Les mitochondries

Introduction

La mitochondrie est un organite possédant son propre génome, au sein duquel s'effectue la synthèse de la majeure partie de l'ATP — principale forme d'énergie — lors de la phosphorylation oxydative chez les eucaryotes aérobies. Elle participe également à d'autres voies métaboliques : synthèse des phospholipides membranaires, des hormones stéroïdes, et mouvements du calcium en relation avec le réticulum endoplasmique. Son intérêt médical est majeur : son ADN, exclusivement d'origine maternelle, est le support d'un groupe de maladies héréditaires particulières, les cytopathies mitochondriales, et sa chaîne respiratoire est la cible de nombreux toxiques. Nous étudierons successivement sa structure morphologique, sa composition chimique compartiment par compartiment, ses fonctions — au premier rang desquelles le rôle énergétique — et enfin sa biogenèse.

I. Structure morphologique

A. En microscopie optique

• Techniques de coloration : sur cellules fixées, coloration à la fuchsine d'Altmann ou microscopie à fluorescence à la rhodamine ; sur cellules vivantes, contraste de phase au vert Janus (colorant vital), qui permet aussi d'observer les mouvements de la mitochondrie.
• Forme et taille : arrondie ou ovalaire (granulaire), ou allongée (filamenteuse), de 0,2 à 1 μm ; exceptionnellement de 3 à 8 μm de long (bâtonnet) ; spiralée au niveau de la pièce intermédiaire du spermatozoïde.
• Nombre : variable selon le type et l'état d'activité cellulaires. Un hépatocyte contient de 500 à 3 000 mitochondries, soit 20 % du volume cellulaire.
• Répartition : dispersées dans l'hépatocyte ; au pôle basal dans la cellule du tube proximal ; aux pôles basal ET apical dans l'entérocyte.

B. En microscopie électronique

La mitochondrie comporte une membrane externe (ME) et une membrane interne (MI), séparées par l'espace intermembranaire (EI). La MI délimite la matrice mitochondriale (MM) et lui envoie des expansions : les CRÊTES mitochondriales.

• Sur fraction mitochondriale après coloration négative — les mitochondries isolées par ultracentrifugation en gradient de saccharose sont mises dans une solution hypotonique à 2 % de phosphotungstate de potassium, ce qui entraîne leur éclatement ; le dépôt du phosphotungstate autour des structures constitue la coloration négative. Cette technique révèle des particules élémentaires ou ATPASOMES attachées à la membrane interne : une sphère de 4 nm, F1, prolongée par F0, qui comprend un pied et une base hydrophobe.

C. Les crêtes mitochondriales

• Crêtes lamellaires : les plus courantes, parallèles, perpendiculaires ou obliques par rapport au grand axe.
• Crêtes tubulaires : SPÉCIFIQUES des cellules sécrétant les hormones stéroïdes.
• Crêtes prismatiques (de section triangulaire) : dans les astrocytes.

D. La matrice mitochondriale

• Granulations fondamentales : de 3 à 4 nm, les plus nombreuses, en général de nature protéique.
• Granules denses : de 25 à 100 nm, contenant Ca²⁺ et Mg²⁺.
• Ribosomes mitochondriaux (mitoribosomes) : de 15 nm, pas toujours faciles à observer.
• ADN mitochondrial : CIRCULAIRE, observable dans des conditions favorables.

II. Composition chimique et architecture moléculaire

A. La membrane externe

• Son rapport lipides/protéines est proche de celui de la membrane plasmique : 40 % de lipides, 60 % de protéines — phospholipides en majorité, peu de cholestérol.
• Elle contient 3 500 protéines par μm², dont :
• Les PORINES, constituées de 3 feuillets β — disposition qui n'existe pas dans la MP — autour d'un pore de 2 à 3 nm, permettant le transport PASSIF de molécules de PM ≤ 10 kDa.
• D'autres protéines de transport (protéines, cholestérol), le récepteur d'importation des protéines et l'acyl-coenzyme A synthétase.

B. L'espace intermembranaire

• Il contient des protons (H⁺) et le cytochrome c, situé sur la face externe de la membrane interne.

C. La membrane interne

• Lipides : 20 à 25 % seulement. Phospholipides pour la plupart, dont le CARDIOLIPIDE (10 %), responsable de la forte imperméabilité de la MI aux ions, et notamment aux H⁺. Absence totale de cholestérol.
• Protéines : 75 à 80 % — proportion la plus élevée de toutes les membranes cellulaires, avec 6 500 protéines par μm². On y trouve des transporteurs (co-transporteurs de l'ADP, de l'ATP, du pyruvate, des ions phosphate, des acides gras entre EI et matrice), des récepteurs d'importation, l'ATP synthase et les complexes de la chaîne respiratoire.

D. L'ATPasome et l'ATP synthase

• Le facteur F1 : sphère de 4 nm tournée vers la MATRICE, faite de 3 sous-unités α et 3 sous-unités β disposées en alternance autour d'une sous-unité γ, laquelle se prolonge vers la base ; s'y ajoutent les sous-unités δ et ε, situées au niveau du pédoncule. C'est ce complexe qui représente l'ATP SYNTHASE.
• Le facteur F0 : base hydrophobe insérée dans la bicouche lipidique, constituée d'une couronne de 9 à 12 sous-unités c autour de γ, formant une sorte de ROTOR. C'est le transporteur transmembranaire de protons.

E. Les complexes de la chaîne respiratoire

Ce sont des accepteurs d'électrons catalysant des réactions d'oxydoréduction. Ils sont disposés dans la membrane interne selon un ordre précis, en fonction de leurs potentiels oxydoréducteurs — le plus oxydant étant le plus éloigné du substrat.

• L'ubiquinone (UQ) ou coenzyme Q (CoQ) est une petite molécule LIPOSOLUBLE, mobile dans la membrane.
• Les cytochromes ne peuvent transporter qu'UN SEUL électron à la fois, alors que le NADH en donne DEUX.

F. La matrice mitochondriale

• Enzymes : le complexe pyruvate déshydrogénase, qui transforme le pyruvate en acétyl-CoA en présence de coenzyme A et produit du NADH ; les enzymes de la β**-oxydation des acides gras** (produisant acétyl-CoA, NADH et FADH₂) ; les enzymes du cycle de Krebs — décarboxylases et déshydrogénases à NAD et FAD.
• Métabolites, les uns produits sur place, les autres importés.
• Plusieurs copies d'ADN mitochondrial, ribosomes, ARNm, ARNt et enzymes de l'expression des gènes mitochondriaux.
• Ions : Ca²⁺, phosphates, Mg²⁺, H⁺.

III. Le rôle énergétique : la phosphorylation oxydative

L'énergie est produite dans la matrice sous forme d'ATP par la phosphorylation oxydative, mécanisme au cours duquel l'O₂ dissous est consommé et du CO₂ libéré : c'est la respiration cellulaire. Les sources d'énergie sont les glucides, les lipides principalement, et les protéines dans une moindre mesure. Le produit final de la dégradation du glucose et des acides gras est un groupement acétyl (CH₃-CO−).

A. Formation de l'acétyl-CoA

• À partir du pyruvate : dans le cytosol, la glycolyse transforme le glucose en 2 pyruvates, qui pénètrent dans la matrice par un symport pyruvate/H⁺. Sous l'action de la pyruvate déshydrogénase, en présence de CoASH, le pyruvate est converti en acétyl-CoA avec élimination de 1 CO₂ et production de NADH + H⁺.
• À partir des acides gras saturés : pour pénétrer dans la matrice, ils sont d'abord activés en acyl-CoA par l'acyl-CoA synthétase, enzyme de la membrane EXTERNE. Dans la matrice, l'acide gras est dégradé par étapes (hélice de Lynen) ; à chaque étape, la molécule est raccourcie de deux carbones avec production d'un acétyl-CoA, une molécule de FADH₂ et une molécule de NADH + H⁺.

B. Le cycle de Krebs

Le cycle de Krebs (cycle de l'acide citrique ou des acides tricarboxyliques) comporte 7 réactions successives de décarboxylation et d'oxydation par déshydrogénation. Toutes se déroulent dans la matrice, À L'EXCEPTION de celle catalysée par la succinate-déshydrogénase (complexe II, liée au FAD), qui est intégrée à la membrane interne. Bilan d'un tour de cycle :

• 2 CO₂ éliminés.
• 3 paires d'électrons transférées à 3 NAD⁺ → 3 (NADH + H⁺).
• 1 paire d'électrons transférée à 1 FAD → 1 FADH₂.
• 1 GTP formé.

C. Le transport des électrons et le gradient de protons

• Les électrons du NADH sont cédés au complexe I, qui les transmet au complexe III via le coenzyme Q, puis au complexe IV via le cytochrome c.
• Les électrons du FADH₂ (issus du succinate au niveau du complexe II) sont cédés au coenzyme Q, puis au complexe III et au complexe IV.
• L'oxygène moléculaire est l'accepteur FINAL ; il devient l'ion superoxyde O₂⁻, puis se lie aux protons : ½ O₂ + 2 e⁻ + 2 H⁺ → H₂O.
• Simultanément, les protons sont pompés vers l'espace intermembranaire : au niveau de 3 SITES (I, III, IV) pour le NADH, et de 2 SITES SEULEMENT (III, IV) pour le FADH₂. Le pompage est un phénomène actif, utilisant l'énergie libérée par le passage des électrons d'un état de haute à un état de basse énergie.
• Il en résulte un gradient de H⁺ : le pH de la matrice est plus élevé que celui de l'espace intermembranaire, lui-même égal à celui du cytosol — la MI étant fortement imperméable aux ions. Pour rétablir l'équilibre, un flux de H⁺ retourne vers la matrice À TRAVERS L'ATP SYNTHASE. Cette force protonique est utilisée par F1, qui fonctionne comme un rotor, pour synthétiser de l'ATP à partir d'ADP + Pi.

D. Bilan énergétique global à partir d'une molécule de glucose

IV. Les autres fonctions de la mitochondrie

A. Le génome mitochondrial et la synthèse protéique

• L'ADN mitochondrial est CIRCULAIRE, semblable à celui des bactéries ; il en existe 2 à 10 copies par mitochondrie.
• Il contient les gènes codant 13 protéines impliquées dans le transport d'électrons et la phosphorylation oxydative, ainsi que les ARNr 16S et 12S et 22 ARNt.
• Il comporte quelques différences avec le code universel.
• Les ribosomes mitochondriaux de l'homme et des vertébrés supérieurs sont de 50S à 60S : grande sous-unité 35S à 45S, petite sous-unité 25S à 33S.
• Chez l'Homme, le génome mitochondrial est transmis par la MÈRE.

B. L'importation des protéines d'origine cytosolique

• La mitochondrie ne code qu'environ 10 % de ses protéines ; le reste est importé du cytosol.
• Cette importation nécessite un signal d'adressage (peptide signal) : séquence de 20 à 80 résidus d'acides aminés, fortement BASIQUE (charges positives).
• Elle nécessite aussi des protéines chaperons : la protéine, maintenue semi-déployée par Hsp70 cytosolique, est reconnue par un récepteur de la membrane externe.

C. La synthèse des hormones stéroïdes

• Dans les glandes endocrines spécialisées, la mitochondrie coopère avec le REL : un cytochrome P450 de la MI, dont le site actif est du côté de la matrice, et un cytochrome P450 de la même famille appartenant au REL, avec un site actif du côté cytosolique.
• Ces enzymes utilisent l'O₂ moléculaire et les électrons du NADPH, produit soit par le cycle de Krebs, soit par phosphorylation du NADH.

D. Autres fonctions

• Contrôle du calcium cytosolique, en coopération avec le REL.
• Synthèse des précurseurs de certains acides aminés : la méthionine et la lysine dérivent de l'oxaloacétate.

E. Biogenèse

• Les mitochondries ont une origine MATERNELLE et se renouvellent EN SE DIVISANT.
• Expérience de Luck (1963), sur une souche mutante de « Neurospora crassa » incapable de synthétiser la choline : en présence de choline tritiée, toutes les mitochondries sont marquées après 2 heures ; après incubation en milieu froid, toutes sont encore marquées mais chacune ne contient que la MOITIÉ du marquage — preuve d'une division, et non d'une synthèse de novo.
• Le renouvellement des protéines mitochondriales est de 10 à 15 % par jour ; dans un hépatocyte, leur durée de vie est d'environ 10 jours. Elles sont détruites par AUTOPHAGIE.

Conclusion

La mitochondrie tire toutes ses propriétés de sa double membrane. La membrane externe, perméable grâce aux porines, laisse passer les molécules jusqu'à 10 kDa. La membrane interne, au contraire, est la plus riche en protéines (75-80 %) et la plus imperméable grâce au cardiolipide : c'est cette imperméabilité qui permet d'établir le gradient de protons dont l'ATP synthase tire l'énergie. Ses replis, les crêtes, en démultiplient la surface. Le bilan à retenir est celui d'une molécule de glucose : 2 ATP dans le cytosol, 34 ATP dans la mitochondrie. Enfin, la mitochondrie est un organite semi-autonome : elle possède un ADN circulaire de type bactérien, ne code que 10 % de ses protéines, se divise pour se renouveler et se transmet exclusivement par la mère — trois caractères qui fondent à la fois la théorie endosymbiotique et la génétique très particulière des cytopathies mitochondriales. Les chapitres suivants aborderont les autres organites du cytoplasme, en commençant par les ribosomes.