La mitochondrie

L1 SV - Biologie cellulaire Février 2007

• Organite intracellulaire à double membrane

• Intervient dans la production énergétique de la cellule

• Possède son propre génome

MOTS CLES

Organisation, morphologie et dynamique des mitochondries

Organisation, morphologie et dynamique des mitochondries

Aspect morphologique en microscopie électronique

Matrice finement granuleuse :- mito-ribosomes- ADN (mtDNA)- granules de grande taille- cristaux protéiques- cristaux de substances minérales- Structure fibreuse

Aspect morphologique

• Deux membranes séparées par un espace inter-membranaire

• Membrane externe uniforme et continue

• Membrane interne formée des crêtes

Organisation, morphologie et dynamique des mitochondries

Aspect morphologiqueen microscopie optique

• Dans le cytoplasme

• Globulaires: 0,5 à 1µm de diamètre

• Filamenteux: jusqu’à 10µm de long

• Nombre variable selon type cellulaire (et besoins énergétiques)

Localisation dans le cytosol

actine

mitochondries

noyau

Visualisation des mitochondries:- immuno-

marquage (anticors anti-ATP synthase)

- protéines de fusion (mit::FP)

Tom::MCHERRY MERGEMIT::YFP

Visualisation des protéines mitochondriales

Localisation des mitochondries

Lien avec les microtubules

mitochondries microtubules

Organisation, morphologie et dynamique des mitochondries

mit::GFP

Les mitochondries des organelles très dynamiques

Kinesin HC

Microtubule

Miro / Milton complex

Specific adaptors drive mitochondrial transport along microtubules

The fusion and fission balance

Fission

Fusion

small entities tubule

La division mitochondriale se

fait par scissiparité

Hyperfusion of mitochondria in fission mutant

Control Fission mutant

DRP1 drives fission

Fission

Fusion

Mitofusin MFN and OPA1 drives fusion

Control Fusion mutant

Fission

Fusion

Hyperfission of mitochondria in fusion mutant

« FUSION »« FISSION »

drp1

mitofusin

+ Biogenèse

+ Morphogenèse

+ Transport 

Les fonctions de la mitochondrie

Comment isoler les membranes mitochondriales et les protéines qu’elles contiennent?

Fractionnement des mitochondries

MatriceMembrane externeMembrane interneEspace intermembranaire

Milieu de faible osmolarité

Centrifugation

Espace intermembrana

ire

Milieu de forte osmolarité

Gradient de densité

Membrane interne

Matrice Membrane externe

Lyse et centrifugation

Composition chimique

de la membrane externe

• Contient plus de protéines que la membrane plasmique

• Riche en porine

• Perméable aux ions et molécules de masse moléculaire inférieure à 10kDa

Passage passif des petites molécules par la porine de la membrane externe

Membrane externe

Espace inter-membranaire

Cytoplasme

ATPADP Pyruvate

Acidesgras Phosphate

ATPADP Pyruvate

Acidesgras Phosphate

Composition chimique

de la membrane interne

• Contient plus de protéines que la membrane externe et que tout autre membrane biologique (>70%)

• Dépourvue de cholestérol mais riche en cardiolipide (diphosphatidyl-glycerol)

• Riche en transporteurs et complexes protéiques enzymatiques

• Faible fluidité (passage actif)

Passage actif des petites molécules à travers la membrane interne

Membrane externe

Espace inter-membranaire

CytoplasmeATP Pyruvate

Acidesgras Phosphate

ADP Pyruvate

Acidesgras Phosphate

Membrane interne

MatricePyruvate Acides

grasPhosphate

ATP

ATPADP

H+

H+

H+

H+

H+

H+

Composition de l’espace

intermembranaire

• Composition en ions et petites molécules identique à celle du hyaloplasme

• Contient les protons qui proviennent du fonctionnement de la chaîne respiratoire mitochondriale

• Contient le cytochrome C qui circule entre les deux membranes

Bio-énergétique des mitochondries : la synthèse d’ATP par le mécanisme de la phosphorylation oxydative

Principe du couplage des réactions chimiques

L’hydrolyse de l’ATP fournit de l’énergie à la cellule

+31 kJ/mol

Electronshautement

énergétiques

AlimentsLumière

Gradientélectrochimique de

protons

transmembranaire

Transport membranair

e actif

Synthèse Mouvementflagellaire

La chimiosmose

Catabolisme conduisant des

aliments aux déchets Schéma simplifié des 3 étapes

La chaine respiratoire

Phosphorylation oxydative & synthèse d ’ATP

• La synthèse des hormones stéroïdes

• La synthèse de phospholipides

• La synthèse d’acides aminés

• Rôle dans le contrôle de la concentration de calcium cytosolique

• Rôle d’inducteur dans la mort cellulaire (libération de cytochrome C)

• Synthèse des Hèmes

AUTRES FONCTIONS DES MITOCHONDRIES

Le génome mitochondrial

L’ADN mitochondrial

L’ADN mitochondrial• Dans la matrice• En multicopie dans chaque mitochondrie• Circulaire• Deux brins• 37 gènes (13 codant des protéines)• Taille:

• 16,5 kilobases chez l’homme• 78,5 kilobases chez la levure

• Pas d’introns chez l’homme • Hérédité maternelle

2 ARN ribosomiques

13 protéines / 1500 sont codées par l’ADN mitochondrial (le reste est codé par le noyau)!!!

L’ADN mitochondrial

Le code génétique mitochondrial diffère du code génétique universel

Mitochondries

Codon Code universel Mammifères Drosophila Neurospora Levure Plantes

UGA Stop Trp Trp Trp Trp Stop

AGA, AGG Stop Ser Arg Arg Arg Arg

AUA Ile Met Met Ile Met Ile

AUU Ile Met Met Met Met Ile

CUU, CUC,

CUA, CUG

Leu Leu Leu Leu Thr Leu

Differences between the vertebrate mtDNA code and the "universal" code are indicated in red. Note that UGA codes for Trp rather than being a stop codon, there are two Met codons, and two AGR codons are read as Stops. Slightly

different mtDNA codes are found in Drosophila and other invertebrate groups.

Origine des composants protéiques

de la mitochondrie

Inhibiteurs pharmacologiques

• alpha-amanitine Transcription nucléaire

• cycloheximide Traduction cytoplasmique

• acridine ou éthidium Transcription mitochondriale

• chloramphénicol, érythromycine, tétracycline Traduction mitochondriale

Origine des composants protéiques

de la mitochondrie

• Les protéines codées par l’ADN mitochondrial restent toujours dans la mitochondrie

• La majorité des protéines mitochondriales sont codées par l’ADN nucléaire

• Les ARN messagers correspondants sont traduits sur des ribosomes cytoplasmiques libres

Origine des mitochondries

La théorie

endosymbiotiqu

e s’appuie sur le

parallèle fait entre

les bactéries et

les mitochondries

Evolution vers des cellules avec

mitochondries et chloroplastes

• Premiers eucaryotes : métabolisme peu efficace

• Mitochondries → aérobie

• Chloroplastes → photosynthèse

• → système endosymbiotique

- ADN circulaire

- Pas d’intron

- Ribosome 70S

- Membrane interne et externe n’ont pas la même composition

- Cardiolipine de la membrane interne proche des phospholipides procaryote

- Similarité de séquence entre les gènes mitochondriaux (y compris ceux codés par le noyau) et les gènes bactériens

- Mécanisme de chimiosmose comparable (Enzymes du métabolisme oxydatif proches des enzymes procaryotes aérobie)

- Division par scissiparité comme les procaryotes (chez les eucaryotes primitif la division des mitochondrie est contrôlé par le gène FtsZ or ce gène contrôle aussi la division des bactéries)

Eléments sans réponse

• Le code génétique des mitochondries

diffère du code génétique universel des

procaryotes (mais il y a des codes

génétiques variants chez les bactéries)

• L’ADN bactérien n’a pas d’introns alors

que l’ADN mitochondrial de levure en

possède