Fiche de révision : Biologie cellulaire

📋 Plan du Cours

1. Cellule, cytoplasme et cytosol
2. Réticulum endoplasmique
3. Ribosomes et synthèse protéique
4. Appareil de Golgi et trafic
5. Modifications post-traductionnelles
6. Vésicules, endosomes et transport
7. Noyau et chromatine
8. Mitose et prophase
9. Structure et composition membranaires
10. Lipides et protéines membranaires
11. Transports membranaires passifs
12. Transports membranaires actifs
13. Organisation des mitochondries
14. Respiration et fonctions mitochondriales
15. Origine et pathologies mitochondriales

📖 1. Cellule, cytoplasme et cytosol

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule : Unité structurale, fonctionnelle et reproductrice constituant tout ou partie d’un être vivant, à l’exception des virus.
• Cytoplasme : Matériel biologique compris entre la membrane plasmique et l’enveloppe nucléaire ; il comprend le cytosol et les organites en suspension.
• Cytosol : Phase liquide translucide du cytoplasme, délimitée par les membranes et dépourvue des organites qui y baignent.

★ À maîtriser

• Le cytosol contient beaucoup de K⁺ et de protéines négatives, mais très peu de Na⁺, de Cl⁻ et de Ca²⁺ par rapport au milieu extracellulaire.

• Le cytosol sert de réserve de matériaux, de carrefour pour l’anabolisme et le catabolisme des acides aminés, glucides, acides gras et nucléotides, et de lieu de transduction du signal vers les organites et le noyau.

Compléments

• Les cellules humaines sont eucaryotes et les cellules de même type s’organisent en tissus, puis en organes.

• Dans l’hépatocyte, le cytosol représente 54 % du volume cellulaire, les mitochondries 22 %, le REG 9 %, le REL et le Golgi 6 %, le noyau 6 %, et les structures vésiculaires environ 1 % chacune.

• Le cytosol contient environ 85 % d’eau, a un pH de 7,0 et est quatre fois plus visqueux que l’eau.

• Les protéines représentent environ 200 mg/mL et 20 à 30 % du volume du cytosol.

💡 Astuce mémo

Le cytosol est liquide ; le cytoplasme ajoute les organites.

📖 2. Réticulum endoplasmique

🔑 Notions clés & Définitions

• Réticulum endoplasmique : Réseau de membranes internes interconnectées, en continuité avec les membranes nucléaires, formant des tubules et des sacs appelés citernes.
• Microsome : Vésicule issue de la fragmentation du réticulum endoplasmique après lyse cellulaire ; il n’existe pas dans une cellule vivante.

★ À maîtriser

📌 Le REG porte des ribosomes sur sa face cytosolique, tandis que le REL est constitué uniquement de membranes ; les deux sont en continuité et ne sont pas des organites séparés.

• Le REG synthétise les protéines membranaires, celles de la plupart des organites et les protéines sécrétées hors de la cellule.

• Le REL synthétise des lipides, des acides gras, des phospholipides, du cholestérol, des lipoprotéines et des céramides, et fournit des lipides à la membrane externe mitochondriale.

• Dans le muscle strié, le réticulum sarcoplasmique stocke le calcium, le libère dans le cytosol par des canaux calciques pour déclencher la contraction, puis le recapture grâce à des pompes ATP-dépendantes pour permettre la relaxation.

Compléments

• Le réticulum endoplasmique constitue au moins 50 % des membranes cellulaires et environ 10 % du volume cellulaire.

• Dans les hépatocytes, les enzymes à cytochrome P450 du REL participent à la détoxification et à l’élimination de pesticides, de carcinogènes et de médicaments.

💡 Astuce mémo

REG : protéines ; REL : lipides.

📖 3. Ribosomes et synthèse protéique

🔑 Notions clés & Définitions

• Ribosome : Particule ribonucléoprotéique constituée d’ARN et de protéines, présente dans tout le vivant sauf les virus, et responsable de la synthèse protéique.
• Activité ribozyme : Capacité d’un acide nucléique à catalyser une réaction chimique spécifique.

★ À maîtriser

📌 Les ribosomes procaryotes ont une taille de 70 S et ceux des eucaryotes de 80 S ; les mitochondries possèdent des ribosomes de 70 S.

• Lors de la synthèse protéique, le ribosome lit l’ARNm par appariement avec des ARNt porteurs d’acides aminés, forme des liaisons covalentes entre ces acides aminés et allonge la chaîne protéique.

📌 Les ribosomes liés au REG synthétisent notamment les protéines sécrétées, lysosomales et de la membrane plasmique, tandis que les ribosomes libres synthétisent les protéines destinées au noyau, aux mitochondries, aux peroxysomes et, chez les végétaux, aux chloroplastes.

• 🔄 La translocation cotraductionnelle suit ces étapes :
  1. Le peptide signal N-terminal dirige le ribosome vers le pore Sec61 du RE.
  2. La chaîne peptidique pénètre dans la lumière du RE pendant sa synthèse.
  3. Une peptidase clive le peptide signal.

Compléments

• Les deux sous-unités ribosomiques s’assemblent pour la synthèse protéique puis se désassemblent à sa fin et retournent dans le pool cytosolique commun.

• Les polysomes sont des ensembles de ribosomes qui démarrent successivement sur un même ARNm et peuvent être libres ou liés au REG.

• Le peptide signal est une séquence N-terminale de 15 à 30 acides aminés reconnue par la particule de reconnaissance du signal, ou SRP, qui permet l’association du ribosome au pore aqueux du RE ; le peptide signal est clivé lorsque la protéine y est engagée.

• Pour insérer une protéine dans la membrane du RE, le peptide signal dirige la chaîne vers le pore aqueux, puis une séquence hydrophobe stop-transfer sort du pore et s’insère dans la membrane, tandis que la synthèse se poursuit du côté cytosolique.

💡 Astuce mémo

Signal → Sec61 → lumière du RE.

📖 4. Appareil de Golgi et trafic

🔑 Notions clés & Définitions

• Appareil de Golgi : Centre de tri constitué d’un empilement de 4 à 6 saccules membranaires discoïdaux, aussi appelés dictyosomes, localisé principalement près du noyau.

★ À maîtriser

📌 Le cis-Golgi reçoit les vésicules du RE, la zone médiale constitue la partie intermédiaire et le trans-Golgi forme des vésicules de sécrétion ou destinées aux endosomes et aux lysosomes.

• 🔄 Le transport dans le Golgi suit ce trajet :

  1. Des vésicules du REG arrivent au cis-Golgi.
  2. Le contenu progresse vers la zone médiale.
  3. Le contenu atteint le trans-Golgi, où des vésicules bourgeonnent.

• Les types de vésicules et leurs trajets sont :

  • Les vésicules COP II transportent des protéines du RE vers le Golgi.
  • Les vésicules à clathrine bourgeonnent du trans-Golgi vers la membrane plasmique ou l’endosome.
  • Les vésicules COP I assurent le transport rétrograde du trans-Golgi vers le cis-Golgi puis le RE.

• L’appareil de Golgi assure la maturation des protéines, poursuit leurs modifications post-traductionnelles, participe au trafic membranaire et trie les protéines selon leur destination.

Compléments

• Les vésicules COP I empêchent la sortie des protéines spécifiques du RE vers les voies de sécrétion et permettent le recyclage de certaines enzymes.

💡 Astuce mémo

Cis reçoit, médial transforme, trans expédie.

📖 5. Modifications post-traductionnelles

🔑 Notions clés & Définitions

• Glycosylation N-liée : Transfert, dans le RE, d’un précurseur oligosaccharidique de 14 sucres sur l’azote d’une chaîne latérale d’asparagine.

★ À maîtriser

• Le précurseur oligosaccharidique est synthétisé sur le dolichol dans le RE et comprend 2 N-acétylglucosamines, 9 mannoses et 3 glucoses.

• La calnexine reconnaît le glucose terminal d’une protéine, puis une glucosidase retire ce glucose ; si la protéine est mal repliée, une glucosyl-transférase lui ajoute de nouveau un glucose, ce qui la retient dans le RE pour son repliement.

• Dans le Golgi, les protéines subissent le clivage de précurseurs polypeptidiques, la poursuite de la glycosylation et des modifications d’acides aminés par sulfatation ou phosphorylation.

• Dans le cis-Golgi, l’ajout de mannose-6-phosphate par la phosphotransférase et la phosphodiestérase marque les protéines destinées au lysosome.

Compléments

• La synthèse du précurseur commence sur la face externe du RE, puis le précurseur bascule vers la lumière par flip-flop et reçoit des sucres supplémentaires jusqu’à sa forme complète sur la face interne.

• L’oligosaccharyl transférase transfère le précurseur sur une asparagine de la chaîne peptidique, puis trois glucoses et un mannose sont éliminés avant le transfert de la protéine vers le cis-Golgi.

• Une protéine mal repliée est renvoyée du RE vers le cytosol par Sec61, déglycosylée par la N-glycanase, puis dégradée par le protéasome après marquage par l’ubiquitine.

📌 Dans le cis-Golgi, les oligosaccharides peuvent être phosphorylés pour l’adressage lysosomal et leurs résidus mannose sont modifiés, tandis que le trans-Golgi assure la sulfatation des tyrosines et des sucres.

• La maturation N-glycosylée dans le Golgi retire 3 mannoses, ajoute 1 N-acétylglucosamine, retire 2 autres mannoses, puis ajoute une N-acétylglucosamine, un galactose et un acide N-acétylneuraminique.

📖 6. Vésicules, endosomes et transport

🔑 Notions clés & Définitions

• Endocytose : Phénomène actif de captation de matériel extracellulaire, présent dans tous les types cellulaires sauf les érythrocytes.
• Endosome : Sous-compartiment cellulaire qui reçoit les vésicules d’endocytose et trie leur contenu vers le recyclage membranaire, la dégradation ou d’autres compartiments.
• Vésicule : Structure membranaire plus ou moins sphérique, délimitée par une membrane phospholipidique et contenant de nombreuses protéines.
• Transcytose : Transport d’un contenu d’un pôle à l’autre d’une cellule épithéliale par endocytose puis exocytose, sans que le contenu soit nécessairement dégradé.
• Lysosome : Compartiment de 0,2 à 0,4 μm contenant des enzymes de dégradation actives à pH très acide.
• Peroxysome : Organite de 0,2 à 1 μm présent dans les cellules eucaryotes sauf les réticulocytes et les hématies, qui participe à la détoxification et au métabolisme des acides gras.

★ À maîtriser

📌 La sécrétion constitutive est continue et limitée par la capacité de synthèse protéique, tandis que la sécrétion régulée dépend d’un signal de fusion et de la quantité de vésicules prêtes à fusionner.

📌 La phagocytose capte de grosses particules dans des phagosomes pouvant atteindre 10 μm, la macropinocytose forme des vésicules irrégulières de 50 à 1000 nm, la pinocytose à clathrine forme des vésicules de 100 à 150 nm, la pinocytose classique capte des solutés dans des vésicules lisses d’environ 100 nm et les cavéoles mesurent 50 à 80 nm.

• 🔄 La maturation endosomale suit ces étapes :
  1. Les vésicules d’endocytose perdent leur clathrine et deviennent des endosomes précoces.
  2. Elles fusionnent avec des vésicules du Golgi pour former des endosomes tardifs.
  3. Le contenu mature et l’endosome fusionne avec des vésicules lysosomales.
  4. Des pompes ATP-dépendantes acidifient le contenu.

• Lors de la phagocytose médiée par un récepteur, la liaison à la particule déclenche l’extension de pseudopodes dépendant de l’actine, qui l’enferment dans un phagosome ; celui-ci fusionne avec un lysosome, puis les débris sont expulsés par exocytose.

Compléments

• La formation d’une vésicule comprend l’assemblage des protéines de couverture sur des récepteurs membranaires, la courbure de la membrane, le bourgeonnement, puis le détachement de la vésicule et le retrait de sa couverture.

• Dans la formation des vésicules COP I, COP II ou à clathrine, ARF activée par le GTP recrute les coatomères, la membrane bourgeonne, la dynamine hydrolyse le GTP pour séparer la vésicule, puis la couverture se dépolymérise.

• Après fusion avec la membrane plasmique, les domaines intravésiculaires deviennent extracellulaires, tandis que les domaines cytosoliques restent cytosoliques.

• L’endocytose contribue à la nutrition, à la défense et au maintien de l’homéostasie, tandis que l’exocytose permet notamment la sécrétion d’hormones, de protéines et de médiateurs chimiques.

• La transcytose des IgG maternelles à travers l’épithélium intestinal du nouveau-né contribue au transfert immunologique et à sa défense contre les agents pathogènes durant les premiers mois de vie.

• Lors de l’autophagie, une membrane issue du RE entoure des éléments cytoplasmiques, se ferme en vésicule, fusionne avec des lysosomes pour dégrader son contenu, puis évolue vers des corps résiduels.

📖 7. Noyau et chromatine

🔑 Notions clés & Définitions

• Noyau : Compartiment cellulaire séparé du cytosol par une enveloppe à double membrane, mais communiquant avec lui par des pores nucléaires.

★ À maîtriser

• Les pores nucléaires sont des complexes de nucléoporines à architecture octamérique qui traversent les deux membranes nucléaires et limitent fortement la diffusion passive aux ions et aux protéines de très petite taille.

📌 L’entrée des protéines dans le noyau nécessite généralement un signal de localisation nucléaire et des importines, tandis que leur sortie dépend d’un signal d’export et d’exportines ; ces navettes interagissent avec le pore et nécessitent la protéine Ran activée par le GTP.

📌 L’euchromatine est peu condensée et transcriptionnellement active, tandis que l’hétérochromatine est très condensée et transcriptionnellement inactive.

• Un chromosome métaphasique comprend deux chromatides sœurs reliées par un centromère, chaque chromatide correspondant à une molécule d’ADN et portant un bras court, un bras long et deux télomères.

Compléments

• Le nucléole est le lieu de transcription des gènes d’ARN ribosomiques, les corps de Cajal participent à la régulation et à l’assemblage de petits ARN impliqués dans l’épissage, et les granules speckles sont des lieux de maturation et d’épissage des ARNm.

• L’enveloppe nucléaire comprend deux membranes en continuité avec le réticulum endoplasmique, séparées par un espace périnucléaire de 30 nm ouvert sur la lumière du RE.

• En prophase, la phosphorylation des lamines désorganise leur réseau, l’enveloppe nucléaire se détruit et le contenu nucléaire est libéré dans le cytosol ; en télophase, les lamines sont déphosphorylées et des saccules issus du RE recouvrent la chromatine puis fusionnent pour reformer l’enveloppe et ses pores.

• L’export des ARNm vers le cytosol nécessite leur association à des protéines formant un assemblage ribonucléoprotéique reconnu par le transporteur central du pore.

• Les trois premiers niveaux de compaction de la chromatine sont observés en interphase, tandis que les trois derniers le sont en mitose ou en méiose.

• Les kinétochores, situés de part et d’autre du centromère, relient les microtubules au chromosome pendant la mitose.

• Le chromosome painting montre que chacun des 23 paires de chromosomes occupe un territoire défini dans le noyau, sans mélange avec la chromatine des chromosomes voisins.

• Le nucléole contient les gènes codant les ARNr ; chez l’humain, 5 chromosomes participent à sa formation.

💡 Astuce mémo

Euchromatine active, hétérochromatine silencieuse.

📖 8. Mitose et prophase

🔑 Notions clés & Définitions

• Mitose : Phase du cycle cellulaire d’environ 2 h durant laquelle les chromosomes condensés sont visibles et qui aboutit à deux cellules filles identiques.
• Centrosome : Centre organisateur des microtubules, constitué d’une paire de centrioles perpendiculaires entourés de matériel péricentriolaire.
• Kinétochore : Ancrage protéique associé au centromère qui attache une chromatide aux microtubules et permet sa séparation et sa migration vers un pôle.

★ À maîtriser

📌 La mitose est une division asexuée produisant des copies génétiques identiques, tandis que la méiose est une division sexuée produisant des gamètes.

• La mitose comprend la prophase, la prométaphase, la métaphase, l’anaphase et la télophase ; la cytodiérèse accompagne la division mais n’est pas une phase de la mitose.

• En prophase, la chromatine se condense en chromosomes individualisés, les nucléoles se désagrègent, l’enveloppe nucléaire disparaît, les centrosomes migrent vers les deux pôles et les microtubules se réorganisent en fuseau mitotique bipolaire.

• La prométaphase s’achève lorsque tous les chromosomes sont attachés aux microtubules par leurs kinétochores ; un signal inhibiteur réduit alors le risque de non-disjonction.

• En métaphase, les chromosomes condensés se rassemblent sur la plaque équatoriale grâce à la polymérisation et à la dépolymérisation des microtubules, tandis que les centrosomes occupent les deux pôles cellulaires.

• En anaphase, un signal rompt la jonction protéique entre les chromatides sœurs, qui migrent vers des pôles opposés grâce aux microtubules kinétochoriens en dépolymérisation.

• En télophase, les chromosomes se décondensent, l’élongation des microtubules polaires s’arrête, l’enveloppe nucléaire se reforme autour des chromatides individuelles et un sillon de division apparaît.

Compléments

• Quand la taille d’une cellule augmente, sa surface d’échange croît comme le carré du rayon tandis que ses besoins métaboliques croissent comme son cube, ce qui rend le rapport surface/volume moins favorable et peut conduire à la division cellulaire.

• Chaque centriole est formé de 9 triplets de microtubules parallèles ; le centrosome se duplique pendant la phase de synthèse et ses deux exemplaires forment les pôles du fuseau mitotique.

• Les kinétochores arriment et transportent les chromatides le long des microtubules grâce à des moteurs moléculaires utilisant l’ATP.

• Pendant l’anaphase, les microtubules polaires s’allongent et éloignent les pôles du fuseau mitotique ainsi que les chromatides.

• Le sillon de division peut apparaître dès l’anaphase, dans un plan perpendiculaire à l’axe du fuseau mitotique, et sépare le cytoplasme ainsi que les organites entre les deux cellules filles.

• Lors du clivage, un anneau contractile d’actine et de myosine se resserre de façon centripète, forme un passage étroit puis sépare les deux cellules filles.

💡 Astuce mémo

Prophase : condensation, désorganisation nucléaire, fuseau.

📖 9. Structure et composition membranaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Membrane cellulaire : Frontière entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule, dotée d’une perméabilité sélective.
• Modèle de la mosaïque fluide : Modèle décrivant une membrane de composition hétérogène dont les phospholipides et les protéines peuvent se déplacer ; il a été proposé par Singer et Nicholson en 1970.

★ À maîtriser

• La membrane plasmique est une bicouche lipidique de 7 à 8 nm d’épaisseur, visible en microscopie électronique sous l’aspect d’une structure en voie ferrée.

• La membrane plasmique est composée de 49 % de lipides, 43 % de protéines et 8 % de glucides.

Compléments

• Les membranes cellulaires sont principalement constituées de lipides, de glucides et de protéines.

• Les lipides constituent le squelette membranaire, les protéines assurent notamment des fonctions de transport, de réception et d’enzyme, et les glucides sont liés aux lipides ou aux protéines.

📖 10. Lipides et protéines membranaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Molécule amphipathique : Molécule possédant une tête hydrophile tournée vers l’extérieur de la bicouche et des queues hydrophobes orientées vers son intérieur.
• Glycocalyx : Zone péri-cellulaire riche en glucides constituée de glycolipides et de glycoprotéines, qui participe à la reconnaissance et à la protection cellulaire.

★ À maîtriser

📌 Les acides gras insaturés favorisent la fluidité membranaire, tandis que les acides gras saturés favorisent la rigidité.

📌 Les protéines intrinsèques, ou intégrales, traversent la membrane, tandis que les protéines extrinsèques, ou périphériques, lui sont accolées par interactions électrostatiques ou ancrage lipidique.

Compléments

• Les acides gras membranaires ont généralement un nombre pair de carbones compris entre 14 et 24 ; les acides gras saturés sont linéaires, tandis que les insaturés présentent un coude.

• La cohésion des phospholipides membranaires repose sur les liaisons de Van der Waals et les interactions hydrophobes.

• Le cholestérol s’intercale entre les phospholipides et rigidifie les membranes ; les phytostérols, notamment le sitostérol, le stigmastérol et le campestérol, sont caractéristiques des plantes et représentent 30 à 50 % des lipides de leurs membranes plasmiques.

• Les glucides membranaires se trouvent toujours sur la face externe de la bicouche et sont liés à des lipides ou à des protéines.

• Les portions transmembranaires des protéines intrinsèques comprennent généralement 20 à 25 résidus d’acides aminés hydrophobes en hélice α.

• Les protéines membranaires peuvent diffuser latéralement, comme le montre le mélange des protéines de deux cellules différentes après leur fusion.

• Le groupe AB est receveur universel et le groupe O est donneur universel ; la N-acétylgalactosamine détermine l’antigène A et le galactose détermine l’antigène B.

💡 Astuce mémo

Les lipides forment la bicouche, tandis que les protéines y flottent ou la traversent.

📖 11. Transports membranaires passifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Diffusion simple : Passage passif de molécules selon leur gradient de concentration, directement à travers la membrane.
• Diffusion facilitée : Passage passif de grosses molécules ou de molécules non liposolubles selon leur gradient de concentration, grâce à des protéines de transport membranaires.
• Osmose : Déplacement passif de l’eau à travers une membrane semi-perméable, d’un milieu hypotonique vers un milieu hypertonique jusqu’à l’isotonicité.

★ À maîtriser

📌 Le transport passif s’effectue sans dépense d’énergie et selon le gradient de concentration, du milieu le plus concentré vers le moins concentré.

📌 Les protéines porteuses changent de conformation pour transporter leurs molécules, tandis que les protéines tunnels forment des pores sans changer de conformation.

Compléments

• La diffusion simple concerne notamment :

  • O₂
  • CO₂
  • N₂
  • le benzène
  • l’urée
  • le glycérol
  • l’éthanol
  • les stéroïdes
  • l’eau

• Les substances qui ne traversent pas par diffusion simple sont :

  • le saccharose
  • les acides aminés
  • le glucose
  • les ions

• Le canal ionique est un pore sélectif permettant le passage très rapide d’ions, jusqu’à un million par seconde.

• Les aquaporines sont des tétramères dont chacun des quatre monomères transporte sélectivement l’eau et bloque les ions ; leur diamètre est de 0,2 nm.

• Une mutation des deux allèles de l’aquaporine 2 peut provoquer un diabète insipide associé à l’excrétion de grands volumes d’urine.

📖 12. Transports membranaires actifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Transport actif : Déplacement de solutés contre leur gradient de concentration, du milieu le moins concentré vers le plus concentré, grâce à une source d’énergie.

★ À maîtriser

📌 Le transport actif primaire utilise directement une source d’énergie comme l’ATP, la lumière ou une réaction d’oxydoréduction, tandis que le transport actif secondaire exploite un gradient ionique.

• La pompe Na⁺/K⁺-ATPase expulse trois ions Na⁺ de la cellule et y fait entrer deux ions K⁺ en utilisant l’énergie de l’ATP.

📌 Un symport transporte simultanément des solutés dans la même direction, tandis qu’un antiport les transporte dans des directions opposées.

Compléments

• La pompe Na⁺/K⁺-ATPase utilise environ 25 % de l’ATP cellulaire et contribue aux signaux électriques nerveux et musculaires, au transport actif d’autres molécules et à l’équilibre osmotique.

• Les transporteurs ABC sont présents chez tous les êtres vivants et importent ou exportent des ions et des xénobiotiques ; leur surexpression dans certaines tumeurs peut contribuer à la chimiorésistance par l’excrétion des xénobiotiques.

• 🔄 Le cotransport H⁺/saccharose se déroule ainsi :

  1. Une pompe à protons transporte activement les H⁺.
  2. Le transport établit un gradient de concentration et un gradient électrique.
  3. Les H⁺ retournent avec le saccharose par symport.

• 🔄 L’étude fonctionnelle suit trois étapes :

  1. Solubiliser les protéines intrinsèques.
  2. Purifier la protéine de transport.
  3. Incorporer la protéine dans des liposomes.

💡 Astuce mémo

Le transport primaire consomme directement de l’ATP ; le secondaire exploite un gradient ionique.

📖 13. Organisation des mitochondries

★ À maîtriser

• Les mitochondries sont des organites à double membrane présents dans les cellules eucaryotes, à l’exception des globules rouges, et chaque cellule en contient environ 1 000 à 3 000 selon son type.

• Les mitochondries produisent de l’ATP à partir de l’énergie libérée par le catabolisme des glucides, des protéines et des lipides, et utilisent environ 98 % de l’oxygène respiré chez les mammifères.

• L’ADN mitochondrial code pour 37 gènes : deux ARN ribosomaux, 22 ARN de transfert et 13 protéines de la membrane mitochondriale interne.

• L’ADN mitochondrial est un ADN circulaire à double brin de 16 569 paires de bases, présent à raison de cinq à dix copies par mitochondrie et transmis par la mère.

• La plupart des protéines mitochondriales codées par l’ADN nucléaire sont synthétisées dans le cytosol avec une séquence signal, maintenues non agrégées par une chaperonne, reconnues par des récepteurs d’importation, transférées vers la matrice puis libérées par clivage de la séquence signal par une protéase.

Compléments

• La membrane externe mitochondriale contient des porines qui laissent passer passivement, dans les deux sens et sans sélectivité, les molécules hydrophiles de masse inférieure à 10 kDa.

• La membrane interne mitochondriale contient jusqu’à 80 % de protéines et environ 20 % de lipides, dont la cardiolipine, qui contribue à son imperméabilité aux protons.

• Les crêtes mitochondriales augmentent la surface de la membrane interne, qui est trois à cinq fois plus étendue que la membrane externe.

• La matrice mitochondriale contient des protéines, des mitoribosomes, plusieurs copies d’ADN mitochondrial circulaire bicaténaire, des ARN de transfert et messagers, des cations divalents et des enzymes du cycle de Krebs et de l’oxydation du pyruvate et des acides gras.

📌 Contrairement à l’ADN nucléaire, l’ADN mitochondrial ne possède généralement pas d’introns, possède un code génétique différent et dispose de systèmes de réparation moins complets et moins efficaces.

• Lors de la division mitochondriale, la mitochondrie mère grandit et duplique son ADN, puis une cloison pénètre dans la matrice et sépare les deux mitochondries filles en environ une minute.

• La fusion mitochondriale forme des mitochondries plus grandes et ramifiées, contribue à leur réparation et dépend des mitofusines à activité GTPasique.

• Les mitochondries ne synthétisent pas tous leurs lipides ; la majorité est produite dans le réticulum endoplasmique puis transférée vers les mitochondries par des mécanismes encore mal connus.

• Les mitochondries ont une demi-vie de six à dix jours selon la cellule et sont détruites par autophagie.

📖 14. Respiration et fonctions mitochondriales

🔑 Notions clés & Définitions

• Phosphorylation oxydative : Processus de production d’ATP par la chaîne respiratoire mitochondriale, située dans la membrane interne et constituée de cinq complexes protéiques.

★ À maîtriser

• Dans la chaîne respiratoire, les électrons du NADH,H⁺ et du FADH₂ circulent dans des complexes d’oxydoréduction, dont l’énergie active des pompes à protons ; le gradient de H⁺ ainsi créé alimente l’ATP synthase pour produire de l’ATP.

Compléments

• Les cinq complexes de la chaîne respiratoire sont :
  • la NADH réductase (I)
  • la succinate-Q réductase (II)
  • la cytochrome C réductase (III)
  • la cytochrome C oxydase (IV)
  • l’ATP synthase (V)

• Le complexe IV réduit une molécule d’oxygène en eau selon la réaction $O_2 + 4e^- + 4H^+ = 2H_2O$, tandis que quatre protons sont pompés de la matrice vers l’espace intermembranaire.

• Le passage de trois ions H⁺ de l’espace intermembranaire vers la matrice permet à l’ATP synthase de produire une molécule d’ATP à partir d’ADP.

• La roténone inhibe le complexe I, l’antimycine le complexe III, le cyanure le complexe IV et l’oligomycine le complexe V.

• Le NADH,H⁺ et le FADH₂ proviennent notamment de la glycolyse, de la bêta-oxydation des acides gras et du cycle de Krebs ; le cycle de Krebs produit trois NADH,H⁺ et un FADH₂ par acétyl-coenzyme A.

• Les mitochondries participent, avec le réticulum endoplasmique, à la biosynthèse des œstrogènes, de la testostérone et de la progestérone à partir du cholestérol.

• Les mitochondries sont un réservoir de calcium avec le réticulum endoplasmique et transportent le calcium par des canaux Na⁺/Ca²⁺ de leur membrane interne.

• En réponse à un signal apoptotique, les mitochondries gonflent, augmentent la concentration de calcium cytosolique et libèrent des molécules apoptogènes comme le cytochrome C et Smac/DIABLO, qui favorisent l’activation des caspases.

• Les radicaux libres de l’oxygène produits par les mitochondries attaquent les protéines, l’ADN et les lipides ; les dommages mitochondriaux réduisent la fluidité des membranes et l’activité respiratoire, augmentent les mutations de l’ADN mitochondrial et entretiennent la production de radicaux libres.

• Les dommages liés aux radicaux libres peuvent provoquer l’arrêt du cycle cellulaire, l’augmentation de l’apoptose et de l’inflammation, ainsi qu’une hausse des pathologies et du vieillissement.

💡 Astuce mémo

Électrons → pompage des protons → gradient → ATP.

📖 15. Origine et pathologies mitochondriales

🔑 Notions clés & Définitions

• Théorie de l’endosymbiose : Théorie proposant que les mitochondries et les chloroplastes proviennent de bactéries phagocytées par des cellules eucaryotes, avec lesquelles elles ont établi des relations durables.
• Hétéroplasmie : Coexistence de molécules d’ADN mitochondrial mutées et normales dans une même cellule.

★ À maîtriser

📌 Les maladies liées à l’ADN mitochondrial résultent d’une mutation ou d’une délétion de cet ADN, tandis que les maladies par dysfonctionnement mitochondrial sont liées à des modifications de l’environnement mitochondrial.

Compléments

📌 La double membrane, l’ADN mitochondrial proche de l’ADN bactérien et un mécanisme de chimiosmose comparable aux bactéries soutiennent l’endosymbiose, tandis que le code génétique mitochondrial différent du code bactérien constitue un argument contraire.

• Les maladies liées à l’ADN mitochondrial touchent les deux sexes, se transmettent par la mère et leur évolution dépend du nombre de mitochondries atteintes.

• Le syndrome de Kearns-Sayre associe des troubles oculaires et une myopathie à une grande délétion de l’ADN mitochondrial, dont 60 % des molécules sont mutées.

• Les maladies dues à un dysfonctionnement mitochondrial touchent davantage les tissus à forte demande énergétique, notamment le cœur, le cerveau et les muscles, et leur transmission dépend du génome nucléaire selon un mode mendélien.

• Le syndrome de Leigh associe une cardiomyopathie et des lésions neurologiques, notamment dans le cœur et le cerveau, deux organes très consommateurs d’énergie.