Fiche de révision : Composés bioactifs et mitochondries

Plan du Cours

  1. Mitochondrie et production énergétique
  2. Respiration mitochondriale et fonctions
  3. Radicaux libres et stress oxydant
  4. Régulation des voies énergétiques
  5. Resvératrol et biogenèse mitochondriale
  6. Resvératrol biotechnologique et posologie
  7. Coenzyme Q10 et chaîne respiratoire
  8. Acide lipoïque et métabolisme énergétique
  9. Glutathion et protection mitochondriale
  10. Micronutriments et fonction mitochondriale
  11. Ginkgo et biogenèse mitochondriale
  12. NADH et production énergétique
  13. Carnitine et oxydation des acides gras
  14. Associations de composés mitochondriaux

1. Mitochondrie et production énergétique

★ À maîtriser

  • Les mitochondries fabriquent l’ATP, réserve d’énergie universelle, en oxydant les nutriments lors de la phosphorylation oxydative dans la chaîne respiratoire.

  • Dans l’exemple du glucose, la glycolyse cytoplasmique produit 2 ATP à partir du glucose et la dégradation mitochondriale du pyruvate produit 36 ATP, soit un rendement multiplié par 18.

Compléments

  • Chaque cellule humaine contient en moyenne 1 500 mitochondries, et 10 000 milliards de mitochondries produisent chaque jour 40 kg d’ATP.

  • La mitochondrie possède son propre ADN et pourrait provenir de l’endocytose d’une bactérie ancestrale.

  • Le substrat énergétique privilégié varie selon l’organe : glucose puis corps cétoniques dans le cerveau, acides gras dans le cœur, et pyruvate d’origine glucidique et acides gras à parts égales dans le foie.

2. Respiration mitochondriale et fonctions

★ À maîtriser

  • La phosphorylation oxydative fait circuler les électrons issus de l’oxydation des aliments vers l’oxygène, crée un gradient de protons à travers la membrane mitochondriale interne et utilise ce gradient pour produire de l’ATP à partir d’ADP, tandis que l’oxygène est réduit en eau.

Compléments

  • Les mitochondries participent à la régulation de l’apoptose, de l’équilibre calcique et du métabolisme hormonal.
  • Dans la mitochondrie, le cholestérol est transformé en prégnénolone puis en progestérone, précurseurs de la testostérone, des œstrogènes, de la DHEA et du cortisol.

  • Lors de la thermogenèse mitochondriale, l’énergie est libérée sous forme de chaleur plutôt que stockée sous forme d’ATP.

  • Le découplage mitochondrial peut être assuré par les protéines UCP, dont la thermogénine, qui permettent un gradient de protons sans production d’énergie sous forme d’ATP.

Astuce mémo

Électrons → gradient de protons → ATP et eau

3. Radicaux libres et stress oxydant

★ À maîtriser

📌 La réduction tétravalente de l’oxygène est la voie majeure de la respiration mitochondriale : elle produit de l’eau et de l’énergie sans espèces oxydantes, tandis que la réduction monovalente produit des radicaux libres avant la synthèse de l’eau et représente 2 à 5 % de la voie.

  • L’ADN mitochondrial est 10 fois plus sensible au stress oxydant que l’ADN nucléaire, car il ne possède pas d’histones et a peu de capacités réparatrices; son oxydation peut entraîner des délétions et des mutations responsables de dysfonctionnements mitochondriaux.

Compléments

  • La production mitochondriale de ROS dans la chaîne respiratoire se situe notamment au niveau des complexes I et III.

  • La voie de réduction monovalente de l’oxygène est contrôlée par les défenses antioxydantes, mais se développe avec l’âge et dans certaines pathologies oxydatives.

  • Les défenses antioxydantes mitochondriales comprennent la SOD à manganèse, la GPx à sélénium, le glutathion et les vitamines E et C apportées par l’alimentation.

  • L’oxydation des complexes I, II et III ainsi que de l’ATP synthase peut diminuer la production d’énergie mitochondriale.

  • L’oxydation de la cardiolipine et des lécithines des crêtes mitochondriales réduit la fluidité et la fonctionnalité de la membrane.

Astuce mémo

La mitochondrie produit des radicaux libres et en subit les dommages

4. Régulation des voies énergétiques

★ À maîtriser

  • Les voies métaboliques des glucides, des lipides et des protéines sont multiples, concurrentes, complémentaires et intriquées, mais convergent vers le cycle de Krebs et la phosphorylation oxydative pour couvrir les besoins énergétiques.

  • L’état nutritionnel régule l’utilisation des substrats et l’activation ou l’inhibition des voies métaboliques; toutes les voies ne fonctionnent pas en même temps.

  • Une alimentation pauvre en glucides induit :

    • la lipolyse
    • la bêta-oxydation
    • une production accrue de corps cétoniques
    • la néoglucogenèse

Compléments

📌 Les nutriments ont des rôles énergétiques sensibles au jeûne, mais aussi des rôles plastiques sans production d’énergie et des rôles de signalisation cellulaire, notamment sur l’expression du génome et les récepteurs membranaires.

  • Les oméga-3 et les polyphénols illustrent le rôle de la nutrition dans la signalisation cellulaire.

  • Une alimentation équilibrée entre glucides et lipides permet l’utilisation mitochondriale de ces substrats pour produire de l’énergie.

  • Une alimentation riche en glucides et en lipides favorise un excès de citrate, puis la lipogenèse.

5. Resvératrol et biogenèse mitochondriale

Notions clés & Définitions

  • Resvératrol : Stilbène présenté comme un mimétique de la restriction calorique qui active la mitochondrie.

★ À maîtriser

  • Le resvératrol active les sirtuines, décrites comme des désacétylases mitochondriales qui activent l’expression des gènes de la longévité.

Compléments

  • Le resvératrol est associé au French Paradox et a été médiatisé comme activateur potentiel du gène de la longévité.

  • Les pathologies citées sont :

    • les maladies cardiovasculaires
    • les maladies du vieillissement
    • l’obésité
    • le syndrome métabolique
    • les diabètes
  • Le resvératrol augmente la SOD mitochondriale à manganèse et protège les ADN mitochondriaux ainsi que les LDL oxydées.

  • Le resvératrol exerce une activité anti-inflammatoire par inhibition de la cyclo-oxygénase.

  • Les sources alimentaires courantes citées sont :

    • le raisin
    • le vin rouge
    • les raisins secs
    • le chocolat noir
    • la canneberge
    • la rhubarbe
    • la mûre
    • la grenade
  • Dans les compléments alimentaires, le trans-resvératrol est la forme active et l’extrait est généralement obtenu à partir du Polygonum cuspidatum, ou renouée du Japon, avec un faible rendement d’extraction.

6. Resvératrol biotechnologique et posologie

★ À maîtriser

  • Les doses de resvératrol décrites dans les essais cliniques vont de 50 à 500 mg par jour.

Compléments

  • Un procédé biotechnologique produit naturellement le trans-resvératrol par fermentation de levures, avec un extrait titré à plus de 98 %, une traçabilité optimale et une absence de contaminants et d’allergènes. - Li, M. et al., Engineering yeast for high-level production of stilbenoid antioxidants, 2016

  • La dose nécessaire de resvératrol en supplémentation non combinée à d’autres antioxydants est de 150 mg par jour.

7. Coenzyme Q10 et chaîne respiratoire

Notions clés & Définitions

  • Coenzyme Q10 : Appartient à la famille des quinones et son nom renvoie à son ubiquité et à son noyau benzoquinone.

★ À maîtriser

  • Entre 1955 et 1957, FL Crane a identifié dans la cellule un nouveau transporteur d’électrons, le coenzyme Q10 ou ubiquinone 10.

  • Chez l’homme, le coenzyme Q10 est une quinone portant une chaîne de 10 unités d’isoprène.

📌 L’ubiquinone est la forme oxydée du coenzyme Q10, tandis que l’ubiquinol est sa forme réduite, présente dans le sang et la lymphe et jouant un rôle antioxydant dans les lipoprotéines et les membranes.

  • Dans la chaîne respiratoire, l’ubiquinone capte les H+ des deux premiers complexes et ceux des FADH2, puis transfère les électrons vers les cytochrome oxydases et les protons dans le gradient protonique, contribuant à la synthèse de l’eau et de l’ATP.

Compléments

  • Tous les mammifères, y compris l’homme, peuvent synthétiser le coenzyme Q10, qui est également apporté par des sources alimentaires d’origine animale et n’est donc pas une vitamine.

  • Les formes ubiquinone et ubiquinol coexistent dans l’organisme et s’interconvertissent selon les besoins.

  • Le coenzyme Q10 régule les pores de transition mitochondriaux, agit comme antioxydant et active les protéines découplantes UCP, qui dissipent l’énergie de l’oxydation des nutriments au détriment de la synthèse d’ATP.

8. Acide lipoïque et métabolisme énergétique

★ À maîtriser

  • L’acide lipoïque est un cofacteur de complexes enzymatiques mitochondriaux et intervient dans le métabolisme énergétique.
  • L’acide lipoïque est une coenzyme des réactions d’oxydation du métabolisme glucidique intramitochondrial et est nécessaire au cycle de Krebs et à la production d’énergie.

Compléments

📌 L’acide lipoïque et l’acide dihydrolipoïque forment un couple redox dont le pont disulfure s’ouvre dans la forme réduite.

  • L’acide lipoïque est un chélateur des métaux de transition et des métaux lourds, synthétisé en petites quantités par les plantes et par l’homme.

  • Le couple acide lipoïque–acide dihydrolipoïque régénère le glutathion réduit, l’ubiquinol, la vitamine C et la vitamine E.

  • L’acide lipoïque stimule la biogenèse mitochondriale, mesurée par le rapport ADN mitochondrial sur ADN nucléaire dans l’étude citée. - Wang et al., 2010

9. Glutathion et protection mitochondriale

Notions clés & Définitions

  • Glutathion : Tripeptide à groupement SH (cystéine), produit par la plupart des cellules des mammifères et existant sous formes oxydée et réduite, interconvertibles par des réactions réversibles.

★ À maîtriser

  • La N-acétylcystéine est un précurseur du glutathion et active sa synthèse.

  • Les taux intramitochondriaux de glutathion sont corrélés à la durée de vie des espèces, et l’oxydation du GSH est corrélée aux dommages de l’ADN mitochondrial. - Garcia et al., 1996

  • Le S-acétylglutathion est plus stable et efficace que le GSH, est absorbé directement puis reconverti en glutathion par la cellule.

Compléments

  • Le glutathion est un antioxydant intracellulaire, potentialise les vitamines C et le sélénium, agit comme anti-inflammatoire et détoxifiant des toxines endogènes et exogènes, et exerce une fonction immunomodulatrice.

  • La N-acétylcystéine protège les fonctions mitochondriales et possède des effets anti-inflammatoires, antioxydants et immunostimulants.

  • Les activateurs de la synthèse du glutathion sont :

    • l’acide lipoïque
    • la vitamine B6
    • le sélénium
    • la N-acétylcystéine
  • L’apport de N-acétylcystéine augmente les taux de glutathion (Dansette et al., 1990) :

    • circulants
    • tissulaires
    • intramitochondriaux
  • L’apport de N-acétylcystéine augmente l’activité des complexes respiratoires chez la souris. - Miquel, 1995

  • Le glutathion et la N-acétylcystéine réduisent les cytokines pro-inflammatoires, NF-κB et les médiateurs inflammatoires. - Rodrigues C et al., Immunomodulatory effects of glutathione, garlic derivatives and hydrogen sulfide, 2019

  • Le glutathion est nécessaire au fonctionnement du complexe majeur d’histocompatibilité et stimule le métabolisme énergétique des lymphocytes T ainsi que la production d’interféron par les cellules dendritiques. - Rodrigues C et al., Immunomodulatory effects of glutathione, garlic derivatives and hydrogen sulfide, 2019

  • Le glutathion oral hydrolysé dans le tractus gastrointestinal a une biodisponibilité très faible.

  • Après absorption, le S-acétylglutathion est hydrolysé par les thioestérases cytoplasmiques et devient disponible pour les cellules.

  • Dans une étude clinique, la supplémentation en glutathion liposomal à 500 ou 1000 mg a augmenté de 60 % la prolifération des lymphocytes en deux semaines et de 400 % la toxicité des cellules NK en deux semaines. - Sinha R et al., oral supplementation with liposomal glutathione elevates body stores of glutathione and markers of immune function, 2018

  • Les situations de déficit en glutathion comprennent : l’âge avancé, l’inflammation chronique, les pathologies oxydatives, le tabagisme, les défauts de détoxification hépatique liés aux pesticides ou perturbateurs endocriniens, les affections virales comme le HIV, l’influenza, la dengue et le Covid

  • Le paracétamol épuise les réserves de glutathion.

10. Micronutriments et fonction mitochondriale

Points essentiels

  • Les éléments cités en lien avec la fonction mitochondriale sont :

    • les vitamines C et E
    • les vitamines B
    • le zinc
    • la vitamine D
    • le magnésium
    • le fer
    • la spiruline
  • Une étude a supplémenté pendant un mois 215 hommes âgés de 30 à 55 ans avec un complexe contenant de fortes doses de vitamines B, de vitamine C, de zinc et de magnésium, et a évalué la fatigue mentale. - Kennedy et al., 2010

11. Ginkgo et biogenèse mitochondriale

Points essentiels

  • Les gingkoflavonoïdes diminuent les délétions de l’ADN mitochondrial et la peroxydation lipidique, améliorent les changements morphologiques liés à l’âge, protègent le complexe III et augmentent les taux mitochondriaux cérébraux de SOD et de GSH. - Sastre et al., 2002

12. NADH et production énergétique

Notions clés & Définitions

  • NAD : Cofacteur indispensable aux réactions des métabolismes énergétiques cellulaires.

★ À maîtriser

  • La forme réduite NADH+H+ est un donneur d’électrons dans la chaîne respiratoire, conduisant à la formation d’ATP au cours de la phosphorylation oxydative.

Compléments

  • Le taux de NAD décline avec l’âge en raison d’une diminution de sa production et d’une accélération de sa dégradation. - Yaku K, Okabe K, Nakagawa T., NAD metabolism: Implications in aging and longevity, 2018

  • Les taux de NAD sont abaissés chez des patients atteints du syndrome de fatigue chronique. - Alegre J et al., Nicotinamide adenine dinucleotide in patients with chronic fatigue syndrome, 2010

  • Dans une étude de supplémentation, 10 mg de NADH par jour pendant quatre semaines ont réduit le score de fatigue de 31 % contre 8 % sous placebo. - Forsyth LM et al., 1999

  • Dans une étude de 24 mois, 10 mg de NADH par jour ont entraîné une réduction significative du score de fatigue après un trimestre dans le groupe supplémenté (p<0,001). - Santaella ML et al., 2004

13. Carnitine et oxydation des acides gras

Notions clés & Définitions

  • Carnitine : Transporteur des acides gras chez les mammifères, nécessaire à l’entrée dans la mitochondrie des acides gras à chaîne longue et indispensable à leur bêta-oxydation.

★ À maîtriser

  • La carnitine alimente la mitochondrie en acides gras à chaîne longue en facilitant leur passage à travers la membrane mitochondriale.

Compléments

  • La carnitine est synthétisée à partir de la lysine dans le muscle, le foie et le plasma.

  • La carnitine participe à l’homéostasie cellulaire de l’acétyl-CoA en éliminant l’excès d’acétyl intramitochondrial.

  • La carnitine :

    • augmente la respiration cellulaire
    • accroît le potentiel de membrane
    • modifie les taux de cardiolipine

14. Associations de composés mitochondriaux

Points essentiels

  • L’association augmente (Gonzales et al., 2009) :

    • le potentiel de membrane
    • la production d’ATP
    • le rapport glutathion réduit/glutathion oxydé
    • l’activité des complexes
  • Chez des patients HIV sous trithérapie supplémentés pendant 48 semaines en N-acétylcystéine et acide lipoïque, l’excrétion de 13CO2 passe de 3,79 % à 4,83 % et l’ADN mitochondrial augmente de façon très significative. - Milazzo et al., 2010

  • Sur un modèle cellulaire de Parkinson, l’association acide lipoïque–acétylcarnitine augmente la biogenèse mitochondriale et diminue les espèces réactives de l’oxygène. - Zhang et al., 2010

  • Dans les mitochondries cardiaques, l’association augmente (Savita et al., 2005) :

    • la succinate déshydrogénase
    • l’α-cétoglutarate déshydrogénase
    • l’activité du complexe IV
  • Dans les mitochondries hépatiques, l’association (Hao et al., 2011) :

    • augmente les complexes respiratoires
    • diminue l’oxydation des protéines
    • augmente la SOD
    • augmente la glutathion transférase

Teste tes connaissances

Teste tes connaissances sur Composés bioactifs et mitochondries avec 33 questions à choix multiples et corrections détaillées.

1. Lors de l’oxydation des nutriments, quel rôle les mitochondries jouent-elles dans la production énergétique cellulaire ?

2. Dans un bilan énergétique du glucose, la glycolyse cytoplasmique fournit 2 ATP et sa dégradation mitochondriale fournit 36 ATP. Quel rapport compare le rendement mitochondrial à celui de la glycolyse ?

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Quel rôle les mitochondries jouent-elles dans la production d’ATP ?

Elles fabriquent l’ATP en oxydant les nutriments par phosphorylation oxydative dans la chaîne respiratoire.

Combien d’ATP la glycolyse produit-elle à partir d’un glucose ?

2 ATP.

Combien d’ATP la dégradation mitochondriale du pyruvate produit-elle ?

36 ATP.

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