universite du sud

UNIVERSITE DU SUD
FACULTE DE MEDECINE
DE SFAX
ANNEE UNIVERSITAIRE
2005-2006
Laboratoire d'Histologie
1ère ANNEE MEDECINE
COURS DE BIOLOGIE CELLULAIRE
ORGANITES CYTOPLASMIQUES
Préparé par : Pr. Ag Leila Ammar-Keskes
PLAN
I.
INTRODUCTION
II.
RIBOSOMES
A. Structure
B. Fonctions
III. RETICULUM ENDOPLASMIQUE
A. Structure
B. Caractéristiques biochimiques
C. Fonctions
1. RER
2. REL
IV. APPAREIL DE GOLGI
A. Structure
B. Composition chimique
C. Fonctions
1. Glycosylation des protéines
2. Protéolyse
3. Transfert et tri des protéines
V. LYSOSOMES
A. Structure
1. Lysosomes primaires
2. Lysosomes secondaires
3. Corps résiduels
B. Fonctions
VI. PEROXYSOMES
VII. MITOCHONDRIES
A. Structure
B. Composition chimique
C. fonctions
I. INTRODUCTION
Les organites cellulaires sont des inclusions vivantes qui
accomplissent de nombreuses fonctions. Ce sont les ribosomes, le
réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi, les lysosomes, les
peroxysomes et les mitochondries, etc (figure 1).
Figure 1: la cellule et ses organites cytoplasmiques
Le réticulum endoplasmique (RE) est une extension de la membrane
nucléaire. L'appareil de Golgi est une extension du RE qui transforme
et transporte les protéines vers la membrane plasmique.
Ces organites forment le système endomembranaire qui est en
connexion avec la membrane plasmique et qui assure des fonctions
diverses, grâce à des enzymes insérées dans les membranes des
différents organites.
Le système endomembranaire est labile, se modifiant très
rapidement en fonction des activités physiologiques de la cellule.
Les mitochondries jouent un rôle important dans le métabolisme de la
cellule.
II. LES RIBOSOMES :
Les ribosomes sont des particules compactes, réparties en très
grand nombre dans le cytosol, associées ou non aux membranes du
réticulum
endoplasmique
(figure
2).
Ils
sont
constitués
d'acide
ribonucléique et de protéines et ont pour rôle essentiel de lire le
message venant de l'ADN (code génétique) et de le traduire.
Figure 2: Les ribosomes dans le cytoplasme cellulaire
A) Structure :
Les ribosomes sont des organites de forme sphéroïde ou elliptique
(25 x 15 nm), denses aux électrons. Ils sont constitués de 2 sous-unités
de tailles inégales, associées autour d’une molécule d’ARN messager
comportant le code génétique à traduire (figure 3).
Figure 3: les sous unités ribosomales autour de l'ARNm
Dans la cellule Eucaryote, la grande sous-unité a la forme d'un fauteuil
avec une protubérence centrale, le siège et trois bras, un dossier et deux
accoudoirs (figure 4). Elle a un coefficient de sédimentation de 60S (S:
Unité Sveldberg de mesure du poids moléculaire des molécules
particulaires
après
ultracentrifugation)
et
elle
est
formée
par
l’assemblage de 3 types d’ARNr de coefficient de sédimentation
respectifs (28 S ; 5 S ; 5,8 S) et d’une cinquantaine de protéines. Elle
présente trois sites de fixation (site A (aminoacyl), site P (peptidyl) et site
PT (peptidyl-transférase).
La petite sous-unité (40 S) est formée d’un seul type d’ARNr (18S)
associé à une trentaine de protéines. Elle possède le site de fixation de
l’ARNm.
Les protéines ribosomales entrent dans la composition des sites de
fixation et jouent le rôle de récepteurs des facteurs de régulation de la
synthèse protéique.
Figure 4: taille et composition des sous unités ribosomales
B) Fonctions des ribosomes :
Les ribosomes ont pour rôle essentiel la lecture du message
venant de l’ADN et sa traduction. La traduction s’exprime par la synthèse
de protéines spécifiques.
La synthèse protéique se fait en 3 étapes :
1) l’initiation (figure 5) qui comporte :
* la fixation de la petite S/U ribosomale à l’ARNm du côté de
l’extrémité 5’, au niveau du codon d’initiation (AUG ou GUG), en
présence de facteurs d’initiation.
* la fixation d’un premier complexe ARNt-Acide aminé au complexe
précédent. Le premier acide aminé amené par l’ARNt est la méthionine.
• la fixation de la grande sous unité à la petite sous-unité. Le
complexe ARNt-Met se fixe alors sur le site P.
Figure 5: Etape d'initiation de la synthèse protéïque
2) L’élongation :
C’est la progression pas à pas des ribosomes le long de l’ARNm. Elle se
fait en 3 mouvements successifs (figure 6A):
- fixation d’un second complexe ARNt-AA sur le site A du ribosome
et sur l’ARNm, face au codon voisin du codon initiateur.
- formation d’une liaison peptidique entre le groupement carboxyle
de la méthionine et le groupement amine du second acide aminé.
- détachement du premier ARNt sur la molécule d’ARNm,
induisant successivement :
. La libération du site P par le premier ARNt déchargé de son acide
aminé.
. Un mouvement relatif de l’ARNm par rapport au ribosome
(translocation).
. Le transfert du 2ème ARNt du site A vers le site P.
La répétition de ces trois mouvements engendre l’élongation du
polypeptide (figure 6B), dont la séquence en AA est conditionnée par la
nature des codons successifs de l’ARNm.
A
B
Figure 6: Etape d'élongation de la synthèse protéique
3) La terminaision :
C’est l’arrêt de la synthèse et la libération de la chaîne
polypeptidique qui se font au niveau d’un codon stop (UAG, UAA, UGA).
La protéine est libérée grâce à un facteur de libération. Le
ribosome se dissocie en deux sous unités grâce à l’hydrolyse de la GTP
en GDP et Pi (figure 7).
Figure 7 : Phase de terminaison de la synthèse protéique
La synthèse de nombreuses protéines peut se faire simultanément
sur une même molécule d’ARNm par fixation de plusieurs ribosomes sur
le même ARNm : polysomes (figure 8).
Figure 8 : Ultrastructure du polysome
Les polysomes peuvent être libres dans le cytoplasme ou attachés
aux membranes du réticulum endoplasmique.
III. LE RETICULUM ENDOPLASMIQUE (RE):
1) Structure
Le RE est un ensemble de cavités closes communicantes entre elles.
La forme de ces cavités est très variable (citernes aplaties, vésicules
globuleuses et tubes contournés).
Il se présente en microscopie électronique sous deux formes différentes,
correspondant à 2 aspects fonctionnels, le réticulum endoplasmique
rugeux, en continuité avec l’enveloppe nucléaire et le réticulum
endoplasmique lisse (figure 9).
Figure 9 : Schéma représentant les deux types de réticulum endoplasmique
a) Le réticulum endoplasmique rugueux ou granulaire (RER ou REG) : formé
de saccules ou de citernes aplaties, de 20 à 30 nm de largeur, garnis sur
leur face cytoplasmique de ribosomes. Leur contenu est amorphe non
dense aux électrons (figure 10).
Figure 10: Ultrastructure du RER
Le RER est présent dans toutes les cellules nucléées. Il est peu
développé dans les cellules indifférenciées et particulièrement abondant
dans les cellules spécialisées dans la synthèse et la sécrétion de
protéines et de glycoprotéines (cellules acineuses du pancréas exocrine,
plasmocytes).
b) Le RE lisse ou agranulaire : Il est formé de tubules à paroi lisse de 30 à
60 nm de diamètre plus ou moins tortueux, ramifiés et anastomosés. Il
est souvent en continuité avec les citernes du RER (figure 11).
Le REL prédomine dans les cellules spécialisées dans le métabolisme
des lipides et dans les réactions de détoxication ; comme les hépatoytes,
dans les cellules endocrines des gonades et dans la corticosurrénale, il
est abondant aussi dans les cellules musculaires où il forme un réseau
complexe piégeant les ions Ca++ à partir du cytosol.
RER
REL
Figure 11: Ultrastructure du réticulum endoplsmique lisse
2) Caractéristiques biochimiques
Les membranes du RE ont des caractéristiques différentes de
celles de la membrane plasmique :
• Elles sont moins épaisses que la membrane plasmique (5 nm)
• Elles sont plus fluides, du fait de la rareté du cholestérol et des
glycolipides et la richesse en phospholipides.
• Les glucides des glycolipides et des glycoprotéines sont rares et
orientés vers la phase luminale.
• Les protéines membranaires sont moins nombreuses. Elles sont
essentiellement des enzymes intervenant dans la synthèse des
protéines, dans le métabolisme des lipides et dans la détoxification
(cytochrome P450).
3) Fonctions
a) RER :
* Synthèse des protéines :
Le RER intervient dans la synthèse des protéines grâce aux
ribosomes fixés sur leur membrane.
La synthèse protéique concerne les protéines sécrétoires, les
protéines lysosomiales et les protéines intégrales des biomembranes.
Les protéines ribosomales, nucléaires, du cytosquelette et les protéines
extrinsèques des biomembranes sont synthétisées dans le cytosol et
font intervenir des ribosomes libres.
La synthèse se fait à partir d’un ARNm qui possède une séquence
de nucléotides codant pour un « peptide signal » (courte chaîne
peptidique N-terminal).
La synthèse de ce peptide signal s’effectue dans le cytosol et elle
induit le transfert des ribosomes libres vers la membrane du RER. En
effet, le peptide signal est reconnu au cours de sa synthèse par une
ribonucléoprotéine (SRP). La SRP interagit spécifiquement avec le
peptide et se lie au ribosome et entraîne l’arrêt de la synthèse protéique,
dès que la séquence signal émerge dans sa totalité du ribosome (figure
12).
Un récepteur de la membrane du RER ayant la forme d’un canal
transmembranaire, reconnait simultanément la SRP et la séquence
signal. Il fixe la grosse sous-unité du ribosome à la membrane du RER et
permet l’internalisation de la séquence protéique dans la lumière du
RER. Ce récepteur est constitué de deux glycoprotéines : les
ribophorines qui constituent la paroi du canal transmembranaire (figure
12).
Figure 12 : Synthèse protéïque dans le RER
Lorsque la séquence signal se trouve dans la lumière du RER, elle
est coupée grâce à une enzyme, la signal-peptidase, liée à la face
luminale de la membrane puis elle sera dégradée.
La synthèse du polypeptide continue et s’arrêtera au niveau des
codons Stop situés à l’extrémité 3’ de l’ARNm. Les ribosomes ayant
achevé la synthèse protéique, se détachent de la membrane et leurs
deux sous-unités se séparent.
La
protéine
ainsi
synthétisée
acquiert
une
structure
tridimentionnelle.
* Glycosylation des protéines :
C’est l’une des principales fonctions de biosynthèse du RER. Elle
consiste à synthétiser et à greffer des chaînes glucidiques sur les
protéines synthétisées dans le RER. La glycosylation modifie certaines
propriétés des protéines synthétisées (solubilité, stabilité et charges).
Ces chaînes glucidiques servent de signaux de reconnaissance.
Dans le RER, le premier rameau glucidique ajouté à la protéine en
cours de synthèse est un oligosaccharide composé de 14 oses. IL est
fixé au groupement amine de l’acide aminé « Asparagine » de la chaîne
polypeptidique.
Cet
oligosaccharide
est
constitué
de :
N-acétyl
glucosamine, de mannose et de glucose (figure 13). Il subira des
modifications secondaires dans le RE, puis dans l’appareil de Golgi, d’où
la diversité des oligosaccharides dans les glycoprotéines matures.
Figure 13 : Structure de base des rameaux glucidiques fixés aux protéine dans le RER
Le rameau glucidique est initialement lié à une molécule
lipidique de la membrane du RER, le dolichol par un groupement
pyrophosphate.
Et
grâce
à
l’enzyme
glycosyl-transférase,
l’oligosaccharide est transféré en une seule étape sur l’asparagine dès
que cet acide aminé émerge dans la lumière dans le polypeptide en
cours de synthèse.
b) REL
Grâce aux nombreuses enzymes contenues dans ses membranes,
le REL intervient dans plusieurs fonctions :
- Biosynthèse des lipides membranaires : cette fonction est
assurée par les enzymes situées sur la face cytosolique.
Les principaux lipides synthétisés sont les phospholipides qui
dérivent des acides phosphatidiques comme la phosphatidylcholine
(PC), la phosphatidyléthanolamine (PE), la phosphatidylsérine (PS), le
phosphatidylinositol (PI).
- Dans les hépatocytes, le REL intervient:
. Dans la synthèse des composants lipidiques des
lipoprotéines sécrétées par ces cellules,
. Dans la détoxification de certains produits endogènes
ou exogènes (drogues, médicaments....), grâce aux cytochromes P450
et à d’autres enzymes de détoxification.
La détoxification se fait par hydroxylation et glycuroconjugaison.
- Dans les cellules stéroïdogènes, les membranes du REL
contiennent des enzymes intervenant dans la chaîne de biosynthèse des
stéroïdes à partir du cholestérol mitochondrial.
- Dans les fibres musculaires striées, le REL contient des
pompes à Ca++ (Ca++ ATPases) piégeant le CA++ cytosolique. Ce
calcium est libéré à travers des canaux ioniques au cours de la
contraction.
IV. L'APPAREIL DE GOLGI
L’appareil de Golgi joue un rôle très important dans le
métabolisme cellulaire. Il est le lieu de maturation de diverses molécules.
Il assure également le tri et la distribution des substances qu'il reçoit du
réticulum endoplasmique. C'est aussi le fabriquant de lysosomes
Il est en relation avec le RER d’une part, et la membrane
plasmique, d’autre part.
1) Structure
La forme et la taille de l’appareil de Golgi diffèrent d’une cellule à
l’autre et dans une même cellule selon son état fonctionnel.
Il apparaît en microscopie optique souvent sous forme d’éléments
arqués, les dictyosomes uniques ou multiples, disséminés dans le
cytoplasme ou autour du noyau.
Dans les cellules polarisées, il est souvent placé entre le noyau et
la membrane plasmique apicale.
En microscopie électronique, les dictyosomes sont constitués de
saccules ou citernes empilés. Le nombre de saccules varie de 5 à 8
(figure 14).
Les dictyosomes sont réunis par de nombreux tubules et présentent de
nombreuses vésicules de bourgeonnement.
Figure 14: Ultrastructure de l'appareil de Golgi
Chaque dictyosome possède deux faces (figure 14’):
une
face
cis
(convexe)
en
rapport
avec
le
réticulum
endoplasmique. Elle est reliée au RE par un réseau tubulaire. Elle est
constituée de saccules très aplatis avec une membrane fine (6 nm).
une face trans (concave) en liaison avec la membrane plasmique,
constituée de saccules un peu dilatés qui donnent naissance par
bourgeonnement à des grains de sécrétion. La membrane des saccules
est épaisse (10nm).
Cette polarité morphologique des dictyosomes traduit une polarité
fonctionnelle de l’appareil de Golgi.
Figure 14’ : Les deux faces cis et trans du dictyosome
2) Composition chimique :
La composition biochimique des membranes golgiennes est
intermédiaire entre celle du RE et de la membrane plasmique :
Dans les saccules de la face cis, la membrane est pauvre en cholestérol
et riches en protéines (rapport protéines/lipides = 2 à 4).
Les techniques cytochimiques ont montré l’existence de phosphatidases
et phosphotransférases.
Dans les saccules de la face trans, la membrane est riche en cholestérol
et moins riches en protéines (rapport protéines/lipides = 1). Les enzymes
sont surtout des phosphatases acides et des hydrolases ainsi que des
glycosyltransférases.
3) Fonctions :
L’appareil de Golgi assure des fonctions multiples.
* Glycosylation des protéines
C’est la fonction principale. Elle concerne toutes les protéines
synthétisées dans le RER.
Cette fonction a été mise en évidence par l’étude de la migration
d'un acide aminé marqué (la leucineH3 tritiée) dans la cellule
pancréatique.
Les protéines synthétisées dans le REG sont transportées vers
l'appareil de Golgi dans des vésicules qui naissent par bourgeonnement
de la membrane du RE (figure 15). Ces vésicules fusionnent avec le
saccule cis de l’AG ; puis le transport des protéines se poursuit de
saccule en saccule jusqu'à la face trans. Ce transport est GTPdépendant. Les protéines sont ensuite exportées vers la membrane par
des vésicules d’exocytose (grains de sécrétion).
Figure 15: Transfert et glycosylation des protéïnes dans l'appareil de Golgi
Au cours du transit golgien, les protéines subissent :
soit une O-glycosylation (fixation d’un glucide sur l’oxygène d’un
radical OH) de la sérine ou thréonine ou hydroxylysine,
soit un remaniement des rameaux glucidiques fixé lors la Nglycosylation subie dans le RE (phosphorylation ou élimination des
mannoses, addition de galactose, de glucose, d’acide sialique ou d’acide
N-neuraminique ou encore sulfatation).
Pour les glycoprotéines lysosomiales (hydrolases acides), il y a
fixation d'un groupement mannose 6 phosphate qui permet la
reconnaissance spécifique de ces glycoprotéïnes et leur tranfert vers
des vésicules lysosomiales (figure 16).
Figure 16 : Glycosylation des protéines lysosomiales dans l’appareil de Golgi
* Protéolyse
Elle correspond à la transformation de protéines inactives en
protéines actives par l’action des endopeptidases ou protéases.
Elle concerne essentiellement les protéines sécrétoires (insuline,
collagène....).
* Biosynthèse des glycolipides
L'appareil de Golgi est le site essentiel de la synthèse de la partie
glucidique des gangliosides (glycolipides
très
abondants
de
la
membrane plasmique).
* Transfert et tri des protéines
Dans les saccules de la face trans, se déroule le tri des N ou O
glycoprotéines et des glycolipides. Il met en jeu un signal de tri
spécifique
impliquant
des
récepteurs
membranaires
internes
et
l'agrégation selective des produits de sécrétion.
Les molécules destinées à être exportées (protéines secrétoires)
ou à intégrer la membrane plasmique sont empaquetées dans des
vésicules de transport qui quittent continuellement le Golgi et qui vont
fusionner avec la membrane plasmique. Pour les enzymes lysosomiales,
les vésicules sont au début couvertes par un manteau de clathrine, puis
elles perdent leur manteau et deviennent nues (figure 17).
Figure 17 : Transfert et tri des enzymes lysosomiales
Figure 17 : Transfert et tri des protéines dans l’appareil de Golgi
V. Les lysosomes
Les lysosomes constituent un ensemble d’organites assurant la
fonction lytique de la cellule.
Leur contenu est constitué principalement d'enzymes lytiques, les
hydrolases
acides
(nucléases,
protéases,
glycosidases,
lipases,
phosphatases, sulfatases, phospholipases) actives à pH acide (4,5 à 5) .
L’acidité à l’intérieur du lysosome est assurée grâce à des pompes
à protons insérées dans la membrane qui utilisent l’énergie libérée par
l’hydrolyse de l’ATP.
1) Structure
La structure des lysosomes varie en fonction de leur état
fonctionnel. On distingue les lysosomes primaires, les lysosomes
secondaires et les corps résiduels (figure 18).
Figure 18: Les différents types de lysosomes
a- Les lysosomes primaires sont des granules de stockage des
hydrolases acides qui ne contiennent pas de substrats à digérer ou de
résidus de la digestion.
Ils apparaissent en microscopie électronique à transmission sous
forme de petites vésicules grossièrement sphériques de taille variable de
0,5 à 1 µm de diamètre, limitée par une membrane lisse ; leur contenu
est homogène dense aux électrons (figure 19).
Figure 19 : Lysosome primaire
Figure 19 : Lysosome primaire
b- Les lysosomes secondaires sont des lysosomes en
activité. Ils contiennent en plus des hydrolases acides, des substrats à
digérer ou en cours de digestion et des résidus de la digestion sous
forme
de
particules
opaques
aux
électrons
ou
de
fragments
membranaires.
Ils apparaissent en microscopie électronique comme des organites
de grande taille, de forme irrégulière et à contenu hétérogène.
En fonction de l’origine des produits dégradés, on distingue deux
types de lysosomes II (figure 20):
Figure 20 : Lysosome secondaire
-
les
phagolysosomes
ou
vacuoles
digestives
hétérophagiques, naissant de la fusion des lysosomes I avec des
vacuoles
d’endocyose
spécifique
ou
non
spécifiques
(phagosomes).
- les cytolysosomes ou vacuoles autophagiques, naissant
de la fusion d’un lysosome I et d’un organite ou d’un secteur
cytoplasmique (figure 21).
Figure 21 : Lyse d'une mitochondrie par un lysosome (cytolysosome)
c- Les corps résiduels représentent un état évolutif du lysosome
secondaire. Il s’agit donc de lysosomes secondaires qui ont terminé
l’étape de digestion du substrat ingéré et qui ont épuisé leur contenu
enzymatique.
Ils
apparaissent
en
microscopie
électronique
comme
des
corpuscules au contour généralement régulier, de forme circulaire ou
ovoïde et à contenu très hétérogène (débris lamellaires, vésicules,
granules opaques aux électrons) (figure 22).
Figure 22 : Corps résiduel
2) Fonctions des lysosomes
Grâce à leur équipement enzymatique en hydrolases acides, les
lysosomes interviennent dans certains processus physiologiques et
pathologiques :
- Dans le maintien de l’intégrité cellulaire et le renouvellement
cellulaire, en assurant la dégradation des organites cellulaires lésés ou
non fonctionnels et le catabolisme des déchets métaboliques.
- Dans la digestion de matériaux extra-cellulaires : produits
nutritifs, constituants de la matrice extracellulaire (résorption osseuse).
- Dans la défense de l’organisme grâce à leur participation
dans la destruction des microorganismes étrangers.
- Dans la régulation de l’activité hormonale par la dégradation
de l’excés de grains de sécrétion : crinophagie, ou dans la synthèse de
certaines hormones (H thyroïdiennes).
- Dans l’involution de certains organes :
* organes embryonnaires (involution définitive)
* menstruation (involution cyclique)
* glande mammaire (involution temporaire ou définitive)
- Dans la fécondation, en formant le sac acrosomial du
spermatozoïde qui contient des enzymes nécessaires à la traversée des
couches périovocytaires.
- Dans les maladies métaboliques par absence de certaines
enzymes lysosomiales aboutissant à une accumulation de métabolites
(maladies de surcharge ou thésaurismoses génétiques ou acquises).
- Dans les états inflammatoires en libérant massivement et
brutalement leur contenu dans les espaces intercellulaires (infections,
intoxication médicamenteuse).
VI. LES PEROXYSOMES
Les peroxysomes sont des des sacs membraneux comme les vésicules
(0,2 à 0,5 µm de diamètre) présents dans toutes les cellules eucaryotes
et contenant des enzymes puissantes (peroxydases et catalases) qui
utilisent l'oxygène pour neutraliser de nombreuses substances nuisibles
ou toxiques à la cellule. Ils sont particulièrement nombreux dans les
cellules qui ont un rôle de détoxification (foie et rein).
En ME, leur matrice apparaît homogène ou contenant parfois une
structure cristalline (cristalloïde) formée par l’association de structures
Tubulaires (figure 23).
Figure 23: Ultrastructure des peroxysomes
Leur membrane est très fluide (fragile) car pauvre en cholestérol.
Elle est riche en enzymes, surtout des transporteurs d’électrons, des
Les enzymes contenues dans la matrice des peroxysomes assurent la
destruction du peroxyde d’hydrogène (H2O2) et sa transformation en
eau selon deux mécanismes :
un mécanisme qui fait intervenir les peroxydases et un
donneur d’hydrogène : R.H2 + H2O2 → 2H2O + R (oxydation en
présence de peroxydase)
un mécanisme qui fait intervenir les catalases : H2O2 +
H2O2 → O2 + 2H2O
Ces réactions permettent l’oxydation d’une grande variété de
substrats. Ainsi, les peroxysomes assurent plusieurs rôles.
- Le rôle le plus important est la neutralisation des radicaux libres
qui sont des substances chimiques très réactives comportant des
électrons non appariés (ne se déplaçant pas vers d'autres molécules
pour former des couples).
- Dans le foie et le rein, les peroxysomes contribuent très
activement à la détoxification.
Les peroxysomes jouent également un rôle dans:
-
La régulation énergétique de la cellule,
- La dégradation des purines en acide urique
- La transformation des acides gras en glucides :
- L'oxydation des acides gras
- La dégradation des dérivés du cholestérol.
VII. LES MITOCHONDRIES
Ce sont des petits organites cytoplasmiques dont l’ensemble
constitue le chondriome. Elles existent dans toutes les cellules, sauf les
globules rouges. Elles sont particulièrement nombreuses dans les
cellules ayant une grande activité comme le SNC et les muscles. Elles
assurent la respiration cellulaire et la mise en réserve de l'énergie.
A) Structure
En microscopie optique, les mitochondries apparaissent après
utilisation d’un colorant vital électif (rhodamine), sous forme de bâtonnets
de 2 à 7 µm de long sur 0,5 à 1 µm de diamètre.
En microscopie électronique, elles sont entourées par l’enveloppe
mitochondriale qui est formée de deux membranes emboîtées et
séparées par un espace étroit (10 nm), l’espace mésomitochondrial ou
mésomembranaire (figure 24 A et B).
A
B
Figure 24: Ultrastructure de la mitochondrie
La membrane interne délimite la matrice. Elle émet des replis ou
crêtes, perpendiculaires au grand axe de l’organite.
La face matricielle de cette membrane est tapissée par des
particules de 9 nm de diamètre, les particules élémentaires de Green.
La matrice est amorphe ou finement granuleuse, moyennement
dense aux électrons.
B) Composition chimique
Les techniques d’ultracentrifugation et de fractionnement ont
permis
de
déterminer
la
composition
chimique
des
différents
constituants de la mitochondrie:
* La membrane externe est riche en protéines, surtout en protéines
de transport (les porines) qui forment des pores membranaires facilitant
le passage de molécules de PM<5000 da.
* La membrane interne contient une proportion très élevée d’un
phospholipide, la cardiolipine et 3 types principaux de protéines :
- des protéines de transport : nombreuses et conférant à la
membrane une perméabilité très sélective (ATP, ADP, pyruvate, acides
gras)
- des protéines intervenant dans les réactions d’oxydation de la
chaîne respiratoire (cytochromes, NADH déshydrogénase, succinate
déshydrogénase).
- Des navettes: transporteurs d'électrons:
- Un complexe enzymatique, l’ATP synthétase assurant la
fabrication d’ATP à partir d’ADP dans la matrice. Ces complexes
enzymatiques correspondent aux particules de Green observées en ME.
Cette composition est responsable de l’asymetrie de l’architecture
moléculaire de la membrane interne qui représente l’entité fonctionnelle
principale des mitochondries.
* L’espace mésomembranaire contient plusieurs enzymes qui
utilisent l’ATP exporté de la matrice pour phosphoryler d’autres
nucléotides.
* La matrice mitochondriale a une composition très riche. Elle
contient :
- De très nombreuses enzymes (celles qui métabolisent le
pyruvate et les acides gras d’origine cytosolique en acétyl-coenzymeA et
celles qui oxydent l’acétyl coenzymeA).
- De gros granules de 30 à 100 nm de diamètre, opaques aux
électrons, riches en Ca++, Mg++, Na+, K+.
- Des ribosomes mitochondriaux attachés à la membrane
interne de l’enveloppe.
- De l’ADN, des ARN et des enzymes nécessaires à la
réplication de l’ADN et l’expression des gènes mitochondriaux.
L’ADN mitochondrial se présente sous forme d’une petite molécule
bicaténaire circulaire de 5 à 25 µm de long. Il diffère de l’ADN nucléaire
par sa forte teneur en cytosine et en guanine et par l’absence de
protéines histones vraies.
Dans l’espèce humaine, l’ADN mitochondrial comporte 16569
paires de base. La séquence nucléotidique est connue. De nombreux
gènes ont été identifiés. Leurs mutations sont responsables de certaines
maladies mitochondriales d'origine maternelle.
C) Fonctions des mitochondries
1)
Production
d’ATP :
c’est
la
fonction
essentielle
des
mitochondries. La presque totalité de l’énergie nécessaire à la vie de la
cellule provient de l’hydrolyse de l’ATP produit dans les mitochondries.
Elle débute par l'internalisation à partir du cytosol des produits de
dégradation glucidiques, protéïques (pyruvate à partir des acides aminés
et des sucres simples) et lipidiques (acides gras).
Les étapes mitochondriales de la production d'ATP sont les suivantes:
- formation de l’acétyl-CoA à partir des acides gras (oxydation en
présence de NAD : Nicotinamide Adénine Dinucléotide et FAD : Flavine
Adénine Dinucléotide) et à partir du pyruvate (décarboxylation en
présence NAD )
- décarboxylation et déshydrogénation de l’acétyl-CoA au cours
d’un cycle de 8 réactions, le cycle de Kreebs. Au cours de ce cycle, des
ions hydrogènes sont arrachés aux différents substrats et sont repris par
le NAD et le FAD qui sont réduits selon les réactions :
NAD + 2H+ + 2 e-
NADH + H+
FAD + 2H+ + 2 e-
FADH2
- Introduction des atomes H+ dans la chaîne respiratoire
d’oxydoréduction. Le NADH et le FADH2 sont oxydés en cédant les
protons et les électrons à haute énergie à des transporteurs localisés
dans la membrane interne de la mitochondrie, constituant la chaîne
respiratoire :
NADH
déshydrogénase,
Ubiquinone
(coenz
Q),
Cytochromes (B-C1, C) (figure 25). Les électrons sont transmis d’un
transporteur à l’autre de la chaîne respiratoire.
- Création d’un gradient électrochimique et phosphorylation
oxydative :
L’énergie libérée lorsque les électrons passent d’un transporteur à
l’autre est utilisée pour pomper de la matrice les protons vers l’espace
mésomitochondrial. Il se crée ainsi un gradient élecrochimique qui tend à
faire rentrer les protons dans la matrice à travers un complexe protéique
F0-F1, formé de deux sous-unités différentes (figure 25).
Figure 25 : Etapes de la production d'ATP dans la mitochondrie
F0 correspond à un canal membranaire à protons; F1 est formé de
nombreuses protéines (α, β, γ, δ) qui forment des particules saillantes
dans la matrice, les particules de Green délimitant une lumière centrale
par où passent les ions H+. Ce complexe joue le rôle d’ATP synthétase,
catalysant la phosphorylation de l’ADP en ATP (figure 26).
La réaction de phosphorylation étant couplée aux réactions
d’oxydation de la chaîne respiratoire, l’ensemble du phénomène porte le
nom de phosphorylation oxydative.
Figure 26: Composition protéïque des sous-unités F0 et F1 de l'ATP
synthétase
2) Les autres fonctions des mitochondries
- Synthèse des protéines : en faible quantité, mais de manière
continue. Elle concerne 5 à 10% des protéines mitochondriales.
- Concentration et stokage
* d’ions Ca++, Na+, K+
* de métaux : or, fer, osmium
* de glyco et lipoprotéines