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!PARIS!VII!:!BICHAT-LARIBOISIERE! 1er%semestre%2019*2020!

UE 2 BIOLOGIE CELLULAIRE

FICHE DE COURS 10 : MITOCHONDRIES PEROXYSOMES

CPCM – 106 Bd Saint Germain 75006 PARIS – Tel : 01.46.34.52.25 [email protected] / www.prepa-cpcm.com

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES Table des matières I.% Mitochondries! 1)% Formes,!fonctions,!nombre!et!distribution! 2)% Régulation!de!la!dynamique!mitochondriale!:!transport,!fusion,!fission! A.% Transport% B.% Fusion% C.% Fission% D.% Mitophagie% E.% Formation%de%vésicules% 3)% Pathologies! 4)% Répartition!géographique!des!enzymes!mitochondriales! 5)% Les!compartiments!de!la!mitochondrie! A.% ADNm% B.% Membranes,%espace%intermembranaire%et%crêtes%:%translocations%protéiques% 1.% TOM%ET%TIM% 2.% OXA%

3% 4% 4% 5% 5% 6% 6% 7% 7% 8% 9% 9% 10% 11% 12%

C.% Membrane%interne%et%crêtes%(OXPHOS)% D.% Les%cycles%de%synthèse%du%NADH% II.% Les!peroxysomes!(corps!de!peroxyde)! 1)% Caractères!morphologiques! 2)% Flexibilité!et!dynamisme!des!peroxysomes! 3)% La!synthèse!du!peroxyde!d’hydrogène! 4)% Les!fonctions!des!peroxysomes! 5)% Biogenèse! 6)% Signal!d’import!dans!le!peroxysome! 7)% Import!des!protéines!peroxysomales! 8)% Les!peroxines! 9)% Gènes!PEX!:!importance!des!peroxysomes! A.% Maladies%résultant%du%déficit%d’une%seule%enzyme%peroxysomale% B.% Maladies%résultant%d’un%déficit%dans%la%biogenèse%du%peroxysome% C.% Autres%processus%pathologiques%

12% 13% 14% 15% 16% 16% 17% 18% 18% 19% 19% 19% 20% 20% 20%

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES I. Mitochondries

Représentation schématique de la structure

Organite cytoplasmique

Taille

Fonctions principales

Origine

§฀ Avec 2 membranes o Présence de crêtes mitochondriales §฀ Espace appelé matrice §฀ Présence de mitoribosomes §฀ Possède son propre ADN §฀ Environ 1000 mitochondries par cellule o Variable d’un type cellulaire à un autre

§฀ 0,5 à 1 micron X 1 à 10 microns

§฀ Production et stockage énergétique o Par utilisation de l’oxygène §฀ Maintien de l’homéostasie calcique §฀ Synthèse de l’hème, de phospholipides o En particulier certains phospholipides neuronaux §฀ Synthèse de molécules de signalisation o Dont des neurotransmetteurs §฀ Initie le processus de mort cellulaire §฀ Immunité innée §฀ Autophagie §฀ Endosymbiose il y a 1,5 milliard d’années o Archéobactéries aérobies phagocytées par les cellules primitives eucaryotes - 1 membrane interne d’origine bactérienne - 1 membrane externe d’origine cellulaire o Avantage par rapport : production énérgétique plus importante

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES 1) Formes, fonctions, nombre et distribution Fibroblaste

Cardiomyocyte

Neurone

Jusqu’à 25%

Supérieure à 30%

Supérieure à 50%

Cancer

Ischémie Insuffisance cardiaque

Pathologies neurodégénératives

Répartition différente selon le type cellulaire

Masse mitochondriale par cellule Pathologie associée à une dysfonction mitochondriale

2) Régulation de la dynamique mitochondriale : transport, fusion, fission

Vue d’ensemble

Biogenèse

Fusion

Fission

Mitophagie

§฀ Environ 1000 protéines différentes dans une mitochondrie o Mais 90% sont importées o 10% sont synthétisées à partir de l’ADNm et les mitoribosomes - L’ADN mitochondrial ne code que 13 protéines §฀ Entre plusieurs mitochondries §฀ Augmentation de la masse mitochondriale §฀ Mécanismes de fusion régulés par des protéines spécifiques non codées par l’ADN mitochondrial §฀ Séparation des mitochondries §฀ Augmentation du nombre de mitochondries o Pour aller en général vers un mécanisme de mitophagie §฀ Mécanismes de fusion régulés par des protéines spécifiques non codées par l’ADN mitochondrial §฀ Dégradation §฀ Mécanismes de fusion régulés par des protéines spécifiques non codées par l’ADN mitochondrial

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES A. Transport

Représentation schématique

Protéines impliquées

§฀ Protéines cargo qui transportent les mitochondries d’un endroit à un autre o Miro1 o Miro2 o Milton o Syntaphiline o KIF5 o Dynéine

Fonctions

§฀ Transport mitochondrial sur le cytosquelette

Métabolisme responsable Effets

§฀ §฀ §฀ §฀

Hypoxie Niveau de glucose Ratio ATP/ADP local Redistribution des mitochondries intracellulaires B. Fusion

Représentation schématique

Protéines impliquées Fonctions Métabolisme responsable Effets

§฀ Mfn1 §฀ Mfn2 §฀ MitoPLD §฀ L-Opa1 §฀ Fusion de 2 (ou plus) mitochondries ensemble o Mitochondrion §฀ Déprivation en nutriments §฀ Elongation §฀ >OXPHOS

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES C. Fission

Représentation schématique

Protéines impliquées

§฀ §฀ §฀ §฀

Fonctions

§฀ Division d’une mitochondrie en plusieurs mitochondries

Métabolisme responsable Effets

§฀ §฀ §฀ §฀

Drp1 S-Opa1 Mff Fis1

Excès de nutriments Stress Mitophagie > glycolyse D. Mitophagie

Représentation schématique

Protéines impliquées

§฀ NIX §฀ PINK1 §฀ Parkin

Fonctions

§฀ Remplacement des mitochondries endommagées

Métabolisme responsable Effets

§฀ Excès de stress oxydatif §฀ Diminution du nombre de mitochondries

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES E. Formation de vésicules

Représentation schématique

Protéines impliquées

§฀ Vps35 §฀ PINK1 §฀ Parkin

Fonctions

§฀ Petites vésicules adressées aux autres organelles

Métabolisme responsable

§฀ Oxydation des protéines mitochondriales §฀ Biogenèse du peroxysome §฀ Renouvellement des protéines mitochondriales o Plus rapide que l’import protéine par protéine §฀ Transport lipidique

Effets

3) Pathologies Gène

Héritabilité

Maladie

Symptômes

§฀ Charcot-MarieTooth §฀ Charcot-Marie§฀ Neuropathie héréditaire aire Tooth §฀ Neuropathie sensitivo-motrice héréditaire moteure et sensitive §฀ Atrophie optique 1 §฀ Perte progressive de l’acuité §฀ Atrophie optique visuelle plus syndrome de Berr

Fréquence

Mfn2

§฀ AD §฀ AR §฀ AD

OPA1

§฀ AD §฀ AD §฀ AR

MFF

§฀ AR

§฀ Encéphalopathie

§฀ Démence

§฀ Très rare

§฀ AR

§฀ Parkinson héréditaire de révélation précoce

§฀ Atrophie multisystème §฀ Paralysie supranucléaire progressive

§฀ Rare

PINK1

§฀ 1/2500

§฀ 1/50 000

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES 4) Répartition géographique des enzymes mitochondriales 1. A la membrane externe

1. Monoamine Oxydase 2. Enzymes d’activation des acides gras 3. La porine o Laisse passer les molécules de poids moléculaire inférieur à 10 000

2. L’espace intermembranaire

1. Adénylate kinase o AMP + ATP à฀ 2 ADP

3. La membrane interne

1. ATP synthetase = ATPase = F1/F0 2. La chaîne respiratoire (les cytochromes) 3. Des transférases/translocases 4. Acyl carnitine transférase 5. ATP/ADP translocase 6. Phosphate translocase

4. La matrice mitochondriale

1. Enzymes solubles du cycle de Krebs 2. Enzymes de la bêta-oxydation 3. Enzymes impliquées dans la bio-synthèse des protéines mitochondriales

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES 5) Les compartiments de la mitochondrie A. ADNm ADN double brin circulaire

Code pour

§฀ 16,6 kb (16569 paires de nucléotides) §฀ 2 rRNAs §฀ 22tRNA §฀ 13 protéines de la chaîne OXPHOS sans région intronique o 85 sous-unités donc 72 sont originaires de l’ADN nucléaire §฀ Le code génétique est différent de celui de l’ADN nucléaire

Division

§฀ Asynchrone avec celle de l’ADN nucléaire

Héritage

§฀ Uniquement maternel

§฀ Sur les 150 000 copies d’ADN mitochondrial dans l’oocyte initial, seule une partie est transmis aux cellules de l’ovocyte o Pour la plus grande part, les ADNm sont identiques au sein d’un individu = homoplasmie §฀ Cependant, des mutations somatiques peuvent survenir et s’accumuler avec le temps Homoplasmie §฀ Les mutations de l’ADNm induisent alors des pathologies complexes car : o Il n’y aura uniquement qu’une proportion des ADNm qui seront mutés et - La notion de proportion d’ADNm est importante car il y a souvent un hétéroplasmie effet de seuil dans la proportion d’ADNm mutés pour l’expression d’un phénotype o Certaines pathologies mitochondriales peuvent être spécifiques d’organes du fait de l’activité métabolique différente d’un organe à l’autre de chaque enzyme o La pénétrance des ADNm potentiellement mutés est variable §฀ CPEO : Cardiomyopathy with or without encephalopathy o tRNA Leu §฀ KSS : Syndrome de Kearns-Sayre o tRNA Lys §฀ MELAS : Myopathie, Encephalopathie, Acide Lactique, Stroke like o tRNA Leu Pathologies liées à des gènes §฀ MERRF : Myoclonic epilepsy and ragged red fibres o tRNA Lys mitochondriaux et gènes §฀ NARP : Neuropathy ataxia and retinis pigmentosa mitochondriaux o ATPase6 §฀ LHON : Leber hereditary optic neuropathy mutés o ND4, ND1, ND6 §฀ Syndrome de Leigh o tRNA Lys, ATPase6 §฀ Diabète et surdité o tRNA Leu

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES B. Membranes, espace intermembranaire et crêtes : translocations protéiques Localisation des protéines codées par l’ADNm Autres protéines :

Système d’import protéique dans la mitochondrie

Protéines précurseurs mitochondriales

Protéines de translocation membranaires

§฀ Toutes les protéines codées par l’ADNm sont localisées sur la face interne de la membrane interne et appartiennent au complexe OXPHOS §฀ Toutes les autres protéines sont importées et transloquées : o Sur la membrane externe (outer) o Ou interne (inner) o Ou dans l’espace intermembranaire §฀ Import post-traductionnel o Séquence signal à l’extrémité N-terminale rapidement retiré (signal peptidase) - Hélice α amphiphile (acides aminés + d’un côté de l’hélice et acides aminés - de l’autre côté de l’hélice) reconnu par des récepteurs spécifiques §฀ Importées sous forme de polypeptides non repliés §฀ Des protéines cytosoliques empêchent les protéines mitochondriales de se replier sous leur forme native : o Sont le plus souvent des protéines chaperones (appartenant à la famille des hsp 70) o Sont parfois spécifiques de leur signal o Puis, sont retirées avant l’engagement dans le translocateur §฀ TOM et TIM (Translocator of the Outer/Inner Membrane) §฀ Ont deux fonctions : o Canal translocateur o Récepteurs pour les protéines mitochondriales

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES 1. TOM ET TIM

Vue d’ensemble

Rôles de TOM et TIM23 Devenir des protéines hydrophobes Devenir des protéines hydrophiles

§฀ De pré-protéines avec séquences pré-séquences sont importées par TOM et TIM23

Rôle des MPP

§฀ Les MPP (Mitochondrial Processing Peptidases) délètent les pré-séquences

Importation par TOM et MIA

§฀ Des protéines riches en cystéines de l’espace intermembranaire §฀ MIA (Mitochondrial IMS import and Assembly system) insère des ponts disulfures dans les protéines importées

§฀ Les protéines avec signal hydrophobe peuvent être relarguées dans l’espace intermembranaire §฀ Importées dans la matrice avec l’aide de PAM (Presequence translocase Associated Motor)

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES 2. OXA

Vue d’ensemble

Rôle d’OXA

§฀ OXA : OXydase Assembly Translocase §฀ Translocateur dans la membrane interne de protéines synthétisées dans la mitochondrie §฀ Aide à l’insertion transmembranaire (interne) de protéines transportées initialement dans la matrice C. Membrane interne et crêtes (OXPHOS)

Représentation schématique

Phosphorylation oxydative (OXPHOS)

§฀ Source principale d’énergie chez les eucaryotes §฀ Processus réalisé grâce à un flux d’électrons entre 4 enzymes, dont 3 sont des pompes à protons §฀ L’énergie accumulée par le gradient de protons est utilisée par le 5ème membre du complexe, l’ATP synthase §฀ Tous les complexes sauf le complexe 2 (SDH) transloquent des protons vers l’espace intermembranaire

Origine mitochondriale ou nucléaire des gènes codant pour les protéines du complexe OXPHOS §฀ En couleurs, les 13 protéines codées par l’ADNm

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES D. Les cycles de synthèse du NADH

Bilans énergétiques pour un glucose

Devenir du pyruvate

§฀ Deux destinées possibles : o Rentrée dans le cycle de Krebs après transformation en acétyl CoA en cas de métabolisme aérobie o Transformation en acide lactique en absence d’oxygène §฀ Le bilan énergétique sera différent

Comparaison entre glycolyse anaérobie et glycolyse aérobie + cycle de Krebs + Chaîne respiratoire

§฀ Dans un système riche en oxygène, il existe un avantage pour un organisme fonctionnant par métabolisme aérobie

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES II.

Les peroxysomes (corps de peroxyde)

Saces membraneux contenant de puissantes enzymes

Les enzymes neutralisent certaines substances toxiques Structure Importation des protéines

Caractéristiques

Plusieurs propriétés communes avec les mitochondries

§฀ Oxydases §฀ Catalase §฀ Définition biochimique (1960) o Une oxydase qui produit H2O2 o Une catalase pour décomposer H2O2 §฀ L’enzyme la plus importante, la catalase, dégrade le peroxyde d’hydrogène o Une des molécules les plus toxiques pour les cellules o Molécule la plus facile à fabriquer lors de la synthèse protéique §฀ Une seule membrane §฀ Pas d’ADN, pas de génome, pas de ribosomes §฀ A partir du cytosol §฀ Toutes les protéines doivent être importées o Comme le RE §฀ Présents chez tous les eucaryotes §฀ Contiennent des enzymes oxydatifs dont la catalase §฀ Utilisent de l’oxygène o Vestige d’un ancien organite qui métabolise l’oxygène - Permettent de fabriquer de l’énergie mais en quantité limitée §฀ Rendus obsolètes par la mitochondrie §฀ Libèrent peu (pas) d’énergie §฀ Proviennent du clivage d’organites préexistants §฀ Importent du cytosol des protéines préformées o La grande majorité pour les mitochondries o La totalité pour les peroxysomes §฀ Participent au même type de métabolisme oxydatif

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES 1) Caractères morphologiques

Observations en microscopie

Dimension

Membrane

Matrice

Le nucléoïde

La plaque marginale

§฀ Diamètre de 0,15 à 1,7 µm §฀ Eléments de structure constante : o Membrane o Matrice §฀ Eléments de structure inconstante o Nucléole o Plaque marginale §฀ Limite le peroxysome à sa périphérie §฀ Semblable à celle de la membrane plasmique §฀ A une épaisseur de 6 à 8 nm §฀ Homogène ou finement granulaire §฀ Modérément opaque au rayonnement électronique §฀ Elle contient quelques fois des filaments ramifiés de 4 à 4,5 nm de diamètre §฀ Est présent chez de nombreuses espèces animales et végétales o Absent chez les primates §฀ Il occupe le centre des peroxysomes §฀ A un aspect dense, poly ou multitubulaire o L’unité est le tubule primaire §฀ La disposition des tubules est variable : o Soit unis étroitement en formation dense o Soit disposés autour d’un espace, constituant la paroi d’un tubule secondaire §฀ Structure plate §฀ Epaisse, linéaire, disposée à la périphérie du peroxysome o Existe dans les peroxysomes du foie et des reins de nombreux primates o Structure : - Très dense au rayonnement électronique - Elle est homogène - Plus épaisse que la membrane du peroxysome

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES 2) Flexibilité et dynamisme des peroxysomes Rôle du milieu

Expérimentations en fonction du milieu donné à des levures

§฀ En fonction de ce qui est « donné à manger » à des cellules eucaryotes, elles auront besoin de plus ou moins de peroxysomes, de catalase, etc… o Le milieu influe directement sur la synthèse des peroxysomes §฀ Levures sur un milieu riche en sucre o Observation de petits peroxysomes §฀ Levures sur un milieu riche en méthanol o Gros peroxysomes - Réactions d’oxydations, pour oxyder le méthanol - Fabrication de peroxyde d’hydrogène §฀ Levures sur des acides gras o Gros peroxysomes pour β-oxyder les acides gras

3) La synthèse du peroxyde d’hydrogène

Mécanisme peroxydasique

Mécanisme de catalase

§฀ Passage d’une molécule (B) à une molécule hydrogénée (B.H2) o Consommation de deux molécules d’eau et libération d’H2O2 - Molécule toxique

§฀ Mécanisme de détoxification §฀ A partir de 2 molécules d’H2O2, fabrication de 2 molécules d’H2O et d’une molécule d’O2

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES 4) Les fonctions des peroxysomes

Synthèse

Rôle de détoxification

Oxydation

§฀ De peroxyde d’hydrogène §฀ Rôle des peroxysomes dans les premières étapes de la synthèse des plasmalogènes : o Classe de phospholipides la plus abondante dans la myéline - Fréquence des atteintes neurologiques dans les maladies des peroxysomes §฀ Dans le foie, le rein,…

§฀ R’H2 = o Alcool o Phénol o Acide formique o Formaldéhyde §฀ β-oxydation des acides gras

Exemple de l’oxydation de l’alcool

Dégradation de l’acide urique

§฀ Catalysée par l’urate-oxydase o Permet la dégradation de l’acide urique en allantoïne o L’acide urique en forte concentration va précipiter sous forme de cristal - L’acide urique est issu notamment de la dégradation de l’ADN - Certains aliments peuvent favoriser la formation d’acide urique (exemple de la crise de goutte) - Fabrication de l’acide urique dans le cas de certaines chimiothérapies §฀ Réaction qui se déroule chez presque tous les mammifères, à l’exception des primates

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MITOCHONDRIES - PEROXYSOMES 5) Biogenèse Formation

§฀ Par bourgeonnement du réticulum endoplasmique lisse

Synthèse de la membrane

§฀ Par le réticulum endoplasmique granulaire o Qui ordonne aussi la synthèse des protéines et des lipides

Elaboration des protéines de la matrice

§฀ Par les ribosomes libres §฀ Exemple : la catalase o Elle se trouve dans le hyaloplasme comme un précurseur, apo-monomère qui s’assemble en tétramère dans la matrice - L’apo-catalase se combine avec l’hème catalase

Division des peroxysomes

§฀ Augmente leurs dimensions

Fission

§฀ Suite à la croissance de peroxysomes préexistants puis fission o Comme mitochondries ou RE §฀ Conséquences de cette fission : croissance des peroxysomes

6) Signal d’import dans le peroxysome Structure et localisation du signal Processus mal connu Peroxine 5 Pex5

§฀ 3 acides aminés à l’extrémité -C de la protéine o Parfois signal -N terminal §฀ Au moins 23 protéines distinctes appelées peroxi...