L1 SV - Biologie cellulaire Février 2007

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

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

3 Organisation, morphologie et dynamique des mitochondries

4 Organisation, morphologie et dynamique des mitochondries

5 Aspect morphologique en microscopie électronique
Matrice finement granuleuse : - mito-ribosomes - ADN (mtDNA) - granules de grande taille - cristaux protéiques cristaux de substances minérales - Structure fibreuse

6 Aspect morphologique Deux membranes séparées par un espace inter-membranaire Membrane externe uniforme et continue Membrane interne formée des crêtes

7 Organisation, morphologie et dynamique des mitochondries

8 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)

9

10 Localisation dans le cytosol
actine Visualisation des mitochondries: immuno-marquage (anticors anti-ATP synthase) protéines de fusion (mit::FP) mitochondries noyau

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

12 Localisation des mitochondries

13 Lien avec les microtubules
mitochondries microtubules

14 Organisation, morphologie et dynamique des mitochondries

15 Les mitochondries des organelles très dynamiques
mit::GFP

16 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.

17 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

18 La division mitochondriale se fait par scissiparité

19 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

20 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

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

22 Les fonctions de la mitochondrie

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

24 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

25 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

26 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

27 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)

28 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

29 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

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

31 Principe du couplage des réactions chimiques

32 L’hydrolyse de l’ATP fournit de l’énergie à la cellule
+31 kJ/mol

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

34

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

36 Phosphorylation oxydative & synthèse d ’ATP

37 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

38 Le génome mitochondrial

39 L’ADN mitochondrial

40 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

41 13 protéines / 1500 sont codées par l’ADN mitochondrial (le reste est codé par le noyau)!!!
2 ARN ribosomiques

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

43 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.

44 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

45 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

46 Origine des mitochondries
La théorie endosymbiotique s’appuie sur le parallèle fait entre les bactéries et les mitochondries

47 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

48 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)

49 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