ne peuvent à aucun moment utiliser l'oxygène comme accepteur final d'électrons. D'autres peuvent utiliser soit des fermentations glycolytiques seules, soit à la fois la glycolyse et des réactions équivalentes aux oxydations mitocholytiques si l'oxygène est disponible. Les bactéries de cette catégorie sont appelées anaérobies facultatifs.

Un certain nombre d'espèces, appelées aérobies strictes, sont incapables de vivre de la seule fermentation. De nombreuses cellules d'organismes supérieurs, y compris les cellules musculaires des vertébrés, sont facultatives et peuvent basculer entre la fermentation et l'oxydation complète en fonction de leur apport en oxygène. D'autres sont des aérobies stricts.

De nombreuses réactions intermédiaires de la glycolyse sont réversibles et peuvent aller dans les deux sens en réponse à des concentrations élevées de réactifs ou de produits. Les étapes réversibles sont indiquées par celles qui sont essentiellement irréversibles sont indiquées par des voies enzymatiques alternatives sont disponibles dans le cytoplasme pour les étapes irréversibles, permettant à la glycolyse de fonctionner en sens inverse.

Par exemple, la première réaction de la glycolyse, la conversion du glucose en glucose-6-phosphate par l'hexokinase, est essentiellement irréversible. Cependant, une enzyme alternative, la glucose-6-phosphatase, peut catalyser la réaction inverse. L'inversion de la voie est une partie importante des réactions de synthèse des sucres à six carbones et de l'amidon dans les cellules végétales et animales.

La deuxième étape des oxydations cellulaires :

Oxydation et synthèse d'ATP dans les mitochondries :

Dans la deuxième étape majeure des oxydations cellulaires, l'acide pyruvique, molécule à trois carbones produite par les étapes finales de la glycolyse, est complètement oxydé en CO2 et H2O, libérant de grandes quantités d'énergie gratuite. Le rendement en ATP dans ces réactions dépasse de loin les quantités obtenues à partir de la glycolyse. Les réactions se déroulent en trois parties, toutes situées dans les mitochondries. Dans le premier, l'acide pyruvique est raccourci en un segment à deux carbones, et une molécule de CO2 est libérée.

Dans le second, le segment à deux carbones est complètement oxydé en deux molécules de CO2. Dans la troisième partie, les électrons éliminés lors de ces oxydations traversent une série de porteurs d'électrons pour atteindre l'oxygène. Une grande partie de l'énergie libre libérée par ce transfert est utilisée pour conduire la synthèse d'ATP. Parce que l'oxygène est l'accepteur d'électrons final pour ces réactions, les activités oxydatives des mitochondries sont fréquemment appelées respiration.

Partie 1 de la respiration mitochondriale :

Oxydation de l'acide pyruvique en segments bicarbonés :

Après être entré dans les mitochondries, l'acide pyruvique est raccourci en segment à deux carbones dans une série cyclique de réactions. Ces fictions enlèvent deux électrons, deux hydrogènes et un carbone CO2 de la chaîne de l'acide pyruvique.

Le segment à deux carbones produit par l'oxydation est un acétyle (-CH3Groupe CO – ) :

acide pyruvique – groupe acétyle + 2e – + 2H + + CO2

Les deux électrons et l'un des hydrogènes éliminés dans cet ion sont transférés au NAD. Le CO2 et l'hydrogène restant est libéré pour entrer dans le milieu environnant. Le groupe acétyle à deux carbones est transféré à un accepteur appelé coenzyme A pour produire la substance à haute énergie acétyl coenzyme A. La coenzyme A est une autre molécule porteuse basée sur la structure nucléotidique, tout comme l'ATP et le NAD.

La coenzyme A accepte et transporte les unités acétyle à deux carbones, car l'ATP transporte les phosphates et le NAD transporte les électrons. La majeure partie de l'énergie libre libérée lors de l'oxydation de l'acide pyruvique est capturée sous forme d'énergie chimique lors de la conversion de la coenzyme A en acétyl coenzyme A.

Le cycle de réaction global dans l'oxydation de l'acide pyruvique, donne ainsi comme produits nets l'acétyl coenzyme A, le NAD réduit et le CO2:

acide pyruvique + NAD oxydé + coenzyme → acétyl co-enzyme A + NAD réduit + CO2

Tous les réactifs et produits de la réaction 7-6 sont multipliés par un facteur 2 si l'oxydation de l'acide pyruvique est considérée comme une continuation de l'oxydation du glucose, puisque chaque molécule de glucose entrant dans la glycolyse produit deux molécules d'acide pyruvique.

L'oxydation de l'acide pyruvique est catalysée par un agrégat moléculaire contenant cinq enzymes et une série de transporteurs intermédiaires d'électrons et d'hydrogène. Les réactions réalisées par ce complexe multi-enzymatique, élaboré principalement dans le laboratoire de L.J. Reed, se déroulent. L'enzyme effectuant les premières étapes du cycle, l'acide pyruvique déshydrogénase, est une autre enzyme régulatrice qui adapte le taux d'oxydation cellulaire aux besoins énergétiques de la cellule.

Des concentrations élevées d'ATP inhibent l'activité de l'acide pyruvique déshydrogénase, ralentissant ou arrêtant l'oxydation de l'acide pyruvique. L'enzyme est également inhibée, directement ou indirectement, par des concentrations élevées de NAD réduit ou d'acétyl coenzyme A. Des concentrations élevées d'ADP, au contraire, stimulent l'activité de l'enzyme. Le résultat est un mécanisme de contrôle sensible qui fait correspondre étroitement le taux d'oxydation de l'acide pyruvique aux besoins énergétiques de la cellule.

Le complexe accepteur d'enzyme réalisant l'oxydation de l'acide pyruvique existe dans les mitochondries sous la forme d'agrégats contenant jusqu'à 100 chaînes polypeptidiques ou plus, comprenant de nombreuses copies de l'enzyme centrale du complexe, l'acide pyruvique déshydrogénase.

Les bactéries capables d'effectuer l'oxydation de l'acide pyruvique possèdent un complexe similaire. Une analyse récente de l'oxydation de l'acide pyruvique dans E. coli indique que jusqu'à 60 chaînes polypeptidiques peuvent être présentes dans un seul agrégat chez cette espèce, avec un poids moléculaire total de 4 800 000.

Les deux produits organiques de l'oxydation de l'acide pyruvique sont des substances à haute énergie. Les unités acétyle portées par l'acétyl coenzyme A servent de carburant immédiat pour les réactions oxydatives restantes des mitochondries, et les électrons portés par le NAD réduit représentent l'énergie potentielle qui est finalement prélevée pour conduire la synthèse d'ATP.

Partie 2 Mitochondriale Respiration:

Oxydation des unités acétyle en CO2 dans les mitochondries:

Le groupe acétyle porté par la coenzyme A est oxydé en CO2 dans une série cyclique de réactions déduites pour la première fois en 1937 par un chercheur britannique, Hans Krebs, qui a reçu le prix Nobel pour son brillant travail sur l'oxydation cellulaire. Dans le cycle qui porte le nom de Krebs, il y a une entrée continue d'unités acétyle à deux carbones en tant que réactifs et une sortie continue des produits - CO2, ATP, NAD réduit et un transporteur d'électrons supplémentaire sous forme réduite, la flavine adénine dinucléotide.

Les molécules formant les parties intermédiaires du cycle sont continuellement régénérées au fur et à mesure que le cycle tourne. Une seule molécule d'ATP est formée en tant que produit direct de chaque tour du cycle de Krebs.

La plupart de l'énergie libérée par les différentes oxydations du cycle est piégée dans les électrons transportés du cycle par le NAD et le FAD réduits.

Les réactions du cycle de Krebs se déroulent. Dans la première étape de la séquence, le groupe acétate lié à l'acétyl coenzyme A est transféré à l'acide oxaloacétique (quatre carbones), formant l'acide citrique (six carbones). Cette réaction libère la coenzyme A, qui est alors libre de se recycler via une autre oxydation de l'acide pyruvique.

acétyl coenzyme A + acide oxaloacétique—acide citrique - + coenzyme A

La réaction de catalyse enzymatique, la citrate synthétase, est l'un des principaux régulateurs du cycle de Krebs. L'enzyme est inhibée et la première réaction du cycle ralentit ou s'arrête si la succinyl-coenzyme A, un produit d'une réaction plus tard dans le cycle, s'accumule. L'enzyme est également inhibée par une concentration élevée d'ATP.

L'acide citrique produit de la première réaction est réarrangé en une série d'étapes en acide isocitrique, qui devient le réactif de la première oxydation du cycle. Cette oxydation est catalysée par l'une ou l'autre de deux enzymes, toutes deux appelées isocitrate déshydrogénase. Les réactions catalysées par des enzymes sont identiques, sauf que l'une utilise le NAD et l'autre la substance étroitement apparentée nicotinamide adénine dinucléotide phosphate comme accepteur d'électrons.

Deux électrons et deux hydrogènes sont retirés de l'acide isocitrique dans l'oxydation en même temps, la chaîne carbonée est réduite en longueur de six à cinq carbones, donnant comme produit l'acide -cétoglularique. Le carbone retiré est libéré sous forme de CO2. Laquelle des deux enzymes catalyse cette réaction dépend des concentrations relatives d'ADP et d'ATP dans le milieu. L'enzyme spécifique du NAD est plus active que la forme NADP lorsque la concentration en ATP est relativement faible.

Si la concentration en ATP est élevée, l'enzyme spécifique du NAD est inhibée et le NADP est favorisé. Des concentrations élevées de NAD réduit, qui ont un effet inhibiteur similaire sur l'enzyme spécifique du NAD, favorisent également le NADP en tant qu'accepteur d'électrons. D'un autre côté, des concentrations élevées d'ADP stimulent l'activité de l'enzyme spécifique de l'AD, qui nécessite en fait l'ADP comme cofacteur pour son activité.

Ces différences sont importantes pour la production d'ATP car le NAD réduit transfère normalement ses électrons au système de transport d'électrons des mitochondries qui génère l'ATP. Le NADP réduit agit plutôt comme un donneur d'électrons pour les réactions qui accumulent des substances plus complexes dans lesquelles des réductions sont nécessaires. Grâce à ce système, l'oxydation de l'acide isocitrique est finement adaptée aux besoins de la cellule en ATP.

Dans les conditions habituelles, où l'activité cellulaire exige un apport plus ou moins continu d'ATP, l'enzyme acide isocitrique déshydrogénase utilisant le NAD comme accepteur d'électrons prédomine dans l'oxydation du cycle de Krebs à cette étape, conduisant à la synthèse d'ATP.

À l'étape suivante du cycle, l'acide -cétoglutarique est oxydé en acide succinique dans un cycle secondaire qui ressemble étroitement à l'oxydation de l'acide pyruvique. Le complexe enzyme-accepteur actif dans cette réaction comprend essentiellement les mêmes types d'enzymes et d'accepteurs d'électrons intermédiaires.

L'enzyme centrale dans le complexe, cependant, est l'acide -cétoglutarique déshydrogénase, qui catalyse l'élimination de deux électrons et de deux hydrogènes de l'acide -cétoglutarique. En même temps, un carbone est retiré de l'acide et libéré sous forme de CO2. Le produit, un groupe succinyle (quatre carbones) reste attaché au complexe jusqu'à son transfert à la coenzyme A dans une étape analogue à la réaction 3. Ce transfert forme le produit à haute énergie succinyl coenzyme A.

Les électrons et les hydrogènes sont ensuite transférés des accepteurs du complexe au NAD, dans une étape équivalente à la réaction 4. La coenzyme A est régénérée par une réaction ultérieure dans laquelle le groupe succinyle est éliminé, libérant de l'acide succinique et un grand incrément d'énergie libre. Une grande partie de cette énergie libre est captée dans la synthèse d'une molécule d'ATP, le seul ATP, provenant directement du cycle de Krebs.

succinyl coenzyme A + ADP + HPO4 2 → acide succinique + coenzyme A + ATP

La synthèse d'ATP se déroule directement comme le montre cette réaction chez les bactéries. Chez les animaux, l'enzyme catalysant la réaction phosphoryle à la place le guanosine diphosphate (GDP). Cependant, la guanosine triphosphate (GTP) produite est ensuite convertie en ATP par une enzyme mitochondriale qui interconvertit facilement les divers nucléosides triphosphates

En tant que produits nets, la séquence réactionnelle globale oxydant l'acide α-cétoglutarique donne ainsi,

Acide α-cétoglutarique + NAD oxydé +ADP + HPO4 2 → acide succinique + NAD réduit + ATP + CO2

L'acide succinique est oxydé à l'étape suivante du cycle par l'enzyme acide succinique déshydrogénase. L'enzyme est unique parmi les différentes protéines catalysant le cycle de Krebs car elle est étroitement liée aux membranes mitochondriales internes. Là, il fait partie des protéines intégrales des crêtes. Également constaté que l'enzyme dans la membrane est son propre FAD accepteur d'électrons. FAD est une autre molécule porteuse ressemblant à la structure de l'ATP, du NAD, du NADP et de la coenzyme A.

La combinaison de cet accepteur avec l'enzyme est connue sous le nom d'aromatoïne. Dans la réaction catalysée par l'acide succinique déshydroénase, le FAD est réduit en acceptant deux électrons et les deux hydrogènes retirés de l'acide succinique. Le produit de la réaction est la molécule d'acide fumarique à quatre carbones,

acide succinique + FAD oxydé → acide fumarique + FAD réduit

L'oxydation finale du cycle de Krebs se produit après une réaction de réarrangement dans laquelle l'acide fumarique est converti en acide malique par l'ajout des éléments d'une molécule d'eau. L'acide malique est ensuite oxydé en acide oxaloacétique. Le NAD agit comme un accepteur d'électrons pour la réaction et lie également l'un des deux hydrogènes retirés de l'acide malique. La molécule d'acide oxaloacétique produite remplace l'acide oxaloacétique utilisé dans la première réaction du cycle de Krebs, et le cycle est prêt à tourner à nouveau, résume les réactions du cycle sous forme simplifiée.

Produits du cycle de Krebs :

Nous pouvons maintenant déterminer les produits globaux du cycle de Krebs et résumer l'oxydation cellulaire du glucose. Au fur et à mesure que le cycle de Krebs effectue un tour complet, une unité acétyle à deux carbones est consommée et deux molécules de CO2 sont libérés. À chacune des quatre réactions du cycle, deux électrons sont retirés. Nous supposerons pour ce résumé que la première oxydation du cycle utilise le NAD plutôt que le NADP comme accepteur d'électrons.

À trois des oxydations, le NAD est donc l'accepteur, produisant trois molécules de NAD réduites, une étape produit une molécule de FAD réduit. Dans le cadre de l'oxydation de l'acide -cétoglutarique, une molécule d'ATP est générée. L'acide oxaloacétique, utilisé dans la réaction initiale du cycle de Krebs, est régénéré dans la réaction finale.

Ainsi, en tant que réactifs et produits globaux, le cycle de Krebs comprend :

unité acétyle + 3 NAD oxydé + FAD oxydé + ADP+HPO4 2 → 2CO2 + 3 NAD réduits + FAD réduits + ATP

Avec cette information, nous pouvons résumer tous les produits de l'oxydation complète du glucose en CO2, de la glycolyse au cycle de Krebs. Pour chaque molécule de glucose entrant dans la série, le cycle de Krebs tournera deux fois. La glycolyse et l'oxydation de l'acide pyruvique donnent ensemble quatre NAD réduits, deux ATP et deux CO2 molécules, puisque deux molécules d'acide pyruvique sont oxydées pour chaque molécule de glucose entrant dans la séquence.

En ajoutant à cela les produits de deux tours du cycle de Krebs pour chaque glucose entrant en oxydation, on a :

glucose + 4ADP + 4HPO4 2- + 10 NAD oxydé + 2 FAD oxydés → 4ATP + 10 NAD réduit + 2 FAD réduit + 6CO2

Notez qu'à ce stade, peu d'ATP a été produit. Cependant, les électrons transportés par les 10 molécules de NAD réduit et 2 molécules de FAD réduit occupent des orbitales à des niveaux d'énergie élevés et contiennent la majeure partie de l'énergie obtenue de l'oxydation du glucose en six CO.2 molécules. L'énergie libre libérée lors du transfert de ces électrons à l'oxygène est utilisée comme principale source d'énergie pour la synthèse cellulaire d'ATP dans la troisième partie des oxydations mitochondriales.

Les molécules porteuses :

À une exception près, tous les porteurs d'électrons connus sont constitués d'une molécule de protéine en combinaison avec un groupe prothétique non protéique étroitement lié qui est le véritable porteur d'électrons. Les groupes prothétiques sont alternativement oxydés et réduits au fur et à mesure que les électrons traversent le système.

Le seul vecteur exceptionnel, la coenzyme Q, est une substance lipidique en suspension à l'intérieur de la membrane sans liaison directe avec une protéine. Bien que la coenzyme Q et la plupart des groupes prothétiques aient été isolés et caractérisés chimiquement, les portions protéiques des supports, à l'exception du cytochrome c, sont des protéines membranaires intégrales qui ne peuvent être éliminées que par des techniques qui les dénaturent sérieusement.

De ce fait, les segments protéiques des porteurs sont relativement mal connus. Quatre grands types de transporteurs ont été identifiés dans la chaîne. Les flavoprotéines, y compris le FAD et le mononucléotide de la flavine (FMN) sont des porteurs d'électrons avec des groupes prosthétiques basés sur des nucléotides.

Dans les FAD et FMN, la partie des groupements prothétiques alternativement oxydée et réduite lors du transport des électrons est dérivée de la riboflavine, une vitamine du groupe B. Étant donné que ce groupe prothétique contient une base azotée, un sucre à cinq carbones et un groupe phosphate, il est classé comme nucléotide. Les flavoprotéines transportent des électrons par paires et lient également deux hydrogènes de la forme FADH2 ou FMNH2 pendant la réduction.

Les cytochromes, dont le cytochrome a, a3 b, c et d ont un cycle porphyrine complexe contenant un atome de fer central en tant que groupe prothétique. Les divers cytochromes diffèrent par des substitutions mineures dans les groupes latéraux attachés au cycle porphyrine. Dans chacune, l'alternance entre les formes oxydées et réduites se produit au moyen d'un seul électron gagné ou perdu par l'atome de fer central, qui peut exister sous forme de Fe 2+ ou Fe 3+ . Contrairement aux flavoprotéines, les cytochromes ne portent pas d'hydrogène.

Le cytochrome c est unique parmi les porteurs d'électrons en ce qu'il s'agit d'une protéine membranaire périphérique, facilement éliminée des membranes mitochondriales sans être dénaturée. En conséquence, le cytochrome c est le plus connu des porteurs d'électrons à base de protéines.

Les protéines fer-soufre constituent le troisième type de porteur d'électrons mitochondrial. Jusqu'à présent, ces protéines sont mal caractérisées et ne contiennent que des centres contenant des atomes de fer en association étroite avec des groupes SH (thiol). Vraisemblablement, les atomes de fer et de soufre font partie d'un groupe prothétique attaché à la protéine lors de la réduction et de l'oxydation, on pense que les atomes de fer alternent entre les états Fe 2 + et Fe 3+.

Au moins sept protéines fer-soufre différentes ont été détectées dans le système de transport d'électrons mitochondrial. Pour autant que l'on sache, ces porteurs transportent des électrons et des hydrogènes uniques, selon un schéma similaire à celui des cytochromes.

Le dernier type de porteur d'électrons, la coenzyme Q contient un cycle quinone qui est alternativement oxydé et réduit pendant le transport des électrons. Attachée à l'anneau se trouve une chaîne latérale hydrophobe qui, dans les mitochondries, consiste en une série de dix sous-unités répétitives. La coenzyme Q est un double transporteur électron-hydrogène et possède deux niveaux ou états redox dans lesquels elle peut accepter soit un électron et de l'hydrogène, soit des électrons et des hydrogènes par paires. Cette caractéristique figure dans l'une des dernières modifications de l'hypothèse cherniosmotique de Peter Mitchell.

Reconstitution de la séquence porteuse d'électrons :

Diverses techniques biochimiques ont été utilisées pour attribuer les porteurs connus à leurs emplacements probables dans la chaîne de transport d'électrons. Une partie de ce travail est basée sur les potentiels redox mesurés des porteurs purifiés ou des groupes prothétiques. Les électrons libérés par les différents porteurs ont une énergie caractéristique en rangeant les porteurs par ordre de potentiel de plus en plus positif, leur séquence dans le transport d'électrons mitochondriaux peut être approchée.

Cette méthode souffre du fait que les potentiels redox mesurés dans des conditions standards, lorsque les porteurs sont sous forme isolée, peuvent différer des potentiels en situation naturelle dans la membrane, d'où la possibilité d'erreurs de mise en séquence. Une méthode un peu plus directe pour le séquençage des porteurs est basée sur le fait que la plupart des molécules porteuses subissent des changements de couleur prononcés lors de la conversion de la forme oxydée à la forme réduite.

Les flavoprotéines, par exemple, sont jaunâtres en solution lorsqu'elles sont oxydées et incolores lorsqu'elles sont réduites. Ces changements peuvent être tracés quantitativement en mesurant les spectres d'absorption des molécules en solution (ou dans les membranes mitochondriales). Dans cette technique, la quantité de lumière absorbée par le porteur à chaque longueur d'onde est mesurée et tracée. Lorsque des changements de couleur se produisent lors de l'oxydation ou de la réduction, des pics d'absorption caractéristiques apparaissent et disparaissent dans le spectre tracé pour la molécule.

Ces spectres d'absorption ont été utilisés dans le laboratoire de Criton Chance pour placer les porteurs dans une séquence provisoire. Chance et ses collaborateurs ont découvert que dans les mitochondries intactes et actives, la plupart des molécules FAD ou FMN sont à l'état réduit. Deux des cytochromes, a et a3, ont tendance à être présents presque entièrement, à l'état oxydé. D'autres porteurs se situaient entre ces deux extrêmes, tombant dans une séquence naturelle en termes de rapport des formes oxydées aux formes réduites.

Considérant que les porteurs apparaissant en plus grande proportion sous la forme oxydée étaient l'oxygène le plus proche dans la séquence, Chance a attribué à chaque porteur une position dans le système de transport d'électrons. Cette méthode n'est pas non plus sans écueils, puisque dans les mitochondries intactes certains des pics d'absorption des différents porteurs se chevauchent, rendant difficile l'interprétation des spectres obtenus. De plus, certains des porteurs, tels que la coenzyme Q et les protéines fer-soufre, ne peuvent pas être facilement détectés ou assignés à des positions définies par cette technique.

Ces résultats ont été renforcés par Chance et d'autres en combinant les études d'absorption de la lumière avec l'utilisation d'inhibiteurs connus pour se combiner avec des supports spécifiques et interférer avec leur oxydation ou réduction. Les porteurs tombant après le porteur inhibé dans la séquence s'oxydent progressivement par élimination des électrons et présentent les couleurs caractéristiques des formes oxydées.

Les porteuses tombant avant la porteuse bloquée restent sous la forme réduite et présentent des couleurs caractéristiques de cet état. Par exemple, le médicament antimycine a bloque le transport des électrons du cytochrome b. Dans les mitochondries exposées au médicament, le NAD, les flavoprotéines et le cytochrome b restent à l'état réduit et les cytochromes a et c s'oxydent. Cela indique que le NAD et les flavoprotéines tombent avant le cytochrome b, tandis que les cytochromes a et c tombent après.

En utilisant différents inhibiteurs et rien des "points de croisement entre les porteurs convertis en états réduits ou oxydés, les positions provisoires attribuées au moyen de potentiels redox et de spectres d'absorption ont été renforcées. La combinaison des résultats de ces approches a permis d'établir la séquence porteuse probable. Notez que les électrons ont deux voies d'entrée dans la chaîne, une à FMN et une à FAD, qui se rejoignent à la coenzyme Q.

Les électrons circulent spontanément le long de la chaîne, perdant de l'énergie lorsqu'ils se déplacent des orbitales d'un porteur aux orbitales du suivant. À certaines étapes, une énergie suffisante est libérée pour entraîner la synthèse d'ATP. Certains des porteurs transportent des électrons par paires et d'autres individuellement. L'hydrogène se combine directement uniquement avec le NAD, le FAD, le FMN et la coenzyme Q et à la fin de la séquence avec l'oxygène.

Lorsque les électrons passent de l'hydrogène à un porteur non hydrogène, on considère que l'hydrogène est libéré dans le milieu sous forme d'ions H + ou, dans le cas de l'hypothèse de Mitchell, est expulsé à travers les membranes mitochondriales internes. Au niveau de l'accepteur final, les ions hydrogène rentrent dans la séquence de réduction de l'oxygène en eau.

En raison des ambiguïtés des différentes techniques de séquençage, des incertitudes subsistent quant au placement de certains des porteurs. Ces difficultés sont plus prononcées dans l'attribution des protéines fer-soufre. Le nombre total de ces porteurs et leurs positions dans la séquence de transport d'électrons sont encore controversés.En raison du chevauchement des spectres dans les longueurs d'onde lumineuses absorbées par le cytochrome b, il n'est pas clair à l'heure actuelle s'il existe une, deux ou trois molécules différentes de ce cytochrome transférant des électrons entre la coenzyme Q et le cytochrome c1.

De même, on ne sait pas actuellement si les deux groupes prothétiques identifiés comme les cytochromes a et a3 sont portés par la même molécule de protéine ou des protéines différentes. Parce qu'un et un3 sont toujours étroitement associés, le consensus à l'heure actuelle est qu'ils se combinent en une seule molécule, vraisemblablement sous la forme de deux anneaux de porphyrine, l'un de l'a et l'autre de l'a3 type, porté dans les crevasses dans une seule protéine.

Transport d'électrons et synthèse d'ATP :

À la fin des années 1940, A. L. Lehninger et ses associés ont établi que le transport des électrons le long du système porteur mitochondrial, du NAD réduit à l'oxygène, est directement lié à la synthèse d'ATP. Lehninger a montré que des mitochondries isolées traitées pour les rendre perméables au NAD pouvaient synthétiser de l'ATP si elles étaient placées dans un milieu contenant des ions NAD, ADP, phosphate et Mg 2+ réduits. Pour chaque molécule de NAD réduit ajoutée, les mitochondries isolées synthétisent trois molécules d'ATP.

Lorsque l'acide ascorbique, un donneur d'électrons incapable de réduire les porteurs plus haut dans la séquence que le cytochrome c, a été ajouté aux mitochondries isolées, une seule phosphorylation de l'ADP en ATP s'est produite pour chaque molécule d'acide ascorbique. Cela a montré que l'énergie suffisante pour conduire la synthèse d'une molécule d'ATP est libérée quelque part dans la séquence du cytochrome c à l'oxygène.

D'autres sites possibles de libération d'énergie significative ont été localisés par une extension des études d'absorption lumineuse utilisées pour séquencer les porteurs. Chance et G.R. Williams a utilisé une préparation mitochondriale ayant un apport limité d'ADP et un excès de substrat oxydable.

L'offre limitée d'ADP a provoqué des goulots d'étranglement sur trois sites dans le système de transport d'électrons, qui étaient détectables par des changements de couleur indiquant un excès de NAD réduit, de cytochrome b et de cytochrome c. Cela indique, par exemple, que l'étape de transfert d'électrons du NAD à la flavoprotéine est étroitement couplée à la synthèse d'une molécule d'ATP, un apport limité d'ADP provoque l'accumulation de NAD réduit.

Plus récemment, les résultats de ces études ont été complétés par les résultats de l'étude de parties isolées de la chaîne de transport d'électrons après rupture des membranes mitochondriales par sonication ou détergents.

Par cette approche, menée par D.E. Green, E. Racker et ses associés, et d'autres, la chaîne de transport d'électrons a été divisée en segments contenant plusieurs porteurs ou en molécules porteuses individuelles. Le réassemblage des porteurs en diverses combinaisons avec des segments membranaires et l'enzyme ATP-Synthesizing a ensuite permis d'évaluer la capacité de certaines parties du système de transport d'électrons à conduire la synthèse d'ATP.

Les résultats combinés de ces techniques indiquent que l'ATP est synthétisé dans la chaîne de transport mitochondrial lorsque des paires d'électrons passent du NAD au coenzyme Q (site I), du cytochrome b au cytochrome c (site II) et du cytochrome a-a.2 à l'oxygène. Ainsi, chaque paire traversant le système de transport du NAD réduit à l'oxygène génère trois molécules d'ATP. Étant donné que les électrons transportés par le FAD pénètrent dans la chaîne à un point au-delà du site I, le premier site générateur d'ATP, les électrons transportés par le FAD réduit à partir de l'oxydation de l'acide succinique ne donnent naissance qu'à deux molécules d'ATP.

La synthèse de l'ATP dans les systèmes de transport isolés et réassemblés ne se produit que si trois conditions de base sont remplies :

(1) Les différents supports doivent être combinés avec des phospholipides dans des bicouches ou des membranes mitochondriales internes intactes

(2) Les membranes doivent être fermées dans des vésicules scellées avec un espace intérieur complètement séparé par des membranes intactes du milieu extérieur aux vésicules et

(3) L'enzyme de synthèse d'ATP mitochondriale doit également être présente dans les membranes scellées des vésicules avec les molécules porteuses. Toutes ces conditions sont remplies dans les mitochondries intactes.

Un résumé du métabolisme du glucose :

Avec cette information, le nombre total de molécules d'ATP synthétisées pour chaque molécule de glucose oxydé en CO2 et H2O peut être calculé. L'oxydation complète d'une molécule de glucose (par la glycolyse, la formation d'acétyl coenzyme A et le cycle de l'acide citrique) donne un total de 4ATP, 10 NAD réduits, 2 FAD réduits et 6CO2 molécules.

Les dix paires d'électrons portées par le NAD réduit, traversant le système de transport d'électrons, aboutiront à la synthèse de 10 × 3 = 30 molécules d'ATP. L'ADF réduit, transportant des électrons qui entrent plus tard dans le système de transport, provoquera la synthèse de 2 × 2 = 4 molécules d'ATP.

Ajouté au total, l'oxydation globale du glucose donne 38 molécules d'ATP :

glucose + 38ADP + 38HPO4 2 + 6O2 → 6CO2 + 44H2O + 38ATP

Ce total de 38 ATP suppose que les deux molécules de NAD réduites en glycolyse vont chacune induire la synthèse de trois molécules d'ATP à l'intérieur de la mitochondrie. Cependant, le NAD réduit de la glycolyse ne peut pas entrer directement dans la mitochondrie pour transmettre des électrons au système de transport car les membranes mitochondriales sont imperméables au NAD. Au lieu de cela, les électrons transportés par le NAD réduit à l'extérieur des mitochondries sont transférés à d'autres substances qui agissent comme des navettes d'électrons entre l'extérieur et l'intérieur de la mitochondrie.

Deux de ces mécanismes de navette sont connus. L'un est plus efficace et entraîne le transfert d'électrons du NAD à l'extérieur vers le NAD à l'intérieur de la mitochondrie. La seconde est moins efficace et se traduit par la réduction des FAD à l'intérieur de la mitochondrie. Si la navette la plus efficace est prédominante, une perte d'énergie importante se produit et 38 ATP résulteront de chaque molécule de glucose complètement oxydée.

Si la navette efficace prédomine, les électrons du TAD réduit sont transférés au lieu du FAD à l'intérieur de la mitochondrie. Ceux-ci pénètrent plus loin dans le système de transport d'électrons dans la chaîne et aboutissent à la synthèse de 2 ATP pour chaque molécule de FAD réduit. Dans ce cas, l'oxydation complète du glucose se traduira par un total de 36 molécules d'ATP au lieu de 38 dont la navette prédomine en fonction des espèces articulaires et des tissus impliqués.

Dans des conditions standard (pH 7, réactifs et produits à 25°C et I M), l'hydrolyse de l'ATP en ADP donne 7000 -al mol. Utilisation de cette valeur comme énergie nécessaire pour synthétiser l'ATP à partir d'ADP et d'HPO4 2- , l'énergie totale piégée lors de l'oxydation du glucose peut s'élever soit à 36 × 7000 = 252 000 cal/mol soit à 38 × 7000 = 266 000 cal/mol. La combustion du glucose dans l'air donne 686 000 cal/mol. Sur cette base, l'efficacité du métabolisme du glucose dans les cellules se situe entre 37 % et 39 % (252/686 × 100 et 266/686 × 100).

L'énergie captée dans les conditions de température et de concentration dans la cellule vivante peut en fait être considérablement plus élevée que ces chiffres ne l'indiquent. Le changement d'énergie libre pour l'hydrolyse de l'ATP augmente en amplitude à la concentration des réactifs et des produits est réduite. La concentration d'ADP et d'ATP au site de phosphorylation n'est pas connue avec certitude.

Les estimations du changement réel d'énergie libre varient de 9 000 à 15 000 cal/mol selon les concentrations supposées se produire dans la cellule. L'utilisation de ces chiffres donne une efficacité plus élevée pour l'oxydation totale du glucose, d'environ 50 % à 9000 cal/mol à 80 % à 15 000 cal/mol.

L'endroit où le chiffre réel se situe dans cette plage est inconnu, mais l'efficacité est probablement supérieure aux 37-39% calculés à partir des conditions standard. Même au niveau de 37 à 39 %, l'efficacité de la conversion d'énergie mitochondriale est considérablement plus élevée que celle de la plupart des systèmes de conversion d'énergie conçus par des ingénieurs humains, qui dépassent rarement le niveau d'efficacité de 5 à 10 %.

Synthèse d'ATP dans les mitochondries :

L'effort de recherche pour démêler le mécanisme couplant la synthèse d'ATP au transport d'électrons mitochondriaux appelé phospho-shyrylation oxydative est actuellement l'un des plus étendus et des plus actifs en biologie cellulaire.

L'expérimentation, l'hypothèse et la spéculation dans ce domaine se sont concentrées sur deux domaines :

une. Caractérisation de l'enzyme de synthèse d'ATP et de son mécanisme d'action, et

b. Déterminer comment l'énergie libérée dans le transport d'électrons est utilisée pour alimenter la synthèse d'ATP.

Les expériences et les idées liées à ce domaine de recherche (par des scientifiques parfois appelés « mitochondriaques ») sont parmi les plus élaborées de la biologie contemporaine. Les comprendre demande un effort supplémentaire si vous devenez confus, vous êtes en bonne compagnie. Eftaim Racker, l'un des plus éminents travailleurs dans le domaine, a dit un jour dans une conférence que "Quiconque n'est pas confus au sujet de la phosphorylation oxydative ne comprend tout simplement pas la situation."

L'enzyme de synthèse d'ATP du transport d'électrons mitochondriaux :

L'extraction et la purification de fractions membranaires mitochondriales révèlent que l'enzyme catalysant la synthèse d'ATP dans la phosphorylation oxydative est intégrée dans les membranes des crêtes, au même emplacement général que les molécules porteuses de transport d'électrons. Les travaux de A.E. Senior, E. Racker et d'autres ont montré que l'enzyme est contenue dans un complexe constitué de dix polypeptides ou plus.

Certains de ces polypeptides fonctionnent pour ancrer le complexe dans la membrane, et certains catalysent directement la réaction synthétisant l'ATP :

Les travaux de Racker ont permis l'identification morphologique de l'enzyme ATPase avec une particule en forme de sucette qui, dans certaines conditions, peut être vue s'étendre de la membrane mitochondriale interne à la matrice mitochondriale. Dans les expériences de Racker avec les particules, menées avec L.L. Horstman, les mitochondries ont été isolées et perturbées mécaniquement par sonication ou agitation dans un milieu contenant des billes de verre. Ce traitement rompt à la fois les membranes mitochondriales externes et internes (crêtes). Les membranes internes enlevées se scellent spontanément dans des vésicules fermées capables de transporter des électrons et de synthétiser l'ATP.

La préparation de la membrane interne, si elle est visualisée au microscope électronique après coloration négative, montre les particules de sucette typiques. Racker et Horstman ont traité des membranes isolées de ce type en les exposant à de l'urée, un produit chimique qui perturbe les liaisons hydrogène. Après ce traitement, les membranes étaient encore capables de transporter des électrons mais ne pouvaient pas synthétiser l'ATP.

L'examen après coloration négative a montré que les particules de sucette manquaient à la surface des membranes. Les particules éliminées, si elles étaient purifiées séparément, se sont avérées capables d'hydrolyse de l'ATP, c'est-à-dire de faire fonctionner la réaction en sens inverse. Ainsi, les particules retirées contenaient l'activité ATPase associée aux membranes internes dans les mitochondries intactes. L'ajout des particules purifiées aux préparations membranaires a restauré à la fois les sucettes et la capacité de synthèse d'ATP entraînée par le transport d'électrons à la préparation membranaire.

L'analyse des particules de la membrane interne révèle que l'activité ATPase se produit dans le "coque" sphérique de la sucette. Au moins cinq polypeptides différents peuvent être identifiés avec le casque, qui est relié à la membrane par une tige contenant au moins deux polypeptides. L'ancrage de la têtière et de la tige à la membrane est la «base», contenant trois ou quatre polypeptides hydrophobes supplémentaires normalement profondément enfouis dans la membrane.

Le casque est facilement retiré de la tige et de la base par divers traitements doux, tels que l'exposition à l'urée ou à de faibles concentrations de sel, indiquant que dans les membranes intactes, il s'agit d'une protéine périphérique. Les structures de sucette sont rendues plus facilement visibles par coloration négative. Les particules sont rarement observées dans les mitochondries en coupe mince ou dans les préparations de fracture par congélation. En conséquence, il n'est pas certain que les particules s'étendent réellement des surfaces membranaires internes dans les mitochondries intactes ou soient d'une manière ou d'une autre extrudées d'un emplacement normal plus proche de la surface membranaire par la technique d'isolement ou de coloration.

Le mécanisme couplant la synthèse d'ATP au transport d'électrons :

Dans les mitochondries intactes, la synthèse d'ATP est étroitement couplée au transport d'électrons. Si les électrons se déplacent dans le système, l'ATP est synthétisé si aucun ADP n'est disponible, bloquant ainsi la synthèse d'ATP, les électrons ne peuvent pas passer le long des transporteurs du NAD ou du FAD à l'oxygène. La nature du mécanisme de couplage a été débattue pendant de nombreuses années et fait encore l'objet de nombreuses controverses. Deux hypothèses majeures sont désormais envisagées sérieusement.

L'une est l'hypothèse chimiosmotique de Peter Mitchell, qui a régulièrement obtenu un soutien expérimental depuis sa première déclaration en 1961 jusqu'à nos jours, ses principes de base ont été acceptés par la plupart des chercheurs dans le domaine. Le deuxième modèle, l'hypothèse conformationnelle, d'abord avancée par P.D. Boyer en 1963, a attiré l'attention récemment parce qu'il peut rendre compte de certains détails insuffisamment expliqués par l'hypothèse chimiosmotique.

L'hypothèse chimiosmotique :

L'hypothèse de Mitchell propose que la synthèse d'ATP mitochondriale est entraînée par un gradient d'ions H + mis en place directement par le transport d'électrons. Selon Mitchell, les ions H + sont expulsés d'un côté de la membrane lorsque les électrons se déplacent du NAD ou du FAD vers l'oxygène. Le gradient H + établi par le transport d'électrons agit comme une source d'énergie libre qui pilote la synthèse d'ATP à partir d'ADP et d'HPO4 2- au fur et à mesure que le dégradé descend. Établissement du gradient H + :

Le gradient H +, selon les modifications les plus récentes de l'hypothèse chimiosmotique, dépend du fait que certains des porteurs de la chaîne de transport d'électrons portent à la fois des hydrogènes et des électrons au cours de leurs cycles d'oxydation et de réduction, tandis que d'autres ne portent que des électrons.

Dans les premières étapes du mécanisme, le NAD réduit (NADH) transmet ses deux électrons et un hydrogène au FMN. Étant donné que FMN transporte des hydrogènes en plus d'une paire d'électrons, un second H + est absorbé par le milieu à l'intérieur de la matrice pour former FMNH2. Ce porteur transmet ses électrons au groupe porteur suivant de la chaîne, les protéines fer-soufre. Parce que les protéines fer-soufre sont des porteurs d'électrons "purs", les hydrogènes transportés par FMNH2 sont libérés. La libération se produit dans le compartiment intermembranaire, contribuant aux deux premiers ions H + du gradient.

La prochaine série d'étapes implique la coenzyme Q dans un mécanisme que Mitchell appelle le cycle Q. Dans la première étape du cycle Q, les deux électrons transportés par les protéines fer-soufre sont transmis à deux molécules de coenzyme Q, un pour chaque molécule Q. Ceux-ci prennent chacun un H+ de la matrice en même temps et passent à la forme QH, ou semi-quinone. Pour aller au complètement réduit, ou QH2, forment les deux molécules Q acceptant chacune un électron d'une molécule du cytochrome b (la source des électrons portés par les deux molécules du cytochrome b) nécessaire à ce transfert apparaîtra bientôt.

La paire supplémentaire d'ions H + nécessaire est prélevée dans la matrice. Ainsi, en passant de Q à QH2, les deux molécules de coenzyme Q absorbent 4H de la matrice. À l'étape suivante du cycle Q, les deux molécules de coenzyme Q transmettent chacune un électron aux porteurs suivants de la chaîne, deux molécules de cytochrome c. Puisque les cytochromes sont des porteurs d'électrons purs, les molécules de coenzyme Q, en allant de QH2 à QH, libérer un H + chacun dans le compartiment inter-membranaire.

Le deuxième électron porté par chaque molécule QH, selon Mitchell, passe à chacune des deux molécules du cytochrome b. Au fur et à mesure que ce transfert a lieu, les deux molécules de coenzyme Q passent à la forme complètement oxydée ou Q et libèrent leurs derniers ions H +, un chacun, dans le compartiment intermembranaire. Un total de 6H + est ainsi transféré de la matrice au compartiment inter-membranaire lorsqu'une paire d'électrons passe du NAD réduit à ce point de la chaîne.

Les électrons transportés par le cytochrome c se déplacent ensuite le long de la chaîne à travers a-a$ cytochromes en oxygène. Comme la paire d'électrons est acceptée par une molécule d'oxygène, un 2H supplémentaire est retiré de la matrice, convertissant 1/2C2 à H2O. Les électrons transmis au cytochrome b sont prêts à entrer dans un autre cycle Q.

En vélo du Q au QH2 forme chaque molécule de coenzyme Q capte ainsi un électron d'une protéine fer-soufre et un du cytochrome b. En vélo de retour de QH2 à Q, chaque coenzyme Q passe un électron au cytochrome c et en renvoie un au cytochrome b. Le cycle Q et les mouvements de la coenzyme Q faisant circuler les ions H + à travers la membrane de la matrice vers l'extérieur sont considérés comme reposant sur la taille relativement petite de la coenzyme Q et sa solubilité à l'intérieur de la membrane hydrophobe.

L'hypothèse explique ensuite comment le gradient H + établi par le transport d'électrons alimente la synthèse d'ATP. Le complexe ATPase est considéré comme composé de deux parties, F1, situé sur la surface de la membrane tournée vers la matrice, et F0, situé à l'intérieur de la membrane, F1 contient le site catalysant la synthèse ou l'hydrolyse de l'ATP, F0 est proposé de contenir un canal qui permet aux ions H + d'approcher le site actif de l'enzyme ATPase du côté opposé de la membrane. La membrane est par ailleurs considérée comme imperméable aux ions H + .

Le gradient H + établi par le transport d'électrons entraîne un mouvement net des ions H + du compartiment inter-membranaire dans le F0, canal par lequel ils s'approchent du site actif de l'enzyme. Du côté de la matrice de la membrane, le site actif de l'enzyme lie ADPOH et POH du milieu, les convertissant en les formes ionisées ADPO – et PO – . Les 2H+ produits par cette conversion sont libérés dans la matrice. Les protons dans la membrane F0 Les canaux interagissent maintenant sur le site actif de l'enzyme, éliminant un oxygène du PO pour former de l'eau, qui rediffuse vers le côté opposé de la membrane. L'élimination de l'oxygène provoque la conversion d'ADPO – et PO – en ADPOP, c'est-à-dire en ATP.

ADPO – + PO – + 2H → ADPOP + H2O

Étant donné que 2H + sont libérés dans la matrice par la conversion d'ADPOH et de POH en ADPO – et PO – et 2H + sont éliminés du côté opposé par combinaison avec de l'oxygène pour former H2O, l'effet global est l'équivalent de déplacer H + du côté de forte concentration en H + dans le compartiment inter-membranaire vers le côté de faible concentration en H + dans la matrice, soulageant ainsi le gradient. En conséquence, la réaction totale a tendance à se dérouler dans le sens de la synthèse d'ATP tant que H + est disponible en excès dans le compartiment inter-membranaire.

Support expérimental de l'hypothèse de Mitchell:

L'hypothèse chimiosmotique de Mitchell, d'abord largement rejetée par la communauté scientifique, a rencontré un soutien expérimental si complet qu'il semble maintenant peu douteux que ses deux hypothèses de base soient correctes :

(1) Le transport d'électrons crée un gradient d'ions H +, et

(2) Le gradient H + entraîne la synthèse d'ATP.

L'hypothèse et les nouvelles connaissances bioénergétiques qu'elle fournit ont révolutionné la pensée scientifique en matière de phosphorylation oxydative, de photosynthèse et de transport actif. Ce n'est que dans certains détails que l'hypothèse de Mitchell, pour laquelle il a reçu le prix Nobel en 1978, reste sujette à caution.

Le transport d'électrons crée un gradient H + est clairement soutenu par les preuves disponibles. Le laboratoire Racker a montré que des vésicules fermées peuvent être isolées des mitochondries sous une forme à l'envers ou à l'envers. La latéralité des vésicules peut être facilement identifiée en notant si les sucettes ATPase sont portées sur les surfaces intérieures ou extérieures des membranes vésicales.

Si les vésicules sont à l'endroit, avec les sucettes sur la surface intérieure (analogue à leur position dans les mitochondries, où elles s'étendent dans la matrice), elles expulsent les ions H + vers l'extérieur lors du transport des électrons. Si à l'envers, avec les sucettes ATPase sur la surface extérieure, les vésicules concentrent les ions H + à l'intérieur pendant le transport des électrons. Ainsi, les ions H + sont en fait expulsés à travers les membranes mitochondriales du côté opposé à l'enzyme ATPase lors du transport des électrons, comme proposé dans le modèle.

La création et le maintien du gradient H + nécessitent que les membranes mitochondriales internes soient imperméables à H + . Le soutien expérimental de cette partie de l'hypothèse est venu du laboratoire de Mitchell. Mitchell et J. Moyle ont mis en place un gradient de pH à travers les membranes mitochondriales et ont augmenté la vitesse à laquelle H + pouvait diffuser à travers les membranes pour neutraliser le gradient en l'absence de transport d'électrons et de synthèse d'ATP. La vitesse de mouvement constatée était si faible que les membranes mitochondriales internes peuvent en effet être considérées comme essentiellement imperméables aux ions H +.

Le soutien de la deuxième proposition de base de l'hypothèse, selon laquelle le gradient H + établi par le transport d'électrons, entraîne la synthèse d'ATP, provient d'un certain nombre de sources. La première est la simple observation que des vésicules fermées et intactes sont nécessaires pour que la synthèse d'ATP se produise dans les préparations membranaires internes isolées des mitochondries. Si les membranes sont rompues ou rendues perméables, détruisant ainsi toute possibilité de gradient H +, la synthèse d'ATP s'arrête.

La seconde provient des observations de l'effet des découpleurs de la phosphorylation additive. Ces substances, lorsqu'elles sont ajoutées aux mitochondries ou aux vésicules mitochondriales, séparent le transport d'électrons de la synthèse d'ATP. Sous l'action du coupleur, le transport des électrons s'effectue en continu sans relation avec la synthèse d'ATP.

À quelques exceptions près, les coupleurs, tels que le DNP (2, 4-dlmitrophénol), sont des agents liposolubles qui provoquent une fuite des membranes vers les ions H +., le gradient H + supprime la force motrice de la synthèse de FP et arrête la phosphorylation, en conformément à l'hypothèse de Mitchell.

Des preuves plus directes proviennent d'expériences dans lesquelles il a été démontré qu'un gradient de pH imposé provoque la synthèse d'ATP. La meilleure d'entre elles a été réalisée dans le laboratoire d'A.T. Jagenlorf, qui a utilisé des chloroplastes au lieu de mitochondries pour plusieurs raisons. Les chloroplastes contiennent une chaîne de transport d'électrons similaire au système mitochondrial, et la synthèse d'ATP dans les chloroplastes est couplée au transport d'électrons exactement de la même manière que dans les mitochondries.

La principale différence dans la synthèse d'ATP dans les deux organites réside dans la source d'électrons de haute énergie passant à travers le système de transport d'électrons. Dans les mitochondries, ces électrons proviennent de substances combustibles oxydées dans les chloroplastes, leur énergie est dérivée de la lumière absorbée. En plaçant des chloroplastes isolés dans l'obscurité, Jagendorf a pu éliminer le transport d'électrons en tant que source d'énergie pour la synthèse d'ATP.

Il a alors créé un surplus d'ions H+ à l'intérieur des chloroplastes en les plaçant dans un milieu contenant un acide pouvant pénétrer à l'intérieur. Les chloroplastes ont ensuite été transférés dans un second milieu à plus faible concentration en H + .

Au fur et à mesure que les ions H + à l'intérieur se déplaçaient à l'extérieur en réponse au gradient, l'ATP était synthétisé. Puisque le transport d'électrons a été éliminé en tant que source d'énergie, la synthèse d'ATP pourrait être attribuée directement au gradient de pH créé artificiellement. Des expériences similaires ont ensuite été menées par Mitchell et ses collègues avec les mitochondries.

Un autre système basé sur la lumière a également fourni une démonstration élégante qu'un gradient H + peut fournir l'énergie nécessaire à la synthèse d'ATP. W. Stoeckenius a découvert que la membrane plasmique d'une bactérie, Halobacterium halobrium, contient un pigment qui ressemble aux pigments visuels trouvés dans la rétine des yeux d'animaux.

Le pigment, appelé bactériorhodopsine, peut se transformer rapidement en l'une ou l'autre des deux formes, l'une qui absorbe la lumière à une longueur d'onde de 570 nm (“violet”) et l'autre à 412 nm (“blanchie”). A ce pigment passe de la forme violette à la forme blanchie, il perd un ion H +, et dans le changement inverse, il capte un ion H +.

Racker et Stoeckenius ont découvert que la rhodopsine purifiée, associée à des bicouches lipidiques sous forme de vésicules fermées, pouvait absorber les ions H + du milieu et les concentrer à l'intérieur des vésicules lorsqu'elles étaient exposées à la lumière. Si les composants du complexe ATPase étaient ensuite ajoutés des protéines membranaires hydrophobes plus tige et F1 protéines, les vésicules étaient capables de conduire la synthèse d'ATP lorsqu'elles étaient illuminées.

Ce système simple, ne contenant rien de plus qu'une membrane fermée, une molécule établissant un gradient H +, et l'enzyme ATPase, apporte la preuve concluante que les gradients H + peuvent fournir l'énergie nécessaire à la synthèse d'ATP.

Des expériences avec des systèmes de transport actif pilotés par l'ATPase soutiennent également clairement l'idée que les gradients d'ions peuvent servir de sources d'énergie pour la synthèse d'ATP. Normalement, les pompes entraînées par l'ATPase, telles que le système Na + , K + -ATPase de la membrane plasmique, décomposent l'ATP et utilisent l'énergie libérée pour établir un gradient ionique.

Cependant, les pompes peuvent fonctionner à l'envers. L'imposition d'un gradient d'ions artificiellement élevé peut entraîner le fonctionnement en arrière du système enzymatique de la pompe et la synthèse d'ATP à partir d'ADP et de phosphate inorganique. Ces expériences montrent directement que l'énergie d'un gradient d'ions peut être utilisée pour piloter la synthèse d'ATP.

Prises ensemble, les diverses expériences testant l'hypothèse chimiosmotique établissent au-delà de tout doute raisonnable dans le transport d'électrons dans les mitochondries établit un gradient H +, et que le gradient fournit à son tour la source d'énergie pour la synthèse mitochondriale d'ATP.

Problèmes avec les détails de l'hypothèse de Mitchell :

Alors que les principes majeurs et fondamentaux de l'hypothèse chimiosmotique sont clairement étayés par l'expérience, certains détails du modèle restent controversés. Le plus important d'entre eux est le mécanisme du cycle Q pour expulser les ions H + à travers les membranes mitochondriales. Pour l'instant, aucune preuve ne soutient l'arrangement et la séquence inhabituels des porteurs d'électrons nécessaires à ce mécanisme.

D'autres difficultés découlent de l'hypothèse de Mitchell selon laquelle le 6H + sera expulsé à travers la membrane pour chaque paire d'électrons traversant toute la chaîne du NAD à l'oxygène. La mesure réelle indique que 6H + peut être expulsé pour chaque électron traversant la séquence porteuse, ou 12H + par paire d'électrons.

Dans un autre sens, cependant, trouver un ratio plus élevé que prévu soutient d'autres principes plus fondamentaux du modèle de Mitchell. Un problème persistant avec le modèle a été que, avec seulement 6H + expulsé pour chaque paire d'électrons traversant la chaîne, la plupart des calculs (sauf pour Mitchell’s) ont montré que le gradient H + créé ne serait pas assez élevé pour alimenter la synthèse de les trois molécules d'ATP se forment lorsqu'une paire d'électrons parcourt l'intégralité du trajet du NAD à l'oxygène.

Augmenter le niveau à 4-5 H + expulsé par électron, ou 8-10 H + par paire d'électrons, créerait un gradient suffisamment élevé pour satisfaire tous les calculs de l'énergie requise. Ces difficultés sont cependant relativement mineures et n'enlèvent rien au fait que dans sa brillante hypothèse, Mitchell a réussi à déduire le mécanisme biochimique sous-jacent à la phosphorylation oxydative.

L'hypothèse conformationnelle :

L'hypothèse conformationnelle de P.D. Boyer présente un intérêt particulier car il fournit une explication possible des détails de la synthèse d'ATP dans l'hypothèse chimiosmotique. L'idée de Boyer est basée sur le modèle actuellement accepté pour la génération de force dans le muscle. Dans le muscle, la myosine, une molécule ayant une activité ATPase, modifie sa conformation ou son schéma de repliement à mesure qu'elle se lie et hydrolyse l'ATP.

Le changement de conformation impose une contrainte sur des parties de la myosine, qui est soulagée par le mouvement physique d'une partie de la molécule. Le mouvement est multiplié par les millions de molécules de myosine impliquées et se traduit par un mouvement de l'ensemble du muscle. Dans le système musculaire, par conséquent, la dégradation de l'ATP est considérée comme une cause de tension et de mouvement.

Dans l'application par Boyer de ce mécanisme à la phosphorylation oxydative, ce processus fonctionne en transport inverse d'électrons et le gradient H + résultant conduit à un changement de conformation de l'ATPase mitochondriale, produisant une contrainte dans la structure de la molécule. Cette souche est soulagée par la synthèse d'ATP.

Les changements de conformation peuvent être importants dans la synthèse d'ATP, comme le suggère Boyer. Ils peuvent également être importants dans les mécanismes établissant le gradient de pH par le transport d'électrons. Par exemple, l'expulsion de H + à travers les membranes des crêtes pourrait être due à des changements de conformation des protéines porteuses.

Dans ce cas, un cycle de réduction et d'oxydation d'une molécule porteuse (ou d'un complexe de porteurs) pourrait conduire à un changement de conformation exposant un groupe chimique porteur de H + tel qu'un carboxyle (-COON) à une surface de la membrane. Dans la nouvelle position, le groupe pourrait se dissocier plus facilement, entraînant la libération de H + de ce côté de la membrane.

Emplacement des composants des systèmes de transport d'électrons et de synthèse d'ATP :

Les molécules assurant le transport des électrons et la synthèse de l'ATP ont été identifiées avec les membranes des crêtes par des expériences suivant la répartition de l'activité biochimique après rupture des mitochondries. À faible concentration, un détergent tel que la digitonine brise la membrane mitochondriale externe sans endommager la membrane interne. Les membranes peuvent ensuite être purifiées séparément par centrifugation.

Après le retrait des membranes externes, la capacité de transport d'électrons reste avec les membranes des crêtes tant que les vésicules fermées intactes sont conservées. Tous les divers composants du transport d'électrons et de la synthèse d'ATP sont liés aux membranes des crêtes, plutôt qu'en suspension en solution dans la matrice.

L'application d'une batterie étendue de techniques plus récentes a commencé à révéler les emplacements et la disposition de ces composants dans les membranes des crêtes. La plus productive de ces méthodes utilise des vésicules isolées des membranes mitochondriales internes orientées à l'endroit ou à l'envers.

Ces vésicules ont été testées par trois sondes différentes :

(1) Anticorps développés contre divers composants des systèmes de transport d'électrons et de synthèse d'ATP

(2) Réactifs qui modifient chimiquement ou attachent des marqueurs radioactifs aux parties de protéines exposées sur les surfaces membranaires internes ou externes, et

(3) Accepteurs ou donneurs d'électrons non pénétrants qui réagissent spécifiquement avec des porteurs individuels du système de transport d'électrons.

Aucune des sondes utilisées ne peut pénétrer à travers les membranes des mitochondries. Fondamentalement, les sondes testent laquelle des deux surfaces des membranes mitochondriales internes, soit le côté faisant face à la matrice (la face M) ou le côté faisant face à l'espace membranaire (la face IM), porte des parties exposées des molécules « reconnues » 8221 par les sondes.

Le travail avec le cytochrome a est un bon exemple de l'approche et les conclusions ont été tirées. Les anticorps fabriqués contre le cytochrome a interagissent avec la face IM, mais pas la face M, des vésicules dérivées des crêtes mitochondriales.

La polylysine, un réactif capable de se lier aux parties de protéines exposées à la surface des membranes, se lie au cytochrome a seulement est appliqué aux vésicules avec la face IM exposée. A partir de cette information, le cytochrome a se voit attribuer un emplacement asymétrique dans les membranes des crêtes, dans la bicouche membranaire à moitié tournée vers l'espace inter-membranaire.

Combinaison des résultats de plusieurs laboratoires, notamment ceux de Racker et R.A. Capaldi révèle que la plupart des molécules fonctionnant dans le transport d'électrons et la synthèse d'ATP partagent le cytochrome en tant qu'orientation unilatérale et ne font face qu'à l'une des deux surfaces membranaires mitochondriales internes. La seule exception est l'acide succinique déshydrogénase, l'enzyme portant le FAD en tant que groupe prothétique, qui traverse apparemment la membrane et a des parties exposées sur les deux surfaces.

Le site actif de l'enzyme, cependant, ne réagit avec l'acide succinique que sur la face M et est évidemment dirigé vers cette face. La localisation de la coenzyme Q, le seul porteur d'électrons non lié à une protéine, s'est avérée difficile. La plupart des expériences indiquent que Q est entièrement enfoui dans la membrane. Chance, par exemple, a observé que le cycle quinone de la coenzyme Q ne pouvait réagir qu'avec des réactifs possédant des groupes hydrophobes pouvant pénétrer à l'intérieur de la membrane.

La comparaison des rapports absolus obtenus lorsque les composants du système de transport d'électrons sont extraits et purifiés révèle que les porteurs individuels se produisent dans les membranes des crêtes dans les rapports 1 FAD : 1 FMN : 7-10 coenzyme Q : 2 cytochrome b : I cytochrome c1: 2 cytochrome c : 2 cytochrome x : 2 cytochrome a3.

Les informations provenant de cette approche et d'autres indiquent également qu'il existe un complexe ATPase pour chaque système de transport d'électrons. Ces rapports suggèrent que les porteurs sont couplés en unités qui contiennent les porteurs individuels dans des proportions fixes, ainsi qu'un complexe de synthèse d'ATP par unité.

Si tel est le cas, il est intéressant de noter que les proportions des porteurs ne sont apparemment pas liées au fait que les porteurs individuels transportent des électrons seuls ou par paires. C'est-à-dire que les porteurs d'électrons simples et paires ne sont pas nécessairement présents dans un rapport de 2: 1, comme on pourrait s'y attendre.

Emplacement des autres composants du métabolisme oxydatif dans les mitochondries :

Tous les enzymes et substrats du cycle de l'acide citrique, sauf un, et le complexe enzymatique effectuant l'oxydation de l'acide pyruvique, sont libérés de l'intérieur des mitochondries immédiatement lors de la rupture des membranes mitochondriales internes. Cependant, l'élimination de la membrane externe seule ne libère pas ces facteurs.

Par conséquent, ces enzymes et substrats sont considérés comme étant en solution dans la matrice dans le compartiment enfermé par la membrane interne. La seule exception est l'acide succinique déshydrogénase, qui, avec son groupe prosthétique (FAD), fait partie du système de transport d'électrons et est étroitement liée aux membranes des crêtes en tant que protéine membranaire intégrale.

L'activité enzymatique de la membrane mitochondriale externe est relativement limitée. Une enzyme, associée à l'oxydation des acides aminés, une amine oxydase, est si caractéristique de la membrane mitochondriale externe qu'elle est utilisée comme marqueur pour identifier cette fraction membranaire dans des préparations isolées. D'autres enzymes ont également été identifiées au sein des membranes externes, notamment le complexe oxydant l'acide pyruvique.

Compte tenu de l'extrême complexité et de la variété des systèmes enzymatiques présents dans les mitochondries, qui, en plus des enzymes oxydatives, comprennent également des installations complètes pour la synthèse de l'ADN et des protéines, ces organites sont probablement les structures les plus biochimiquement compliquées et les plus capables à l'intérieur des cellules animales. Dans les cellules végétales, ils n'ont d'égal que les chloroplastes, sont également divers dans leur activité biochimique.

Les graisses et les protéines peuvent servir de carburants cellulaires. Avant leur oxydation cellulaire, ces molécules relativement grosses sont d'abord divisées en unités plus petites : les graisses en glycérol et les acides gras et les protéines en acides aminés. Les unités plus petites sont ensuite oxydées dans des réactions qui se déroulent principalement à l'intérieur des mitochondries. Les acides aminés individuels dérivés de l'hydrolyse des protéines sont oxydés dans une variété de voies.

Ces voies, en fonction de l'acide aminé particulier, finissent par produire des produits qui entrent dans la ligne principale d'oxydation des glucides sous forme d'acide pyruvique, d'acétyl coenzyme A ou d'intermédiaires du cycle de Krebs. Dans le cadre des voies menant à ces points d'entrée, les acides aminés sont désaminés (le -NH2 groupe est supprimé).

Les produits de dégradation des graisses et des protéines entrent ainsi dans la voie centrale des glucides pour être oxydés en CO2 et H2O principalement dans les mitochondries résume ces routes. Le rôle central joué par la coenzyme A en tant que transporteur canalisant les produits de différentes voies dans le cycle Curbs.

Le produit final de toutes ces réactions qui est important pour l'activité cellulaire est l'ATP. Des voies oxydatives supplémentaires importantes sont résumées dans les suppléments. Le supplément décrit la voie des pentoses phosphates, une voie alternative pour l'oxydation des glucides qui sert également de source de sucres à cinq carbones. Voies supplémentaires pour l'oxydation des graisses et des acides aminés, se déroulant dans les microorganismes (peroxysomes et glyoxisomes).

Intégration de l'activité mitochondriale avec l'environnement cellulaire:

Transport mitochondrial:

Les voies réactionnelles de l'oxydation de l'acide pyruvique, de la dzidation des acides gras et du cycle de Krebs sont situées à l'intérieur de la matrice mitochondriale. Comment les substrats de ces réactions et le couple ADP-ATP sont-ils transportés dans et hors des mitochondries ? La membrane mitochondriale externe est librement perméable à la plupart des molécules organiques et inorganiques avec des poids moléculaires jusqu'à environ 5000. Les deux membranes mitochondriales admettent librement H2oh, oh2, et Cie2.

Cependant, la membrane mitochondriale interne entourant la matrice est presque complètement imperméable à la plupart des substances hydrophiles, à l'exception d'un groupe de molécules qui sont transportées par des systèmes porteurs spécifiques.

Plusieurs de ces systèmes ont été identifiés et examinés dans LaNoue et Schoolwerth. L'un, appelé transporteur de nucléotides d'adénine, échange l'ATP contre l'ADP dans les deux sens à travers la membrane mitochondriale interne.

Un autre mécanisme porteur fait passer les électrons transportés par le NAD réduit à l'extérieur vers le NAD à l'intérieur de la mitochondrie. D'autres transporteurs spécifiques transportent des intermédiaires des différentes voies oxydatives situées dans la matrice, notamment le phosphate inorganique, les dérivés d'acides gras, l'acide pyruvique, divers acides aminés et les acides du cycle Curbs.

Divers éléments de preuve indiquent que les supports membranaires internes sont des protéines. Ils sont très spécifiques des molécules ou groupes moléculaires transportés et présentent une saturation à des concentrations élevées des substances transportées.

Certaines des protéines porteuses, y compris le transporteur nucléotidique d'adénine échangeant l'ATP contre l'ADP à travers la membrane interne ont été isolées et partiellement purifiées. L'ajout de la protéine porteuse nucléotidique aux bicouches phospholipidiques artificielles transfère une capacité de transport limitée d'ATP-ADP aux bicouches.

La plupart des systèmes de transport de la membrane interne sont actifs et nécessitent donc de l'énergie pour leurs fonctions. Dans les mitochondries, les porteurs sont évidemment entraînés par le gradient H + mis en place à travers la membrane interne par le transport d'électrons.

L'activité du système de transport d'électrons expulse les ions H + dans le compartiment intermembranaire, créant le gradient H +. La diffusion des ions H + dans la matrice est étroitement liée au transport vers l'intérieur des substances admises par les supports membranaires internes.Le transport de ces substances s'effectue donc par la voie de co-transport lié à H+.

Régulation de l'oxydation mitochondriale :

Le taux d'oxydation mitochondriale est régulé par un système de contrôles au sein de la cellule. Parmi ceux-ci, le plus important est basé sur la concentration d'ADP dans le milieu entourant la mitochondrie. À mesure que la concentration d'ADP augmente, la phosphorylation de l'ADP en ATP commence à l'intérieur des mitochondries. Cette phosphorylation est étroitement couplée au transport des électrons lorsque la phosphorylation a lieu, les électrons circulent sans restriction du NAD vers l'oxygène et l'extrémité NAD de la chaîne de transport devient relativement oxydée.

Le NAD, une fois oxydé, est libre de se recycler comme accepteur d'électrons dans les réactions oxydant les substrats du cycle de Krebs. Ce système lie étroitement le taux d'oxydation dans le cycle de Krebs à la concentration d'ADP dans la cellule.

Si l'activité cellulaire est limitée, la concentration d'ATP restera élevée et l'ADP deviendra indisponible pour le complexe enzymatique de synthèse d'ATP dans les membranes des crêtes. En conséquence, les réactions de synthèse d'ATP et le transport d'électrons s'arrêteront.

Selon l'hypothèse de Mitchell, l'arrêt du transport des électrons est dû à une accumulation du gradient H + qui n'est pas soulagée par la synthèse d'ATP. Le gradient s'accumule progressivement jusqu'à ce qu'il atteigne des niveaux suffisamment élevés pour s'opposer à une nouvelle expulsion de H + à travers les membranes des crêtes par le système de transport d'électrons. En conséquence, le transport des électrons et, à son tour, l'oxydation dans le cycle de Krebs s'arrêtent.

Le contrôle de la glycolyse peut également être lié à l'activité mitochondriale à travers le cycle d'oxydation-réduction du NAD extra mitochondrial. Le maintien de la glycolyse dépend de la réoxydation du NAD réduit dans la séquence.

Grâce aux systèmes de navette NAD, le NAD mitochondrial réduit supplémentaire peut transférer ses électrons au NAD ou au FAD à l'intérieur de la mitochondrie pour se réoxyder et revenir à la glycolyse. Le passage des électrons à travers les systèmes de navette dépend de la disponibilité de NAD ou FAD oxydé à l'intérieur de la mitochondrie.

Cela dépend à son tour du taux de transport des électrons et de la concentration en ADP. Au fur et à mesure que les cellules exercent leurs activités principales, y compris la croissance, le mouvement et la réponse à leur environnement, l'ATP est hydrolysé en ADP.

L'augmentation de la concentration en ADP provoque une augmentation du taux d'oxydation dans la mitochondrie et la concentration en ATP est restaurée. L'ensemble des différentes activités, de la glycolyse à la synthèse, existe ainsi comme un système délicatement équilibré, dans lequel l'Oxydatif


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Matériaux et méthodes

Culture cellulaire et produits chimiques

Les cellules HUVEC (human ombilic vein endothelial) en culture primaire ont été obtenues auprès de Clonetics (BioWhittaker Inc, Walkersville, MD, USA), les astrocytes corticaux de P. Cuddon (Babraham Institute), les cellules acineuses pancréatiques ont été aimablement fournies par le Dr P. Thorn (Department of Pharmacologie, Université de Cambridge, Royaume-Uni), le neuroblastome SH-SY5Y et les cellules COS-7 par le Dr K. Anderson (Institut Babraham) et les cellules PAE par le Dr H. Roderick (Institut Babraham). Pour les cellules HeLa, SH-SY5Y, PAE et COS-7, la culture cellulaire a été réalisée comme décrit précédemment (Bootman et al., 1994).

Pour les études d'imagerie, le milieu de culture a été remplacé par un milieu extracellulaire (EM) contenant (mmol l -1 ) : NaCl, 121 KCl, 5.4MgCl2, 0,8 CaCl2, 1,8 NaHCO3, 6,0 d-glucose, 5,5 Hepes, 25 pH 7,3. Tous les colorants fluorescents ont été obtenus auprès de Molecular Probes (Oregon, USA).

Les cellules ont été transfectées avec du DsRed1 mitochondrial ciblé (mito-DsRed1) de Clontech (Palo Alto, CA, USA) avec le réactif de transfection Effectene (Qiagen, Crawley, UK), en suivant le protocole recommandé par les fabricants.

Reconstitution 3D

zDes piles de séries de cellules exprimant mito-DsRed1 et chargées d'ester éthylique de tétraméthyl rhodamine (TMRE) ont été acquises avec un Bio-Rad MRC1024 LSCM (Hemel Hempsted, Royaume-Uni). La restauration d'image ultérieure a été réalisée avec le logiciel de déconvolution AutoDeblur (Autoquant, New York, États-Unis) en utilisant l'algorithme de déconvolution aveugle « Power accelerated ». L'analyse et le traitement des images ont été effectués avec le logiciel du domaine public ImageJ (NIH, http://rsb.info.nih.gov/ij). Les images rendues en surface à un seul canal ont été traitées avec ImageJ exécutant le plugin VolumeJ (M. Abràmoff http://www.isi.uu.nl/people/michael/vr.htm).

Pour les expériences FRAP illustrées sur la figure 2, les zones cellulaires des mitochondries périnucléaires (généralement de 25 à 100 m 2 ) ont été blanchies avec un Bio-Rad MRC1024 LSCM en zoomant brièvement numériquement dans la région d'intérêt avec une intensité laser améliorée. La procédure de blanchiment a été poursuivie jusqu'à ce que l'intensité de fluorescence de la région à blanchir ait atteint zéro. Cela prenait généralement 5 à 15 s.

Analyse FRAP de la continuité luminale mitochondriale. (Ai-iv) La fluorescence DsRed1 dans une cellule HeLa avant et 10 s, 20 min et 60 min après photoblanchiment d'une petite zone de mitochondries dans l'agrégation périnucléaire (indiquée par un cadre blanc). (Av) À 60 min après le photoblanchiment, 1 mol 1 -1 de TMRE a été ajouté aux cellules pendant 5 min. Les mitochondries qui n'ont pas réussi à récupérer la fluorescence DsRed1 dans Av ont été colorées avec TMRE, indiquant que leur intégrité fonctionnelle n'a pas été compromise pendant l'irradiation laser. Notez que l'intensité du laser a été réduite de 33% en Av par rapport à Ai-iv, pour empêcher la production d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) et l'ouverture des pores de transition de perméabilité (PTP). Voir le texte pour les détails. (Bi-v) La fluorescence DsRed1 dans un astrocyte cortical avant et 10 s, 20 min et 60 min après photoblanchiment de la zone indiquée par la boîte blanche dans Bi. (Bii-v) La région de la cellule délimitée par la ligne brisée en A sur une échelle agrandie. Barres d'échelle, 5 m.

Analyse FRAP de la continuité luminale mitochondriale. (Ai-iv) La fluorescence DsRed1 dans une cellule HeLa avant et 10 s, 20 min et 60 min après photoblanchiment d'une petite zone de mitochondries dans l'agrégation périnucléaire (indiquée par un cadre blanc). (Av) À 60 min après le photoblanchiment, 1 mol 1 -1 de TMRE a été ajouté aux cellules pendant 5 min. Les mitochondries qui n'ont pas réussi à récupérer la fluorescence DsRed1 dans Av ont été colorées avec TMRE, indiquant que leur intégrité fonctionnelle n'a pas été compromise pendant l'irradiation laser. Notez que l'intensité du laser a été réduite de 33% en Av par rapport à Ai-iv, pour empêcher la production d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) et l'ouverture des pores de transition de perméabilité (PTP). Voir le texte pour les détails. (Bi-v) La fluorescence DsRed1 dans un astrocyte cortical avant et 10 s, 20 min et 60 min après photoblanchiment de la zone indiquée par la boîte blanche dans Bi. (Bii-v) La région de la cellule délimitée par la ligne brisée en A sur une échelle agrandie. Barres d'échelle, 5 m.


  1. Mémoire sur la découverte des mitochondries
  2. Document à terme sur l'origine des mitochondries
  3. Mémoire sur la distribution des mitochondries
  4. Mémoire sur la plasticité des mitochondries
  5. Mémoire sur la morphologie des mitochondries
  6. Dissertation sur la structure des mitochondries
  7. Document à terme sur le rôle des mitochondries dans la formation du jaune
  8. Mémoire sur les Cristae Mitochondriaux
  9. Mémoire sur les particules mitochondriales
  10. Mémoire sur l'isolement des mitochondries
  11. Dissertation sur l'isolement des composants sous-mitochondriaux
  12. Dissertation sur la matrice mitochondriale
  13. Mémoire sur la biochimie des mitochondries

Dissertation # 1. Découverte des mitochondries :

Les mitochondries se trouvent dans toutes les cellules eucaryotes capables d'utiliser l'oxygène. On les trouve donc dans la levure en croissance aérobie, dans les protozoaires et dans pratiquement toutes les cellules des plantes et des animaux supérieurs. Ces organites importants ont été intensivement étudiés pendant plus d'un siècle, mais ce n'est que ces dernières années que nous avons commencé à comprendre comment ils fonctionnent réellement. Et, bien sûr, toutes les questions n'ont pas encore trouvé de réponse.

La première description des mitochondries a peut-être été faite par A. Kolliker, qui en 1857 les a décrites comme les « sarcosomes » du muscle. Beaucoup plus tard, il a pu montrer que les mitochondries du muscle sont des entités individuelles et non connectées directement à d'autres parties de la cellule. Cependant, ce n'est qu'après l'application de procédures de coloration appropriées par Altmann dans les dernières années du XIXe siècle qu'il est devenu possible de faire des descriptions détaillées de la distribution mitochondriale.

À partir de ces études, Altmann a conclu que les mitochondries sont des organismes autonomes vivant dans le cytoplasme d'une cellule hôte. Beaucoup doutaient de cette théorie et tenaient à la notion moderne selon laquelle ils font partie intégrante de la cellule elle-même. Néanmoins, on soupçonne maintenant que les mitochondries sont, en fait, les descendants hautement révolutionnés de bactéries qui vivaient autrefois en symbiose dans les cellules supérieures.

La fonction de ces organites a fait l'objet de nombreux débats au cours des premières décennies de ce siècle. En 1912, B.F. Kingsbury a proposé qu'ils pourraient être les sites de respiration cellulaire, c'est-à-dire les sites d'utilisation de l'oxygène.

Il avait tout à fait raison, bien sûr, bien que la preuve directe ait dû attendre le développement, principalement par George Palade et ses associés à l'Université Rockefeller, de méthodes améliorées d'isolement des composants cellulaires. En 1950, cependant, il a été reconnu que les mitochondries ne sont pas seulement les sites de la respiration cellulaire, mais aussi la principale source de production d'ATP dans les cellules animales aérobies.

Dissertation # 2. Origine des mitochondries :

Notre compréhension du processus de production des mitochondries est encore très incomplète.

Lehninger a classé les différentes théories des voies possibles de la genèse des mitochondries) en trois groupes principaux :

(1) Formation à partir d'autres structures membraneuses dans la cellule,

(2) Croissance et division de mitochondries préexistantes.

(3) Synthèse de novo à partir de précurseurs submicroscopiques.

(1) Formation à partir d'autres structures membranaires dans la cellule :

La formation de mitochondries par pincement ou bourgeonnement à partir de structures cellulaires préexistantes a été suggérée pour une gamme de membranes cellulaires, notamment celles de la membrane plasmique, du réticulum endoplasmique, de l'enveloppe nucléaire et du complexe de Golgi. Mais le soutien d'une telle preuve, en l'absence de données biochimiques à l'appui, ne peut pas être entièrement concluant.

Une partie du problème réside sans aucun doute dans notre connaissance fragmentaire de la structure, de la composition et des différences entre les membranes cellulaires en général. En effet, les similitudes discutées dans la littérature entre la membrane mitochondriale et le réticulum endoplasmique, pourraient donner du poids à l'idée que les mitochondries se forment probablement lorsque le cytoplasme pénètre dans une cavité entourée d'une membrane interne, qui ensuite « pince » et se sépare de la système continu.

(2) Croissance et division des mitochondries préexistantes :

Les preuves au microscope électronique de la division mitochondriale par fission, bien qu'abondantes soient difficiles à évaluer, le danger de produire des artefacts est très réel en raison des agents chimiques et physiques agressifs exercés sur le matériau d'essai pendant le traitement. L'interprétation n'est pas facilitée par la capacité des mitochondries à subir des changements de forme extrêmes in vivo qui peuvent ou non être associés à la fission mitochondriale.

Il existe de nombreux rapports de mitochondries reliées les unes aux autres par des ponts membranaires étroits, en particulier dans les tissus à monopolisation rapide, et on pense que de telles figures peuvent représenter des mitochondries à un stade précoce de la fission.

En observant des coupes en série de foie de rat, Stempak (1967) a pu montrer que les mitochondries "en forme de cloche muette" peuvent être les coupes de corps en forme de coupe. De tels corps ont également été observés dans des tissus de fougère à croissance rapide et peuvent représenter les premiers stades de la division.

Un stade précoce, la division mitochondriale peut impliquer la séparation du contenu mitochondrial en deux ou plusieurs compartiments. La présence de mitochondries avec des "partitions" internes a été formée dans plusieurs types de cellules, bien que la possibilité qu'elles soient des manifestations de la fusion mitochondriale ne peut pas être facilement exclue.

Lafontaine et Allard ont présenté des micrographies électroniques de mitochondries de foie de rat qui présentent ce qui semble être des cloisons divisant le complexe membranaire interne en deux masses, le tout étant entouré d'une membrane externe continue.

Tandler et al. a démontré les partitions des mitochondries dans le foie qui se remettait d'une carence en riboflavine.

(3) Synthèse De Novo :

La possibilité d'une synthèse de novo des mitochondries est apparue lors d'expériences au début du siècle, lorsque des mitochondries contenant des larves se sont développées à partir du cytoplasme d'œufs d'oursins qui avaient apparemment été libérés des mitochondries par centrifugation. microscope, il a été montré plus tard, que les mitochondries ne pouvaient pas être délogées par centrifugation de l'œuf.

Après tout, les mitochondries étaient probablement présentes à l'extrémité centripète de l'ovule, et ces mitochondries auraient pu servir de précurseurs dans la production mitochondriale ultérieure. Un certain nombre de points de vue ont été décrits, concernant la génération de mitochondries dans le cytoplasme de différents types de cellules. Mais il n'est peut-être pas judicieux de regrouper les preuves en fonction de l'une ou l'autre d'un nombre limité de méthodes bien définies par lesquelles les mitochondries pourraient se répliquer.

La situation réelle est probablement complexe et il se peut fort bien que différentes méthodes de réplication aient lieu dans différents tissus et à différents stades de développement. On pourrait imaginer que les mitochondries précoces se forment à partir de structures membranaires dans l'embryon en développement. Une concentration de mitochondries autour de la membrane nucléaire a été notée dans les tissus embryonnaires de plusieurs phylums et la formation de mitochondries à partir de cette membrane pourrait impliquer le transfert d'informations génétiques nucléaires essentielles pour les mitochondries ultérieures. croissance et multiplication par division.

La multiplication des mitochondries pourrait alors procéder par incorporation de grosses molécules préfabriquées et association de molécules, avec division par fission, lorsque les mitochondries atteignaient un stade critique.

Origine procaryote des mitochondries :

Le fait que les mitochondries puissent croître, se diviser et être capables de mutations, soutient une vision de longue date selon laquelle les mitochondries sont originaires de leur hôte. Les bactéries seraient à l'origine des mitochondries et des algues bleu-vert, les chloroplastes.

Il existe de nombreuses homologies entre les mitochondries et les bactéries. Chez les bactéries, le système de transport d'électrons est localisé dans la membrane plasmique qui peut être comparée à la membrane interne des mitochondries. Certaines bactéries ont même des projections membranaires s'étendant de la membrane plasmique qui sont comparables aux crêtes mitochondriales puisque toutes deux contiennent la chaîne respiratoire.

La membrane interne et la matrice, il a été postulé, peuvent représenter le symbiote original qui peut devenir enfermé dans une membrane d'origine cellulaire (ER). De plus, l'ADN mitochondrial est circulaire, il se réplique et se divise comme celui des bactéries. On trouve également des ribosomes qui sont cependant plus petits que ceux des bactéries. Dans les mitochondries et les bactéries, la synthèse des protéines est inhibée par le chloramp­henicol.

À partir de ces similitudes, on peut facilement concevoir que les mitochondries ont évolué à partir d'un ancien procaryote possédant tous les attributs d'un organisme indépendant, probablement aérobie.

Cependant, avec l'adaptation sur une longue période, il est devenu un symbiote essentiel et dépendant, a perdu même son identité à la cellule, et inversement, la cellule hôte a perdu certaines de ses fonctions, la dérivant maintenant de l'endosymbionte ou de la mitochondrie. En conséquence, les deux sont devenus des symbiotes obligatoires l'un pour l'autre.

Cette hypothèse symbiotique pour l'origine des mitochondries et des plastes a atteint une grande popularité, mais tous les biologistes ne l'acceptent pas nécessairement. Raff et Mahler ont conclu que “alors que la théorie symbiotique peut être esthétiquement agréable, ce n'est pas convaincant.”

Ils ont présenté de nombreuses preuves et ont proposé que les mitochondries soient apparues par le blobbing vers l'intérieur de la membrane plasmique, par l'acquisition d'une manière ou d'une autre d'une membrane externe et par l'acquisition supplémentaire d'un génophore d'ADN à partir de l'ADN du proto-eucaryote dans lequel l'évolution de mitochondrie s'est produite. Borst a proposé une théorie de l'épisone et supposé que l'ADN de la mitochondrie quittait l'ADN « nucléaire » par une sorte d'amplification pour être cartographié à l'intérieur d'une membrane contenant la chaîne respiratoire.

Dissertation n° 3. Distribution des mitochondries :

Normalement, les mitochondries sont réparties uniformément dans le cytoplasme. Ils peuvent cependant être localisés dans certaines régions. Dans les tubules contournés proximaux du rein, ils se trouvent dans la région basale de la cellule, en face des capillaires rénaux. Dans les muscles squelettiques, ils se situent entre les myofibrilles.

Dans le muscle du vol des insectes, plusieurs grandes mitochondries sont en contact avec chaque fibrille. Dans le muscle cardiaque, les mitochondries sont situées dans des fentes entre les myofibrilles, de nombreuses gouttelettes lipidiques sont associées aux mitochondries. Dans de nombreux spermatozoïdes, les mitochondries fusionnent en une ou deux structures qui se trouvent dans la partie médiane de la queue, entourant le filament arille. Dans les cellules colonnaires ou prismatiques, elles sont orientées parallèlement au grand axe de la cellule. Dans les leucocytes, ils sont disposés radialement.

Disposition des mitochondries au sein de la cellule :

Les mitochondries se produisent souvent en association étroite avec des structures qui utilisent l'ATP qu'elles produisent ou fournissent aux mitochondries des substrats oxydables. Deux exemples frappants de tels arrangements sont présentés. Dans l'un, les mitochondries des cellules musculaires sont alignées à côté des fibrilles qui utilisent l'ATP pendant la contraction musculaire.

Dans l'autre, une mitochondrie est représentée entourant une gouttelette lipidique contenant des acides gras destinés à l'oxydation mitochondriale. Dans les micrographies électroniques à section mince, les mitochondries apparaissent généralement sous la forme de profils ellipsoïdes ou ovales mesurant plusieurs micromètres de long et de 0,5 à 1,0 m de diamètre.

L'apparition généralisée du profil ellipsoïde a conduit à croire que les mitochondries perdues sont en forme de saucisse et que les cellules typiques contiennent de plusieurs centaines à quelques milliers de telles structures, cependant, cette opinion communément admise a été contestée par les fans-Peter.

Hoffman et Charlotte Avers, dont les travaux sur les cellules orientales ont révélé que la forme tridimensionnelle des mitochondries dans les cellules intactes ne peut être déduite de l'examen de quelques micrographies individuelles à coupe mince. Après avoir examiné une série consécutive de micrographies obtenues en sectionnant une cellule entière de levure d'un bout à l'autre, ces chercheurs ont pu construire un modèle tridimensionnel de mitochondries de levure en assemblant tous les profils mitochondriaux observés dans les sections individuelles.

L'autre résultat surprenant était que les profils ellipsoïdes observés dans les sections minces individuelles se sont tous avérés être dérivés de sections transversales à travers une seule grande mitochondrie largement ramifiée. Lorsque cette approche expérimentale a été appliquée à d'autres cellules eucaryotes, il a de nouveau été constaté que de nombreux profils mitochondriaux observés sur des micrographies à coupe mince représentent des portions de systèmes mitochondriaux plus grands et interconnectés.De tels résultats suggèrent que le nombre de mitochondries par cellule est considérablement plus petit qu'on ne le croyait.

La conclusion que les mitochondries forment de grands systèmes interconnectés est en outre étayée par la microscopie à contraste de phase des cellules vivantes, où le problème de la section est éliminé. Parce que les segments interconnectés de ces grandes mitochondries ramifiées semblent être dans un état de flux, se pincent et se fusionnent continuellement, le concept du «nombre» de mitochondries par cellule peut en fait être dénué de sens.

Dans les fractions subcellulaires isolées, les mitochondries apparaissent de petites structures séparées de taille relativement uniforme. Il semble probable, cependant, que ces « mitochondries » individuelles soient des artefacts causés par la perturbation du réseau mitochondrial ramifié et interconnecté pendant l'homogénéisation. Ce type de réarrangement membranaire est similaire au processus de fragmentation qui provoque la fragmentation des membranes du réticulum endoplasmique en vésicules microsomales lors du fractionnement sous-cellulaire.

Dissertation # 4. Plasticité de Mitochondrie :

Lewis et Lewis ont conclu que les mitochondries sont des corps extrêmement variables, qui se déplacent et changent continuellement de forme dans le cytoplasme. Il n'y a pas de types définis de mitochondries, car un type peut se transformer en un autre.

Ils semblent apparaître dans le cytoplasme et être épuisés par l'activité cellulaire. La forme peut changer quinze à vingt fois en dix minutes, elle peut être modifiée par la chaleur, les milieux hypotoniques et hypotoniques ou par les acides, les solvants gras, le permanganate de potassium et les changements osmotiques. Frédéric, Littre, Tobioka et Biesels ont étudié l'effet d'un grand nombre d'agents chimiques et physiques sur le comportement mitochondrial. Certains matériaux, tels que les détergents, montrent un certain effet in vivo comme sur les mitochondries isolées des homogénats.

Dissertation # 5. Morphologie des mitochondries :

La forme est variable mais est caractéristique d'un type de cellule ou de tissu, cela dépend également de l'environnement ou des conditions physiologiques. En général, ils sont filamenteux ou granuleux. Ils peuvent gonfler à une extrémité pour devenir en forme de massue ou se creuser à une extrémité pour prendre la forme de tentes-raquettes. Ils peuvent devenir vésiculaires par l'apparition d'une zone claire centrale. Des mitochondries en forme de bâtonnets sont également observables.

La taille des mitochondries varie également. Dans la majorité des cellules, la largeur est relativement constante, environ 0,5μ, mais la longueur varie et, parfois, atteint un maximum de 7μ. La taille de la cellule dépend également du stade fonctionnel de la cellule. Des mitochondries très fines, environ 0,2μ, ou des tiges épaisses de 2μ sont également observées.

La taille et la forme des mitochondries fixées sont déterminées par la pression osmotique et le pH du fixateur. En acide, les mitochondries à pH se fragmentent et deviennent vésiculaires. Les mitochondries, dans le foie de rat, ont généralement une longueur de 3,3 pouces dans le pancréas exocrine des mammifères, elles mesurent environ 10 pouces de longueur et dans les ovocytes d'amphibiens, elles mesurent environ 20 à 40 pouces.

Les mitochondries se trouvent dans le cytoplasme de toutes les cellules à respiration aérobie, à l'exception des bactéries dans lesquelles les enzymes respiratoires sont situées dans la membrane plasmique. Le contenu en mitochondries d'une cellule est difficile à déterminer, mais en général, il varie selon le type cellulaire et le stade fonctionnel. On estime que dans le foie, les mitochondries constituent 30 à 35 pour cent de la teneur totale en protéines de la cellule et du rein, 20 pour cent.

Dans le tissu lymphoïde, la valeur est beaucoup plus faible. Dans les homogénats de foie de souris, il y a environ 8,7 × 10 10 mitochondries par gramme de tissu frais. Une cellule hépatique normale contient environ 1000 à 1600 mitochondries, mais ce nombre diminue au cours de la régénération et également dans les tissus cancéreux.

Cette dernière observation peut être liée à une diminution de l'oxydation qui accompagne l'augmentation de la glycolyse anaérobie dans le cancer. Une autre découverte intéressante est qu'il y a une augmentation du nombre de mitochondries dans le muscle après l'administration répétée de l'hormone thyroïdienne, la thyroxine. Un nombre accru de mitochondries a également été trouvé dans l'hyperthyroïdie humaine. Ainsi, les cellules à haute activité métabolique ont un nombre élevé de mitochondries, tandis que celles à faible activité métabolique ont un nombre plus faible.

Les gros œufs d'oursins en ont 13 000 à 14 000, tandis que les tubules rénaux en ont 300 à 400. Dans le sperme, il n'y a que 20 à 24 mitochondries alors que dans certains ovocytes, il y en a environ 300 000. Dans le chaos protozoaire du Chaos, il y a environ 500 000 mitochondries. Certaines cellules d'algues ne contiennent qu'une seule mitochondrie.

Dissertation # 6. Sstructure des mitochondries :

Une mitochondrie typique est en forme de saucisse avec un diamètre moyen d'environ 0,5 μ. Lorsqu'il est correctement fixé dans un fluide contenant de l'osmium et étudié au microscope électronique, il révèle qu'il n'y a pratiquement aucune différence entre les mitochondries végétales et animales. Dans les deux cas, la mitochondrie est délimitée par deux membranes, la membrane externe et la membrane interne.

L'espace entre les deux membranes est appelé la chambre externe ou l'espace de la membrane interne. Il est rempli d'un fluide aqueux et a une largeur de 40 à 70 . L'espace délimité par la chambre intérieure est appelé chambre intérieure ou espace membranaire intérieur. L'espace membranaire interne est rempli d'une matrice qui contient des granules denses (300-500 ), des ribosomes et des mitochondries) d'ADN. Les granules sont constitués de sels inorganiques insolubles et sont considérés comme les sites de liaison d'ions divalents tels que Mg++ et Ca++.

Dans certains cas, ils contiennent apparemment des polymères de sucres. Le côté de la membrane interne faisant face au côté de la matrice est appelé le côté M, tandis que le côté faisant face à la chambre externe est appelé le côté C. Deux à six molécules d'ADN circulaires ont été identifiées dans les mitochondries. Ces anneaux peuvent être soit en configuration ouverte, soit en configuration torsadée. Ils peuvent être présents libres dans la matrice ou peuvent être attachés à la membrane. Les enzymes du cycle de Krebs sont situées dans la matrice.

La membrane interne est projetée en une série de plis, appelés crêtes mitochondriales, qui se projettent dans la chambre interne. La cavité des crêtes est appelée l'espace inter-crêtes et est continue avec l'espace inter-membranaire.

Dissertation # 7. Rôle des mitochondries dans la formation du jaune :

Il y a eu un bon nombre d'enquêtes, dont le récit révèle que les mitochondries aident à la formation du jaune dans un ovule en développement. La première étude dans ce domaine a été faite par Loyez et la dernière probablement par M.D.L. Srivastava, à l'aide d'un microscope optique. Les preuves apportées dépendent de la relation topographique et de taille, et des réactions de coloration des mitochondries et du jaune précoce des protéines.

Dans la cytologie moderne avec l'étude du microscope électronique, une nouvelle ère a commencé et les études sur la formation du vitellus ne restent pas à l'écart du microscope électronique. À l'aide du microscope électronique, Farvard et Carasso arrivent à la conclusion que les mitochondries se sont transformées en granules vitellines dans l'œuf de Planorbis coneus.

Les principaux changements structurels qu'ils ont observés dans les mitochondries sont les suivants :

(i) Les crêtes se désorganisent en quelques membranes, restant concentriques à la membrane externe avant de tomber complètement.

(ii) Dans la matrice sont apparus quelques granules minuscules qui se sont dispersés d'abord, mais se sont finalement agrégés en masses selon un motif régulier.

Au cours de la division cellulaire et de la supermiogenèse :

Les premiers cytologistes, Benda, Dueberg et Meves, étaient d'avis que les mitochondries se divisent également de manière égale pendant la division cytoplasmique et jouent peut-être un rôle dans l'hérédité.

Wilson a fait remarquer qu'aucune preuve n'a été produite d'une fusion entre les chondrisomes paternel et maternel. Frédéric a brièvement résumé divers changements dans les mitochondries au cours de la division cellulaire. La première phase montre une diminution du volume total du matériel mitochondrial cesse progressivement ses mouvements, un amincissement prononcé, une fragmentation en petites sphères, une perte de densité optique et enfin une assimilation dans le cytoplasme.

Dans la deuxième phase, lorsque la cellule se divise en deux, les mitochondries modifiées sont séparées passivement, en cellules filles. Dans la troisième phase, les mitochondries modifiées sont reconstituées par addition d'éléments assimilés dans le cytoplasme. Wilson a découvert que chez Opisthacanthus, au cours de la spermatogenèse, le nombre de mitochondries diminue progressivement.

Pollister décrit dans Gerris que les mitochondries se sont arrangées en un anneau bien défini, mais sans fusion. Les études microscopiques modernes fournissent des conclusions fermes concernant la division mitochondriale au cours de la mitose. Pyne a noté dans le cortex surrénalien de la volaille que les mitochondries apparaissaient fréquemment par paires. Cela suggérait que la division, plutôt que la fusion, se produisait.

Lors de la transformation des spermatides en spermatozoïdes, de nombreux changements mitochondriaux sont observés. Franzen a observé dans ces spermatozoïdes, qui sont versés directement dans l'eau, que les mitochondries sont généralement présentes sous la forme de quatre ou cinq sphères sous la tête du spermatozoïde, et dans le cas des spermatozoïdes déchargés dans un milieu visqueux, ces sphères se transforment en deux rubans allongés comme des mitochondries filamenteuses .

Parfois, ceux-ci se développent en « sphères de nebenkern » qui peuvent s'allonger et se tordre autour du filament axial pour former la gaine mitochondriale. Yasuzumi a trouvé un corps opaque aux électrons dans les spermatides de Drosophilla, il est décrit comme impossible à distinguer d'une gouttelette lipidique.

Dissertation # 8. Cristae mitochondriaux :

L'espace et la disposition des crêtes sont variables et peuvent être des types suivants :

(i) Parallèle au grand axe des mitochondries comme dans les neurones et les cellules musculaires striées.

(ii) Disposés concentriquement comme dans la matrice de certaines spermatides.

(iii) Entrelacés pour former des villosités comme dans Amoeba.

(iv) Cristae sous forme de vésicules qui forment un réseau de chambres interconnectées comme dans les cellules de la glande parathyroïde et W.B.C. de l'homme.

(v) Disposé de manière tubulaire mais perpendiculaire à l'axe mitochondrial comme dans les cellules de la glande surrénale.

(vi) Répartis au hasard comme dans les cellules de rein d'insectes et les cellules hépatiques.

(vii) Cristae extrêmement petits et irréguliers comme dans les cellules interstitielles d'Opossum.

(viii) Rarement la paroi mitochondriale est lisse sans crêtes. Le nombre et la taille des crêtes dans une mitochondrie affectent directement son efficacité. Plus les crêtes sont grandes et grandes, plus la vitesse de réaction d'oxydation est rapide.

(ix) Perpendiculaire au grand axe des mitochondries.

Dissertation # 9. Particules mitochondriales :

La surface externe de la membrane externe et la surface interne de la membrane interne étaient censées être recouvertes de milliers de petites particules. Ceux sur la membrane externe comme étant moins pédonculés et ont été appelés les sous-unités de Parson. Il peut y avoir jusqu'à 10 000 à 100 000 particules par mitochondrie.

Les particules de la membrane interne pédonculées ont été appelées les sous-unités de Fernandez-Moran, particules élémentaires, F1 particules ou les oxiosomes ou ETP ou particules de transport d'électrons. Ces particules ont un diamètre d'environ 85 Å et sont régulièrement espacées de 10 nm sur la membrane interne. Il peut y avoir jusqu'à 10 4 à 10 5 particules élémentaires par mitochondrie.

Dissertation # 10. Isolement de Mitochondrie :

Les mitochondries peuvent être isolées de la cellule sous forme vivante pour leurs études physiologiques. La cellule a d'abord été traitée au désoxycholate pour sa décomposition. Ensuite, ils sont passés dans une solution de saccharose.

L'homogénat doit être centrifugé pendant 10 minutes à la vitesse de 600 x g. A partir de cet homogénat, la substance supérieure est centrifugée à la vitesse de 8500 x g pendant 10 minutes. Après cette centrifugation, la fraction microsomale supérieure est rejetée tandis que la fraction inférieure est constituée de mitochondries et d'autres particules comme les lysosomes.

Cette fraction est passée sur gradient de saccharose. La fraction mitochondriale a ensuite été centrifugée à la vitesse de 10 000 X g jusqu'à 3 heures. La partie supérieure de ce matériau centrifugé contient des mitochondries et des lysosomes dans la partie inférieure.

Dissertation # 11. Isolement des sous-mitochondries Composants:

L'organisation structurale complexe de la mitochondrie soulève de nombreuses questions concernant la signification fonctionnelle des différents composants qui composent cet organite. Le développement de méthodes pour séparer et isoler ces composants mitochondriaux a joué un rôle important dans l'avancement de nos connaissances dans ce domaine.

La première technique réussie pour séparer les membranes mitochondriales internes et externes a été développée par Donald Parsons et ses collègues dans les années 1960. Dans cette procédure, les mitochondries sont placées dans une solution hypotonique jusqu'à ce que la membrane externe se rompe, et les membranes externes internes sont ensuite séparées les unes des autres par centrifugation à isodensité.

Ces deux fractions peuvent être facilement distinguées l'une de l'autre par microscopie électronique. Les membranes externes isolées ressemblent à des sacs vides, tandis que les membranes internes isolées forment des vésicules, appelées mitoplastes, qui contiennent un matériau matriciel piégé.

La digitonine détergente a également été utile pour isoler les fractions sous-mitochondriales car elle perturbe sélectivement la membrane mitochondriale externe et permet ainsi aux membranes externe et interne d'être séparées l'une de l'autre par centrifugation. Dans les deux procédures ci-dessus, le contenu de l'espace intermembranaire est libéré en solution lorsque la membrane externe est rompue.

Par conséquent, tout matériau apparaissant dans la fraction surnageante après la centrifugation initiale peut être attribué à l'espace intermembranaire. Une fois que la fraction mitoplaste a été isolée, elle peut être davantage séparée en ses composants de membrane et de matrice en la traitant avec le détergent Lubrol, qui perturbe la membrane interne, et en centrifugant à nouveau le mélange résultant.

En utilisant cette combinaison de techniques, les quatre principaux composants de la mitochondrie peuvent être séparés les uns des autres pour une analyse biochimique.

La nature hautement perméable de la membrane mitochondriale externe fait que la composition en soluté de l'espace intermembranaire reflète étroitement celle de la sève cellulaire. Le nombre d'enzymes présentes dans l'espace intermembranaire semble être relativement faible. Parmi celles-ci, l'adénylate kinase, une enzyme qui catalyse le transfert du groupe phosphate terminal de l'ATP à l'AMP, forme deux molécules d'ADP.

Dissertation # 12. Le Mitochondrial Mmatrice :

L'espace matriciel contient toutes les enzymes et cofacteurs impliqués dans le cycle de Krebs à la seule exception de la succinate déshydrogénase, qui est située dans la membrane interne car elle catalyse le transfert direct des électrons de l'intermédiaire du cycle de Krebs, le succinate, vers la chaîne de transfert d'électrons .

La pyruvate déshydrogénase (qui catalyse la conversion du pyruvate en acétyl-CoA) et les enzymes impliquées dans la β-oxydation des acides gras, qui dégradent les acides gras en unités acétyl-CoA qui entrent dans le cycle de Krebs, sont également présentes dans la matrice. Des analyses effectuées sur des préparations matricielles isolées ont révélé que la concentration en protéines est trop élevée pour que toutes les protéines matricielles soient en vraie solution.

Il a donc été proposé que les enzymes du cycle de Krebs et de la β-oxydation des acides gras soient ancrées dans un cadre structurel. Cette idée a reçu le soutien d'expériences menées sur des mitochondries qui ont été artificiellement gonflées en les suspendant dans un milieu hypotonique. Dans de telles conditions, la matrice ne se disperse pas au hasard, mais des ouvertures se forment plutôt dans ce qui semble être un réseau organisé. Dans les micrographies électroniques, la matrice présente généralement un aspect finement granuleux, bien que de gros granules de matrice allant de 30 à plusieurs centaines de manomètres de diamètre se produisent également.

De plus, de l'ADN, de l'ARN, des ribosomes et d'autres enzymes et facteurs impliqués dans la synthèse des acides nucléiques et des protéines sont présents dans la matrice. Étant donné que ces composants sont tous impliqués dans le processus de croissance et de division mitochondriale.

Dissertation # 13. Biochimie de Mitochondrie :

Lindberg et Ernster ont donné les données de composition chimique des mitochondries comme suit :

c. ARN 5% du poids sec.

Mais l'analyse biochimique récente montre les composants suivants :

Les protéines sont les principaux constituants insolubles dans l'eau. La membrane limitante externe des mitochondries contient moins de 10 pour cent de la protéine totale. Il existe environ 14 protéines différentes ayant un poids moléculaire de 12 000 à 22 000. Les compositions protéiques des membranes mitochondriales ne sont pas entièrement connues.

Le lipide forme environ 1/5e du poids des membranes. Il est présent presque entièrement sous la forme de molécules connues sous le nom de phospholipide. Il a été rapporté par Meluick et Packer en 1971 que la fraction de la membrane externe est une teneur en lipides de 40 % par rapport à 20 % dans la membrane interne.

Environ 70 enzymes et 12 coenzymes ont été reconnues dans les mitochondries. Les enzymes se trouvent dans une région sous forme de réseaux solides, avec peut-être jusqu'à 5 000 à 20 000 de tels assemblages dans une seule mitochondrie du foie ou du cœur.

ADN mitochondrial:

Récemment, l'ADN est également signalé dans les mitochondries. L'ADN mitochondrial est double brin comme le 1NA nucléaire. Chaque mitochondrie peut contenir une ou plusieurs molécules d'ADN en fonction de sa taille, si la mitochondrie est plus grande dix qui peuvent avoir plus de molécules d'ADN, ayant une forme circulaire.

L'ADN mitochondrial diffère de l'ADN nucléaire sous plusieurs aspects.

La teneur en GC est plus élevée dans l'ADN mitochondrial, par conséquent la densité de flottabilité est également plus élevée. Une autre différence est la température de dénaturation plus élevée de l'ADN mitochondrial et la facilité avec laquelle il se dénature.

La quantité d'information génétique portée par l'ADN mitochondrial n'est pas suffisante pour fournir des spécifications pour toutes les protéines et enzymes présentes dans cet organoïde. La possibilité la plus probable est que l'ADN mitochondrial code pour certaines protéines structurelles.

Il a été démontré que les mitochondries de levure contiennent de l'ADN polymérase et, plus récemment, Kalf a réussi à isoler les enzymes des mitochondries de foie de rat. L'ADN polymérase mitochondriale semble être impliquée dans la réplication de l'ADN plutôt que dans la réparation et possède des propriétés différentes de celles des enzymes nucléaires.

Ceux-ci incluent une exigence différente pour les ions métalliques. Mitoch­ondria de levure, l'ADN polymérase semble être, plus petite que son homologue nucléaire, et est active à différents stades du cycle cellulaire. Des preuves visuelles montrant ce qui semble être de l'ADN mitochondrial de foie de rat en cours de réplication ont été présentées par Kirschner, Wolsten Holme et Gross.

L'ADN mitochondrial ne semble pas être associé à des histones, contrairement à l'ADN nucléaire d'organismes supérieurs. À cet égard, l'ADN mitochondrial ressemble à l'ADN bactérien.

South et Mehlar ont suggéré que la quantité d'ARNmt est d'environ 10 à 20 fois celle de l'ADNmt. Toutes sortes d'ARN ont été identifiés dans les mitochondries. Les preuves actuelles indiquent de manière concluante que les mitochondries contiennent un ensemble complet d'ARN-t, d'aminoacyl ARN synthétases, ainsi que d'ARN ribosomique. Tous ces composants diffèrent de leurs homologues respectifs dans le matériel terrestre.

La présence d'ARNm, transcrit à partir d'ADN mitochondrial est encore incertaine. Cependant, il y a des autorités qui suggèrent sa présence. Les ARN ribosomiques sont codés par l'ADN mitochondrial et sont donc apparemment synthétisés dans les mitochondries par un système d'ARN polymérase dépendante de l'ADN mitochondrial.

Ribosome mitochondrial:

Les mitochondries semblent contenir des ribosomes de diamètre plus petit que les ribosomes cytoplasmiques et les mitochondries de levure contiennent des espèces d'ARN de 23S et 16S qui correspondraient à un ribosome 70S de type bactérien plutôt qu'au ribosome 80S du cytoplasme.

Des particules de type ribosome avec des valeurs de sédimentation de 8IS et 55S ont également été rapportées, et l'étendue de la dégradation subie par les particules pendant l'isolement n'est pas encore claire.

Des polysomes comme l'agrégation de ribosomes ont été observés dans des sections de mitochondries de levure par Vignais, Huet et Andre en 1969. Des espèces à haut poids moléculaire et à ARN associées aux mitochondries qui diffèrent par la valeur de sédimentation de l'ARN ribosomique cytoplasmique ont été signalées dans la levure, la neurospora et l'He- La cellules. Les ribosomes mitochondriaux nécessitent une concentration plus élevée d'ions Mg ++ pour maintenir leur intégrité que les ribosomes cytoplasmiques.

En général, les mitochondries peuvent coder n'importe quelle protéine synthétisée, mais l'ADN qui y est présent est insuffisant pour coder toutes les protéines. Il est suggéré que les mitochondries peuvent synthétiser les protéines de nature structurale (cytochrome oxydase), mais une grande partie des protéines sinon la totalité, des protéines solubles de la matrice ainsi que les protéines de la membrane externe et un certain nombre de protéines situées dans la cristae sont sous le contrôle de l'ADN nucléaire.

Parmi les protéines codées par l'ADN nucléaire, il est généralement admis que l'ARNm dérivé du noyau est traduit dans le cytoplasme, et les protéines résultantes sont ensuite transportées dans les mitochondries. Comment alors les protéines pénètrent-elles dans les mitochondries ?

Deux méthodes ont été proposées :

(1) Les précurseurs pénètrent dans la mitochondrie et à l'intérieur sont transformés en produits finaux, affectant ainsi un flux unidirectionnel d'un matériau dans les mitochondries.

(2) Il y a la synthèse de vésicules lipoprotéiques qui fusionnent et se combinent ensuite avec la mitochondrie en croissance.


Des chercheurs signalent un mouvement de cellule à cellule des mitochondries à travers une jonction de greffe de deux espèces végétales

Mitochondries. Crédit : Wikipédia Commons

(Phys.org) - Une équipe de chercheurs de l'Université Rutgers a trouvé un exemple via l'expérimentation, du mouvement de cellule à cellule des mitochondries à travers une jonction de greffe de deux espèces de tabac. Dans leur article publié en Actes de l'Académie nationale des sciences, l'équipe décrit leurs expériences de greffage de plants de tabac et ce qu'ils ont appris sur les cellules échangeant des mitochondries au cours des conséquences.

Les êtres humains ont greffé des plantes pendant des siècles, coupant une branche d'une plante et la pressant contre une partie exposée d'une autre, a donné lieu à des arbres fruitiers qui portent plus d'un type de fruits, par exemple. Mais ce qui n'a pas été clair, c'est ce qui se passe d'autre pendant la greffe - à l'œil humain, il semble qu'une branche greffée produise le type de fruit qu'elle aurait à l'origine, mais pas grand-chose d'autre. Mais la recherche génétique au cours de la dernière décennie a montré que les chloroplastes peuvent être échangés entre les cellules de chaque côté d'un greffon, et dans certains cas, un noyau cellulaire entier peut également être échangé. Dans ce nouvel effort, les chercheurs ont découvert que les cellules peuvent également échanger des mitochondries, ce qui signifie que les plantes mélangent leur ADN lors de la greffe.

Pour en savoir plus sur ce qui se passe lors de la greffe, les chercheurs ont greffé une espèce de plant de tabac sur une autre, dont l'une présentait une mutation qui empêchait les fleurs mâles de pousser normalement. Ensuite, ils ont coupé des morceaux de la plante du côté du greffon provenant d'une plante mâle stérile et l'ont planté, ce qui a donné lieu à de nouvelles plantes poussant individuellement à partir du sol. Au fur et à mesure que ces plantes poussaient, les chercheurs ont découvert que certaines d'entre elles développaient des fleurs mâles normales, ce qui montrait qu'un transfert mitochondrial s'était produit entre les deux espèces. Lorsque l'équipe a examiné les génomes mitochondriaux des plantes, ils ont découvert une recombinaison des deux et ont également pu identifier le gène probablement responsable de la stérilité mâle.

Cette nouvelle preuve brouille la frontière entre les plantes génétiquement modifiées ou les cultures résultant de processus artificiels et celles qui se produisent naturellement, car la greffe naturelle se produit parfois lorsque deux plantes poussent à proximité l'une de l'autre. Ceux qui insistent sur le fait que les OGM sont inoffensifs auront désormais un autre argument pour les étayer, car il semble maintenant que les plantes échangent naturellement leur ADN depuis le début.

Résumé
Nous rapportons le mouvement de cellule à cellule des mitochondries à travers une jonction de greffe. Le mouvement mitochondrial a été découvert dans une expérience conçue pour sélectionner le transfert de chloroplastes de Nicotiana sylvestris dans des cellules de Nicotiana tabacum. La lignée alloplasmique de N. tabacum que nous avons utilisée porte des génomes cytoplasmiques de Nicotiana undulata, et ses fleurs sont mâles stériles en raison du génome mitochondrial étranger. Ainsi, un rare transfert d'ADN mitochondrial de N. sylvestris à N. tabacum a pu être reconnu par la restauration de l'anatomie des fleurs fertiles. Les analyses des génomes mitochondriaux ont révélé une recombinaison étendue, liant provisoirement la stérilité mâle à orf293, un gène mitochondrial provoquant la conversion homéotique des anthères en pétales. La démonstration du mouvement de cellule à cellule des mitochondries reconstruit le processus évolutif du transfert horizontal d'ADN mitochondrial et permet la modification du génome mitochondrial par l'ADN transmis par une espèce sexuellement incompatible. La conversion des anthères en pétales est un marqueur visuel qui peut être utile pour la transformation mitochondriale.


Signaux cellulaires qui contrôlent le trafic mitochondrial

Bien que la liste des pièces moléculaires pour le transport axonal mitochondrial reste incomplète, un certain nombre d'études récentes ont commencé à élucider une question d'ordre supérieur : quels signaux intracellulaires modulent les protéines motrices, de liaison et d'ancrage ? Il existe des preuves de plusieurs signaux qui affectent la plupart ou la totalité du trafic des organites axonaux, bien que ceux-ci ne puissent pas expliquer le comportement de transport unique des mitochondries, ils peuvent néanmoins jouer un rôle dans le contrôle de leur mouvement. Premièrement, des études de motilité biochimique et in vitro dans l'axoplasme indiquent que le trafic total des organites antérogrades dans l'axoplasme peut être réduit par l'inhibition de la kinase 5 dépendante de la cycline (CDK5) et par l'activation de la glycogène synthase kinase 3 (GSK3) (Ratner et al., 1998 Morfini et al., 2002 Morfini et al., 2004). On pense que l'activité de CDK5 induit l'activité de GSK3, qui à son tour phosphoryle KLC, provoquant la libération de kinésine-1 de la surface des organites. Des travaux biochimiques et génétiques récents en Drosophile indique qu'Ena/VASP, contrôlé par la tyrosine kinase Abl, peut se lier à la chaîne lourde de la kinésine-1 et peut réduire son activité de transport axonal, augmentant la possibilité d'un contrôle par des voies de signalisation qui utilisent Abl (Martin et al., 2005). Le mouvement mitochondrial basé sur la kinésine dans les cellules non neuronales et les tests de motilité in vitro peuvent également être régulés spécifiquement par une voie stimulée par les cytokines qui modifie l'activité de la kinésine pendant qu'elle reste à la surface de la mitochondrie (De Vos et al., 1998 De Vos et al., 2000). De plus, le transport axonal des organites peut être bloqué par l'inhibition du cycle GTPase des protéines G monomères (Bloom et al., 1993). Cette découverte est intéressante en raison des preuves récentes que la GTPase Miro est impliquée dans le transport des mitochondries vers la synapse (Gou et al., 2005). Il a également été rapporté que l'inhibition de l'activité de la protéine kinase A provoque une inhibition générale du transport des vésicules antérogrades mais n'a aucun effet sur le transport mitochondrial (Okada et al., 1995a).

Une régulation spécifique aux mitochondries du transport axonal a également été rapportée. Plusieurs perturbations du neurone peuvent arrêter le mouvement mitochondrial dans tout l'axone, y compris le traitement avec des médicaments qui découplent le gradient de protons à travers la membrane interne et qui inhibent l'ATP synthase (mais pas en inhibant le transport des électrons au complexe III) (Rintoul et al., 2003 Miller et Sheetz, 2004). De plus, deux traitements neurotoxiques peuvent inhiber le mouvement mitochondrial dans les neurones en culture. Le traitement au glutamate, en déclenchant l'influx de Ca 2+ via le récepteur NMDA, diminue le mouvement mitochondrial ainsi que la taille (Rintoul et al., 2003), et l'élévation du [Zn 2+] intracellulaire arrête le mouvement mitochondrial à des concentrations qui n'affectent pas le potentiel transmembranaire (Malayanda et al., 2005). Ces deux effets ioniques sont médiés par des effecteurs cytoplasmiques supplémentaires, l'effet Zn 2+ en particulier dépend de l'activité PI3K (Malaiyanda et al., 2005). Bien que la régulation négative globale du transport mitochondrial soit potentiellement importante, l'inhibition locale du mouvement est plus directement pertinente pour expliquer la localisation mitochondriale. Comme indiqué ci-dessus, la distribution non uniforme des mitochondries indique qu'elles s'arrêtent dans des régions spécifiques de l'axone, peuvent s'espacer uniformément le long de la tige axonale (Miller et Sheetz, 2004) et également s'arrêter près des cônes de croissance actifs. De manière significative, cette capacité de localisation est diminuée par des conditions anaérobies (Morris et Hollenbeck, 1993).

Des travaux récents ont impliqué des voies de signalisation spécifiques dans l'amarrage mitochondrial. La stimulation focale des axes axonaux avec le NGF provoque une accumulation locale de mitochondries qui repose sur l'activité PI3K et l'intégrité du cytosquelette d'actine. Cela suggère que les mitochondries sont amarrées à l'actine (Chada et Hollenbeck, 2003 Chada et Hollenbeck, 2004). De plus, l'effet implique à la fois l'entrée préférentielle des mitochondries dans la région et leur arrêt ultérieur là-bas. L'entrée préférentielle et la sortie d'une région de stimulation du NGF présentent toutes deux une spécificité directionnelle (Chada et Hollenbeck, 2004). Les données des cellules de neuroblastome ont également impliqué la signalisation PI-dépendante dans le contrôle de la direction mitochondriale : l'expression de PtdIns(4,5)P2-les domaines PH spécifiques augmentent le mouvement mitochondrial antérograde tout en diminuant le mouvement rétrograde, sans altérer les autres aspects de la motilité mitochondriale (De Vos et al., 2003). Comme discuté ci-dessus, de nombreux types de positionnement subcellulaire des mitochondries se produisent dans les axones, et chacun doit reposer sur une motilité, une direction et un amarrage régulés. Ainsi, la localisation mitochondriale dans les neurones repose probablement sur plus d'une voie de signalisation et répond à plus d'un stimulus physiologique (voir Fig. 1).

Un cadre récapitulatif pour considérer les mécanismes qui contribuent au transport et à la localisation des mitochondries dans les axones. Les trois familles de protéines motrices sont susceptibles de participer au déplacement des mitochondries axonales. Les kinésines et la dynéine, peut-être liées dans le même complexe moteur ou peut-être indépendamment associées aux mitochondries, entraînent un transport antérograde et rétrograde à longue distance. Les mécanismes qui coordonnent ces moteurs opposés pour produire un transport net dans une direction sont en grande partie inconnus, bien que le complexe dynactine puisse être un facteur important. Les myosines entraînent des mouvements à courte distance le long de la F-actine, elles peuvent moduler le transport à longue distance en éloignant les mitochondries des microtubules et elles pourraient faciliter l'ancrage des mitochondries à la F-actine par des agents de réticulation inconnus actine-mitochondrie. Les mécanismes de contrôle possibles qui pourraient réguler le transport et l'amarrage sont nombreux et restent largement spéculatifs. Cependant, il est relativement certain que les moteurs et ancres mitochondriales sont contrôlés par phosphorylation/déphosphorylation et peut-être par d'autres schémas de régulation. Les voies régulatrices peuvent inclure, mais ne sont certainement pas limitées à, CDK5/GSK3, NGF/PI3K, Abl/Ena/VASP, le potentiel de la membrane interne mitochondriale et les niveaux de Ca 2+ et Zn 2+.

Un cadre récapitulatif pour considérer les mécanismes qui contribuent au transport et à la localisation des mitochondries dans les axones. Les trois familles de protéines motrices sont susceptibles de participer au déplacement des mitochondries axonales. Les kinésines et la dynéine, peut-être liées dans le même complexe moteur ou peut-être indépendamment associées aux mitochondries, entraînent un transport antérograde et rétrograde à longue distance. Les mécanismes qui coordonnent ces moteurs opposés pour produire un transport net dans une direction sont en grande partie inconnus, bien que le complexe dynactine puisse être un facteur important. Les myosines entraînent des mouvements à courte distance le long de la F-actine, elles peuvent moduler le transport à longue distance en éloignant les mitochondries des microtubules et elles pourraient faciliter l'ancrage des mitochondries à la F-actine par des agents de réticulation inconnus actine-mitochondrie. Les mécanismes de contrôle possibles qui pourraient réguler le transport et l'amarrage sont nombreux et restent largement spéculatifs. Cependant, il est relativement certain que les moteurs et les ancres mitochondriales sont contrôlés par phosphorylation/déphosphorylation et peut-être par d'autres schémas de régulation. Les voies régulatrices peuvent inclure, mais ne sont certainement pas limitées à, CDK5/GSK3, NGF/PI3K, Abl/Ena/VASP, le potentiel de la membrane interne mitochondriale et les niveaux de Ca 2+ et Zn 2+.


Les tendances

Les nanotunnels sont des protubérances tubulaires communicantes à double membrane de 40 à 200 nm de diamètre et jusqu'à 30 m de longueur, qui émergent principalement de la surface des mitochondries immobilisées ou des mitochondries dans les tissus à motilité mitochondriale restreinte.

Les nanotunnels transportent la matrice et les protéines membranaires entre les mitochondries, et probablement aussi transportent des molécules plus petites telles que les ions, l'ARN et les métabolites.

Dans un système acellulaire, les microtubules, les mitochondries, l'ATP et la kinésine 5b sont suffisants pour produire des protubérances mitochondriales, tandis que la perturbation des microtubules entrave la formation de nanotunnel, impliquant un mécanisme moteur dépendant des microtubules de la formation de nanotunnel.

La perturbation de la dynamique du calcium dans les cellules musculaires et les anomalies génétiques mitochondriales sont associées à une plus grande abondance de nanotunnels mitochondriaux, suggérant que les nanotunnels apparaissent comme un mécanisme compensatoire pour promouvoir la communication mitochondriale dans des conditions de stress.

Un aperçu de la régulation des systèmes physiologiques complexes émerge de la compréhension de la façon dont les unités biologiques communiquent entre elles. Des découvertes récentes montrent que les mitochondries communiquent à distance entre elles via des nanotunnels, de fines protubérances à double membrane qui relient les matrices de mitochondries non adjacentes. De nouvelles preuves suggèrent que les nanotunnels mitochondriaux sont générés par des mitochondries immobilisées et des protéines de transport. Cette revue intègre les données de la structure et de la fonction conservées au cours de l'évolution des projections intercellulaires chez les bactéries avec des développements récents dans l'imagerie mitochondriale qui permettent la visualisation de nanotunnel chez les eucaryotes. La spécificité du type cellulaire, les échelles de temps et la diffusion sélective basée sur la taille des biomolécules le long des nanotunnels sont également discutées. La jonction de mitochondries individuelles dans des réseaux dynamiques d'organites communicantes via des nanotunnels et d'autres mécanismes a des implications majeures pour les comportements des organites et des cellules.


Remarques finales

La capacité d'adapter les capacités bioénergétiques cellulaires pour répondre à des conditions environnementales en évolution rapide est obligatoire pour la fonction cellulaire et pour la progression du cancer. Tout compromis dans cette réponse adaptative a le potentiel de compromettre la fonction cellulaire et de rendre la cellule plus sensible aux facteurs de stress externes tels que le stress oxydatif, les radiations, les médicaments chimiothérapeutiques, l'hypoxie, etc. ainsi que les voies de réponse au stress nucléaire pour faire face à ces facteurs de stress est capable de maintenir l'homéostasie bioénergétique dans la plupart des conditions (voir Figure 4). Bien que de nombreuses voies de signalisation du stress mito-nucléaire aient été décrites (voir Mito-Nuclear Cross Talk), une compréhension détaillée de la façon dont ces voies fonctionnent ensemble pour garantir que la transcription mitochondriale et nucléaire est étroitement coordonnée pour répondre aux demandes bioénergétiques et métaboliques dynamiques de la cellule. restent mal compris. Par exemple, la manière dont les 13 protéines codées mitochondriales du CR mitochondrial qui sont fabriquées dans les mitochondries sont combinées avec 80 protéines codées dans le noyau qui sont traduites sur des machines de synthèse de protéines cytoplasmiques distinctes et importées dans les mitochondries où elles sont assemblées en CR fonctionnels est pas entièrement compris. De plus, le rôle des huit mito-peptides codés par les mitochondries ARNr les gènes de la bioénergétique et de la régulation métabolique font l'objet d'un examen minutieux. On ne sait pas si les mitopeptides ou les molécules d'ARNnc transcrites à partir de la chaîne légère de l'ADNmt jouent un rôle dans la diaphonie mitonucléaire intracellulaire. L'existence de nombreuses maladies graves causées par un dysfonctionnement mitochondrial, telles que les mitochondriopathies neuromusculaires et neurodégénératives (47&# x0201349), le diabète (50), les maladies cardiovasculaires (51, 52), les troubles gastro-intestinaux (53), les troubles cutanés (54), le vieillissement (55, 56) et cancer (41), montre que la diaphonie mito-nucléaire peut échouer. La capacité de remplacer un réseau mitochondrial dysfonctionnel par des mitochondries fonctionnelles fraîches de cellules saines est un phénomène récemment découvert et actuellement mal compris. Le transfert mitochondrial pose une série de questions intrigantes : le transfert mitochondrial entre les cellules est-il un processus physiologique fondamental, silencieux jusqu'à récemment en raison des outils limités disponibles pour suivre le mouvement mitochondrial entre les cellules ? Si la diaphonie mitonucléaire est fondamentale pour l'homéostasie bioénergétique cellulaire, comment ce processus change-t-il lorsque le noyau d'origine est confronté à des mitochondries de différents types cellulaires et/ou avec des antécédents génétiques différents après une transplantation ? Les signaux qui favorisent le transfert mitochondrial entre les cellules sont-ils liés à ceux qui sont impliqués dans la diaphonie mito-nucléaire ? Est-ce un processus d'erreur d'essai qui prend du temps à être perfectionné ?

Figure 4. Les facteurs de stress affectent la diaphonie nucléaire par des changements dans l'expression des gènes. Les facteurs de stress tels que le stress oxydatif, les radiations, les médicaments chimiothérapeutiques, l'hypoxie, etc., provoquent des modifications génétiques et épigénétiques à la fois de l'ADNn et de l'ADN mitochondrial (ADNmt). Les changements qui en résultent dans l'expression des gènes entraînent une altération de la bioénergétique cellulaire, conduisant souvent à une diminution de la phosphorylation oxydative. Les facteurs de stress mitochondriaux (une diminution du potentiel membranaire mitochondrial, des niveaux d'ATP, des niveaux de NADH et une augmentation de l'expression des mitopeptides, etc.) provoquent des réponses au stress nucléaire. L'activation des voies de stress (réparation des dommages de l'ADNmt, biogenèse et fusion mitochondriale, passage au métabolisme glycolytique, etc.) entraîne un retour à l'homéostasie bioénergétique, restaurant la fonction cellulaire.

Sur un autre front, l'analyse comparative du transcriptome des génomes mitochondriaux et nucléaires codant et non codant, dans diverses conditions, pourrait fournir des informations impartiales sur les conséquences immédiates de la diaphonie mito-nucléaire qui entraînent la respiration et le remodelage métabolique. De telles analyses sont susceptibles de révéler des rôles régulateurs inattendus pour les transcrits qui pourraient remettre en cause le dogme actuel sur la stoechiométrie et la fonction des sous-unités RC mitochondriales et nucléaires codées, et le contrôle de la respiration. Les grands ensembles de données contiennent souvent à la fois des informations sur les transcriptions mitochondriales et nucléaires, mais ceux-ci ont rarement été exploités pour leurs informations comparatives sur les transcriptions.

Enfin, nous sommes optimistes quant à la possibilité de regarder au-delà des horizons technologiques et conceptuels actuels pour mieux comprendre comment le remodelage bioénergétique et métabolique se joue dans la santé et la maladie.Les cellules cancéreuses présentent une plasticité accrue en ce qui concerne le remodelage métabolique à différents stades d'initiation, d'invasion et de métastase, et en réponse aux nombreux facteurs de stress qu'elles rencontrent dans leur microenvironnement en évolution rapide.


Conceptualisation et rédaction P.H.-A. et J.A.E. Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Cette étude a été soutenue par le MINECO : SAF2015-65633-R, RTI2018-099357-B-I00, HFSP (RGP0016/2018) et CIBER (CB16/10/00282). Le CNIC est soutenu par l'Instituto de Salud Carlos III (ISCIII), le Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (MCNU) et la Fondation Pro CNIC et est un centre d'excellence Severo Ochoa (SEV-2015-0505). Ses recherches ont été financées par des subventions du gouvernement espagnol (agences ISCIII et AEI, financées en partie par l'Union européenne FEDER/ERDF).



Commentaires:

  1. Zumi

    Vous n'êtes pas correcte. Je suis sûr. Nous en discuterons. Écrivez en MP, nous communiquerons.

  2. Kaycie

    Excusez-moi, j'ai supprimé cette phrase

  3. Yok

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  5. Brandeles

    Le meilleur seul promolchu



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