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Les rôles les plus importants assurés par les mitochondries sont : produire l’énergie pour la cellule, l’ATP (par phosphorylation de l’ADP ), par la respiration, et de régler le métabolisme cellulaire [1]Voet, Donald; Judith G. Voet; Charlotte W. Pratt (2006). Fundamentals of Biochemistry, 2nd Edition. John Wiley and Sons, Inc. pp. 547, 556. ...continue. L’ensemble de réactions impliquées dans la production d’ATP est communément connus sous le nom de le cycle de l’acide citrique ou le Krebs cycle. Cependant, la mitochondrie assure de nombreuses fonctions autres que la production d’ATP.

Conversion de l’énergie

Le rôle prédominant des mitochondries est la production d’ATP , comme le témoigne le grand nombre de protéines dans la membrane interne. Cela se fait par oxydation des produits majeurs de glucose : pyruvate et de NADH ., Qui sont produits dans le cytosol [2]Voet, Donald; Judith G. Voet; Charlotte W. Pratt (2006). Fundamentals of Biochemistry, 2nd Edition. John Wiley and Sons, Inc. pp. 547, 556. ...continue Ce type de respiration cellulaire connu sous la respiration aérobie , elle est dépendante de la présence d’oxygène moléculaire. Lorsque la quantité d’oxygène est limitée, les produits glycolytiques sont métabolisés par fermentation anaérobie, ce procédé est indépendant de la mitochondrie [3]Voet, Donald; Judith G. Voet; Charlotte W. Pratt (2006). Fundamentals of Biochemistry, 2nd Edition. John Wiley and Sons, Inc. pp. 547, 556. ...continue. La production d’ATP à partir de glucose a un rendement un d’environ 13 fois plus élevé au cours de la respiration aérobie par rapport à la fermentation [4]Rich PR (2003). « The molecular machinery of Keilin’s respiratory chain ». Biochem. Soc. Trans. 31 (Pt 6): 1095–105.. récemment , il a été démontré que les mitochondries de plantes peuvent produire une quantité limitée d’ATP en absence d’oxygène en utilisant le substrat alternatif du nitrite [5]Stoimenova M, Igamberdiev AU, Gupta KJ, Hill RD (July 2007). « Nitrite-driven anaerobic ATP synthesis in barley and rice root ...continue. L’ATP traverse la membrane interne à l’aide d’une protéine spécifique , et passe à travers la membrane externe par l’ intermédiaire de porines . L’ADP est expulsée par par le même chemin.

Pyruvate et le cycle de l’acide citrique

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Les Pyruvates produites par glycolyse sont activement transportées à travers la membrane mitochondriale interne, dans la matrice où elles peuvent être soit oxydées et combinées avec le coenzyme A pour former du CO2 , l’acétyl-CoA et de NADH [6]Voet, Donald; Judith G. Voet; Charlotte W. Pratt (2006). Fundamentals of Biochemistry, 2nd Edition. John Wiley and Sons, Inc. pp. 547, 556. ...continue, ou elles peuvent être carboxylées ( par la pyruvate carboxylase ) pour former de l’oxaloacétate. Cette dernière réaction « remplit » la quantité de oxaloacétate dans le cycle de l’acide citrique, et est donc une réaction anaplérotique , en augmentant la capacité du cycle à métaboliser l’acétyl-CoA lorsque les besoins énergétiques du tissu (par exemple dans le muscle) sont soudainement augmentés [7]Stryer, Lubert (1995). « Citric acid cycle. ». In: Biochemistry. (Fourth ed.). New York: W.H. Freeman and Company. ...continue

Dans le cycle de l’acide citrique, tous les produits intermédiaires (par exemple , le citrate, l’ iso-citrate, l’alpha-cétoglutarate, le succinate, le fumarate, le malate et l’oxaloacétate) sont régénérés au cours de chaque tour du cycle. L’ajout de plus d’un de ces produits intermédiaires pour la mitochondrie signifie donc que la quantité supplémentaire est retenue dans le cycle, ce qui augmente tous les autres produits intermédiaires qui sont convertis  l’un à l’autre. Par conséquent, l’addition d’un d’entre eux au cycle a un effet anaplérotique, et sa suppression a un effet cataplérotique. Ces réactions anaplérotiques et cataplerotiques, au cours du cycle, vont augmenter ou diminuer la quantité de oxaloacétate disponible pour se combiner avec l’ acétyl-CoA pour former de l’ acide citrique. Ceci à son tour augmente ou diminue le taux de production d’ATP par la mitochondrie, et donc la disponibilité de l’ATP dans la cellule [8]Stryer, Lubert (1995). « Citric acid cycle. ». In: Biochemistry. (Fourth ed.). New York: W.H. Freeman and Company. ...continue.

L’Acétyl-CoA réductase , d’autre part, provenant de l’oxydation du pyruvate ou de la bêta-oxydation des acides gras , est la seule molécule utilisée comme « combustible » à entrer dans le cycle de l’acide citrique. A chaque tour du cycle une molécule d’acétyl-CoA réductase est consommée pour chaque molécule d’oxaloacétate présente dans la matrice mitochondriale, et n’est jamais régénérée. Il est l’oxydation de la fraction acétate d’acétyl-CoA qui produit du CO 2 et d’ eau, l’énergie ainsi libérée capturée sous la forme d’ATP.

Dans le foie, la carboxylation du pyruvate cytosolique en oxaloacétate intra-mitochondriale est une étape précoce dans la voie de néoglucogenès, qui convertit le lactate et l’alanine désaminée en glucose [9]Voet, Donald; Judith G. Voet; Charlotte W. Pratt (2006). Fundamentals of Biochemistry, 2nd Edition. John Wiley and Sons, Inc. pp. 547, 556. ...continue [10]Stryer, Lubert (1995). « Citric acid cycle. ». In: Biochemistry. (Fourth ed.). New York: W.H. Freeman and Company. ...continue, sous l’influence des niveaux élevés de glucagon et / ou de l’adrénaline dans le sang. Ici, l’addition d’oxaloacétate à la mitochondrie n’a pas un effet anaplérotique net, comme un autre cycle de l’ acide citrique intermédiaire (malate) est immédiatement retiré de la mitochondrie et converti en oxaloacétate cytosolique, qui est finalement converti en glucose, dans un processus qui est pratiquement l’inverse de la glycolyse .

Les enzymes du cycle de l’acide citrique sont situées dans la matrice mitochondriale, à l’exception de la succinate déshydrogénase , qui est lié à la membrane mitochondriale interne au niveau du complexe II [11]King A, Selak MA, Gottlieb E (2006). « Succinate dehydrogenase and fumarate hydratase: linking mitochondrial dysfunction and ...continue.  Le cycle de l’ acide citrique oxyde l’acétyl-CoA en dioxyde de carbone et produit des cofacteurs réduits (trois molécules de NADH et d’ une molécule d’ FADH2 ) qui sont une source d’électrons pour la chaîne de transport d’électrons , et une molécule de GTP (qui est facilement convertie en un ATP). [12]Voet, Donald; Judith G. Voet; Charlotte W. Pratt (2006). Fundamentals of Biochemistry, 2nd Edition. John Wiley and Sons, Inc. pp. 547, 556. ...continue

NADH et FADH 2 : la chaîne de transport d’électrons

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Schéma de la chaîne de transport d’électrons dans l’espace intermembranaire mitonchondrial

L’énergie d’oxydoréduction qui provient de la NADH et FADH2 est transférée à l’oxygène moléculaire (O2 ) en plusieurs étapes par l’intermédiaire de la chaîne de transport d’électrons. Ces molécules riches en énergie sont produites dans la matrice via le cycle de Krebs, mais sont également produites dans le cytoplasme par la glycolys .

Les cofacteurs réduits sont importés du cytoplasme via la navette malate-aspartate par un système de protéines Antiports (contre-transporteurs) mais aussi à l’aide de la navette le glycérol Phosphate [13]Voet, Donald; Judith G. Voet; Charlotte W. Pratt (2006). Fundamentals of Biochemistry, 2nd Edition. John Wiley and Sons, Inc. pp. 547, 556. ...continue.

Navette Malate-Aspartate
Navette Glycérol Phosphate

Les complexes protéiques de la membrane interne (NADH déshydrogénase (ubiquinone) , la cytochrome c réductase et la cytochrome c oxydase) effectuent le transfert et la libération progressive de l’énergie sous forme d’ATP qui sera utilisée pour pomper les protons (H +) dans l’espace intermembranaire. Ce processus est efficace, mais un petit pourcentage d’électrons réduit prématurément l’oxygène, former des espèces réactives de l’oxygène tels que le superoxyde [14]Voet, Donald; Judith G. Voet; Charlotte W. Pratt (2006). Fundamentals of Biochemistry, 2nd Edition. John Wiley and Sons, Inc. pp. 547, 556. ...continue.  Ce mécanisme peut provoquer un stress oxydatif dans les mitochondries et peut par conséquent contribuer à la diminution de la fonction mitochondriale associée au processus de vieillissement (Aging).

Lorsque la concentration des protons augmente dans l’espace intermembranaire, un fort gradient électrochimique est établie à travers la membrane intérieure. Les protons peuvent revenir à la matrice à travers le complexe d’ATP synthase, et leur énergie potentielle est utilisée pour synthétiser de  l’ATP à partir d’ADP et de phosphate inorganique (Pi ) [15]Voet, Donald; Judith G. Voet; Charlotte W. Pratt (2006). Fundamentals of Biochemistry, 2nd Edition. John Wiley and Sons, Inc. pp. 547, 556. ...continue. Ce processus est appelé chimiosmose , et a été décrit d’abord par Peter Mitchell [16]Mitchell P, Moyle J (1967-01-14). « Chemiosmotic hypothesis of oxidative phosphorylation ». Nature. 213 (5072): 137–9. [17]Mitchell P (1967-06-24). « Proton current flow in mitochondrial systems ». Nature. 25 (5095): 1327–8.  qui a reçu en 1978 le prix Nobel de chimie pour ses travaux. Plus tard, une partie du prix Nobel de chimie 1997 a été décerné à Paul D. Boyer et John E. Walker pour la clarification du mécanisme su fonctionnement de l’ATP synthase.

Production de chaleur

Dans certaines conditions, les protons peuvent rejoindre la matrice mitochondriale sans contribuer à la synthèse de l’ATP. Ce procédé est connu sous le nom de la fuite de protons ou de désaccouplement mitochondriale et est dû à la diffusion facilitée de protons dans la matrice. Ce processus transforme l’énergie potentielle qui provient du gradient électrochimique de protons libérés sous forme de chaleur [18]Voet, Donald; Judith G. Voet; Charlotte W. Pratt (2006). Fundamentals of Biochemistry, 2nd Edition. John Wiley and Sons, Inc. pp. 547, 556. ...continue. Le processus est médié par un canal à protons appelé thermogénine ou UCP1 [19]Mozo J, Emre Y, Bouillaud F, Ricquier D, Criscuolo F (November 2005). « Thermoregulation: What Role for UCPs in Mammals and ...continue . La thermogénine est une protéine de  33000 est la première qui fut découverte en 1973 [20]Nicholls DG, Lindberg O (1973). « Brown-adipose-tissue mitochondria. The influence of albumin and nucleotides on passive ion ...continue. La thermogénine se trouve principalement dans le tissu adipeux brun , ou la graisse brune, et est responsable de la thermogenèse pour atténuer les frissons. Le tissu adipeux brun se trouve chez les mammifères, et est à son plus haut niveau en début de vie et chez les animaux hibernants. Chez l’ homme, le tissu adipeux brun est présent à la naissance et diminue quantitativement avec l’âge [21]Mozo J, Emre Y, Bouillaud F, Ricquier D, Criscuolo F (November 2005). « Thermoregulation: What Role for UCPs in Mammals and ...continue.

Stockage d’ions calcium

La fraction de calcium libre dans la cellule peut régler un grand nombre de réactions, le calcium libre est important pour la transduction de signaux dans la cellule. Les mitochondries peuvent transitoirement stocker le calcium  qui contribue à l’homéostasie cellulaire [22]Santulli, Gaetano; Xie, Wenjun; Reiken, Steven R.; Marks, Andrew R. (2015). « Mitochondrial calcium overload is a key determinant in heart ...continue [23]Siegel GJ, Agranoff BW, Fisher SK, Albers RW, Uhler MD, eds. (1999). Basic Neurochemistry (6 ed.). Lippincott Williams & Wilkins. ...continue. En fait, la capacité des mitochondries à stocker pendant longtemps les rend de très bons « tampons cytosolique » pour le calcium [24]Rossier MF (2006). « T channels and steroid biosynthesis: in search of a link with mitochondria ». Cell Calcium. 40 (2): ...continue [25]Brighton, Carl T.; Hunt, Robert M. (1974). « Mitochondrial calcium and its role in calcification ». Clinical Orthopaedics and ...continue [26]Brighton, Carl T.; Hunt, Robert M. (1978). « The role of mitochondria in growth plate calcification as demonstrated in a rachitic ...continue.  le réticulum endoplasmique (RE) est le site de stockage de la majeure partie du calcium [27]Santulli, Gaetano; Marks, Andrew (2015). « Essential Roles of Intracellular Calcium Release Channels in Muscle, Brain, Metabolism, and ...continue  , et il y a une interaction significative entre la mitochondrie et RE en ce qui concerne le calcium.  Le calcium pénètre dans la matrice par l’uniport mitochondrial (Protéine) de calcium situé dans la membrane interne [28]Miller RJ (1998). « Mitochondria – the kraken wakes! ». Trends in Neurosci. 21 (3): 95–97. . Il est principalement entraînée par le potentiel de membrane mitochondrial [29]Siegel GJ, Agranoff BW, Fisher SK, Albers RW, Uhler MD, eds. (1999). Basic Neurochemistry (6 ed.). Lippincott Williams & Wilkins. ...continue. La libération de ce calcium de nouveau à l’intérieur de la cellule peut se produire par l’intermédiaire d’une protéine d’échange sodium-calcium ou par l’ intermédiaire des voies « calcium-induced-calcium-release ». Ceci peut initier des pics de calcium ou d’ondes de calcium avec de grands changements dans le potentiel de membrane .  Ceci peuvent activer une série de système de protéines seconds messagers qui peuvent coordonner des processus tels que la libération des neurotransmetteurs dans les cellules nerveuses et la libération des hormones dans les cellules endocriniennes [30]Santulli, Gaetano; Pagano, Gennaro; Sardu, Celestino; Xie, Wenjun; Reiken, Steven; D’Ascia, Salvatore Luca; Cannone, Michele; Marziliano, Nicola; ...continue.

L’afflux du Ca 2+ dans la matrice mitochondriale a été récemment impliquée en tant que mécanisme de régulation des voies respiratoires bioénergétique en permettant le potentiel électrochimique à travers la membrane de manière transitoire  par impulsion qui va de ΔΨ-dominée à pH-dominée , ce qui facilite une réduction du stress oxydatif [31]Schwarzlander M, Logan DC, Johnston IG, Jones NS, Meyer AJ, Fricker MD, Sweetlove LJ (2012). « Pulsing of Membrane Potential in Individual ...continue . Dans lesneurones, il y a lieu d’une augmentation concomitante des taux cytosolique et mitochondriaux du calcium pour synchroniser l’activité neuronale avec le métabolisme énergétique mitochondrial. Les taux de calcium de la matrice mitochondriale peuvent atteindre des dizaines de taux micromolaires, ce qui est nécessaire pour l’activation de l’isocitrate déshydrogénase, l’ une des enzymes clés de la régulation du cycle de Krebs [32]Ivannikov, M.; et al. (2013). « Mitochondrial Free Ca2+ Levels and Their Effects on Energy Metabolism in Drosophila Motor Nerve ...continue.

fonctions supplémentaires

Les mitochondries jouent un rôle central dans de nombreuses tâches métaboliques, telles que:

  • La signalisation par des espèces réactives de l’oxygène mitochondriales [33]Li X, Fang P, Mai J, et al. (2013). « Targeting mitochondrial reactive oxygen species as novel therapy for inflammatory diseases and ...continue
  • La régulation du potentiel de la membrane [34]Voet, Donald; Judith G. Voet; Charlotte W. Pratt (2006). Fundamentals of Biochemistry, 2nd Edition. John Wiley and Sons, Inc. pp. 547, 556. ...continue
  • Apoptose : mort cellulaire programmée [35]Green DR (September 1998). « Apoptotic pathways: the roads to ruin ». Cell. 94 (6): 695–8.
  • Signalisation de calcium (y compris l’ apoptose induite par le calcium) [36]Hajnóczky G, Csordás G, Das S, Garcia-Perez C, Saotome M, Sinha Roy S, Yi M (2006). « Mitochondrial calcium signalling and cell death: ...continue
  • Régulation du métabolsime cellulaire [37]McBride HM, Neuspiel M, Wasiak S (2006). « Mitochondria: more than just a powerhouse ». Curr Biol. 16 (14): R551–60.
  • Contribution dans la synthèse de l’hème [38]Oh-hama T (1997). « Evolutionary consideration on 5-aminolevulinate synthase in nature ». Orig Life Evol Biosph. 27 (4): ...continue
  • Synthèse des stéroïdes. [39]Rossier MF (2006). « T channels and steroid biosynthesis: in search of a link with mitochondria ». Cell Calcium. 40 (2): ...continue
  • Signalisation hormonale  [40]Klinge, Carolyn (2008). « Estrogenic Control of Mitochondrial Function and Biogenesis ». J Cell Biochem. 105 (6): 1342–1351. : Les mitochondries sont sensibles et réceptives aux hormones, en partie par l’action des récepteurs des oestrogènes mitochondriales (mtERs). Ces récepteurs ont été trouvés dans divers tissus et types de cellules, y compris le cerveau [41]Álvarez-Delgado, Carolina (2010). « Different expression of alpha and beta mitochondrial estrogen receptors in the aging rat brain: ...continue et le coeur [42]Pavón, Natalia (2012). « Sexual hormones: effects on cardiac and mitochondrial activity after ischemia-reperfusion in adult rats. Gender ...continue

Certaines fonctions mitochondriales sont effectuées uniquement dans des types spécifiques de cellules. Par exemple, dans les mitochondries hépatiques, les hépatocytes contiennent des enzymes qui leur permettent de détoxifier l’ammoniac, un produit de déchets métaboliques des protéines. Une mutation dans les gènes régulant l’une de ces fonctions pourrait être la cause de maladies mitochondriales .

Régulation de la prolifération cellulaire

La relation entre la prolifération cellulaire et les mitochondries a été étudiée à l’aide des cellules cancéreuses du col cancer HeLa. Ces cellules tumorales nécessitent une grande quantité d’ATP pour synthétiser des composés bioactifs, tels que les lipides , les protéines et les nucléotides de la prolifération cellulaire rapide [43]Weinberg, Frank; Chandel, Navdeep S. (2009). « Mitochondrial Metabolism and Cancer ». Annals of the New York Academy of ...continue.  La majeure partie de l’ATP dans les cellules tumorales est produite par la voie de la  phosphorylation oxydative (OxPhos ). L’interférence avec OxPhos peut être la cause de l’arrêt du cycle cellulaire, ce qui suggère le rôle des mitochondries dans la prolifération cellulaire [44]Sweet, S.; Singh, G. (1999). « Changes in mitochondrial mass, membrane potential, and cellular adenosine triphosphate content during the ...continue. La production d’ TP mitochondriale est également essentiel pour la division cellulaire en plus d’autres fonctions de base dans la cellule , y compris la régulation du volume cellulaire, la concentration du soluté cytoplasmique, et de l’architecture cellulaire [45]Pedersen, Peter L. (1994). « ATP Synthase: The machine that makes ATP ». Current Biology. 4 (12): 1138–1141. [46]Pattappa, Girish; Heywood, Hannah K.; de Bruijn, Joost D.; Lee, David A. (2011). « The metabolism of human mesenchymal stem cells during ...continue [47]Agarwal, Bhawana (2011). « A role for anions in ATP synthesis and its molecular mechanistic interpretation ». Journal of ...continue. Les niveaux d’ATP sont différents et diffèrent selon le stade du cycle cellulaire , ce qui suggère qu’il existe une relation entre l’abondance de l’ATP et la capacité de la cellule à entamer un nouveau cycle cellulaire [48]Sweet, S.; Singh, G. (1999). « Changes in mitochondrial mass, membrane potential, and cellular adenosine triphosphate content during the ...continue.

Le rôle de l’ATP dans les fonctions de base de la cellule rend le cycle cellulaire sensible aux changements dans la disponibilité de l’ ATP mitochondrial [49]Sweet, S.; Singh, G. (1999). « Changes in mitochondrial mass, membrane potential, and cellular adenosine triphosphate content during the ...continue. La variation des niveaux d’ATP aux différents stades du cycle cellulaire soutiennent l’hypothèse selon laquelle la mitochondrie joue un rôle important dans la régulation du cycle cellulaire [50]Sweet, S.; Singh, G. (1999). « Changes in mitochondrial mass, membrane potential, and cellular adenosine triphosphate content during the ...continue. Bien que les mécanismes spécifiques entre les mitochondries et la régulation du cycle cellulaire ne soient pas bien compris, des études ont montré que les points de contrôle du cycle cellulaire surveillent la capacité énergétique avant d’engager un nouveau cycle de la division cellulaire.

Références   [ + ]

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