L1 SV - Biologie cellulaire Février 2007 La mitochondrie L1 SV - Biologie cellulaire Février 2007

Organite intracellulaire à double membrane MOTS CLES Organite intracellulaire à double membrane Intervient dans la production énergétique de la cellule Possède son propre génome

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 morphologique en 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 Visualisation des mitochondries: immuno-marquage (anticors anti-ATP synthase) protéines de fusion (mit::FP) mitochondries noyau

Visualisation des protéines mitochondriales MIT::YFP Tom::MCHERRY MERGE

Localisation des mitochondries

Lien avec les microtubules mitochondries microtubules

Organisation, morphologie et dynamique des mitochondries

Les mitochondries des organelles très dynamiques mit::GFP

Specific adaptors drive mitochondrial transport along microtubules Kinesin HC Microtubule Miro / Milton complex The two images on the left show the distribution of GFP-tagged mitochondria in neurons of control and miro mutant. In miro mutant, we can easily see that mitochondria stack in cell bodies and cannot reach the neuropil. In fact miro together with milton specefically bind mitochondria to Kinesin Heavy Chain and Microtubules driving their movement.

The fusion and fission balance The shape of Mitochondria is controlled by a balance between two antagonistic pathways that promote fusion and fission, respectively. Mitochondria can divide in order to form small entities or can fuse in order to form tubules. small entities tubule

La division mitochondriale se fait par scissiparité

Hyperfusion of mitochondria in fission mutant Control Fission mutant DRP1 drives fission Fission In fission mutant, mitochondria connectivity increases as a result of unbalanced fusion. DRP1, a dynamin-related protein, is crucial for this process. Drp1 is recruited on mitochondria surface and forms a contractile ring around mitochondrial tubule to induce fission. Fusion

Hyperfission of mitochondria in fusion mutant Control Fusion mutant Mitofusin MFN and OPA1 drives fusion Fission In fusion mutant, mitochondria fragment due to unbalanced fission. Proteins promoting fusion are also dynamin like proteins named mitofusin and OPA1. Mitofusin is an integral outer membrane that bridges mitochondria together and induces fusion of the outer membrane. And OPA1 is required for inner membrane fusion. Fusion

« FISSION » « FUSION » mitofusin drp1 + Biogenèse + Morphogenèse + Transport 

Les fonctions de la mitochondrie

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

Fractionnement des mitochondries Milieu de forte osmolarité Matrice Membrane externe Membrane interne Espace intermembranaire Milieu de faible osmolarité Gradient de densité Lyse et centrifugation Centrifugation Membrane interne Matrice Membrane externe Espace intermembranaire

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 ATP ADP Acides gras Pyruvate Phosphate Cytoplasme Membrane externe Espace inter-membranaire ATP ADP Acides gras Pyruvate 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 Acides gras ATP Pyruvate Phosphate Cytoplasme Membrane externe Espace inter-membranaire Acides gras ADP Pyruvate Phosphate ATP H+ H+ H+ Membrane interne ATP Matrice Acides gras ADP Pyruvate Phosphate

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

La chimiosmose Electrons hautement énergétiques Lumière Aliments Electrons hautement énergétiques La chimiosmose Gradient électrochimique de protons transmembranaire Transport membranaire actif Synthèse Mouvement flagellaire

Catabolisme conduisant des aliments aux déchets Schéma simplifié des 3 étapes La chaine respiratoire

Phosphorylation oxydative & synthèse d ’ATP

AUTRES FONCTIONS DES MITOCHONDRIES 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

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

13 protéines / 1500 sont codées par l’ADN mitochondrial (le reste est codé par le noyau)!!! 2 ARN ribosomiques

Le code génétique mitochondrial diffère du code génétique universel L’ADN mitochondrial Le code génétique mitochondrial diffère du code génétique universel

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 endosymbiotique 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 Evolution vers des cellules avec mitochondries et chloroplastes 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