Mitochondrie : Mitochondrie : Structure et Fonctions Structure et Fonctions G G é é nome et Prot nome et Prot é é ome ome Mitochondrie et Anesth Mitochondrie et Anesth é é sie sie - - R R é é animation animation Vendredi 12 D Vendredi 12 D é é cembre 2008 cembre 2008 Steve Lancel, EA2689 Steve Lancel, EA2689 - - Dpt de Physiologie, Lille Dpt de Physiologie, Lille
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Mitochondrie : Structure et Fonctions Génome et … · de pyruvate. β-oxydation. Cycle de ... Décarboxylation du pyruvate. 2 NADH; 6. Phosphorylation oxydative; Cycle de Krebs.
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Mitochondrie :Mitochondrie : Structure et FonctionsStructure et Fonctions
GGéénome et Protnome et Protééomeome
Mitochondrie et AnesthMitochondrie et Anesthéésiesie--RRééanimationanimationVendredi 12 DVendredi 12 Déécembre 2008cembre 2008
Steve Lancel, EA2689Steve Lancel, EA2689--Dpt de Physiologie, LilleDpt de Physiologie, Lille
Un organite bien particulierUn organite bien particulier
Une cellule animale eucaryote
Réticulum endoplasmique
Lysosomes
Appareil de Golgi
Peroxysomes
Mitochondries
Presenter�
Presentation Notes�
Structure specialisée dans le cytoplasme delimitée par une membrane Lysosomes :vésicules entourées par une membrane phospholipidique simple, au contenu acide, remplies d'enzymes de dégradation et chargées chez les cellules animales de la digestion des molécules complexes peroxysomes , dépourvus de génome et limités par une simple membrane , contiennent des enzymes qui oxydent divers substrats en leur arrachant de l'hydrogène qui est alors transféré à l'oxygène pour former de l'eau oxygénée; cette eau oxygénée est ensuite dégradée sur place. �
Son origineSon origine
Théorie endosymbiotique (Margulis)
Arguments en faveur :
●
Son propre ADN●
Composition des membranes
●
Enzymes et ribosomes, machinerie de transcription●
Renouvellement indépendant du
cycle cellulaire
D’après Lang et al., Annu. Rev. Genet., 1999
Presenter�
Presentation Notes�
2 billion years ago Protéobactérie : aérobie hétérotrophe�
Quelques caractQuelques caractééristiquesristiques
De quelques mitochondries à
plusieurs milliers par cellule :
aucune pour les hématies
une dizaine pour les plaquettes
>1000 pour le foie
30 à 40% du volume cardiomyocytaire
Des formes variées :
filamenteuses (gonades, corticosurrénales)
granulaires (foie)
Des localisations intracellulaires particulières :
entre les myofibrilles (cœur)
autour du flagelle du spermatozoïde
Une taille moyenne de l’ordre de 1 µm de diamètre
Coeur
Spermatozoïde
Presenter�
Presentation Notes�
Mito filamanent chondros graine�
StructureStructure
Membrane externe
Membrane interne
Espace intermembranaire
Crêtes
Matrice
Compartiments et ConstituantsCompartiments et Constituants
Membrane externe : Porines (VDAC)Protéines de transportTranslocases (TOM)Fusion/Fission
Espace intermembranaireCytochrome cProtéines de l’apoptose
Membrane interne / CrêtesProtéines de transportTranslocases (TIM)CardiolipinesUCP – DécouplageChaîne respiratoire ATP synthase
Matrice :β-oxydationCycle de KrebsADN mitochondrialRéplication/Transcription/Traduction
12
345
5
43
2
1
Presenter�
Presentation Notes�
Cardiolipines (synthétisées et localisées au niveau de la mito, 8-15% des phospholipides cardiaques) VDAC permeabilité 5kDa, ANT 1.5kDa quand ouvert�
OrganisationOrganisation
Les mitochondries sont organisLes mitochondries sont organiséées es en un ren un rééseau dynamique qui est en seau dynamique qui est en perpperpéétuel mouvementtuel mouvement
Cette organisation est modifiCette organisation est modifiéée par e par les mles méécanismes de fusion et fissioncanismes de fusion et fission
Chan, Cell, 2006
Egner et al., PNAS, 2002
FissionFission
Drp1 : dynaminDrp1 : dynamin--related related proteinproteinFis1 : outerFis1 : outer--membrane membrane receptor like proteinreceptor like proteinDrp1 : protDrp1 : protééine qui se ine qui se polympolyméérise autour de la rise autour de la mitochondrie et provoque, mitochondrie et provoque, grâce grâce àà ll’’hydrolyse de GTP, la hydrolyse de GTP, la scission mitochondrialescission mitochondriale
D’après Stuart et Rehling, EMBO reports, 2008
FusionFusion
Mfn 1 / Mfn 2 : mitofusinesMfn 1 / Mfn 2 : mitofusinesLocalisLocaliséées sur la membrane es sur la membrane externeexternePossPossèèdent une activitdent une activitéé GTPaseGTPaseParticipent Participent àà la fusionla fusion
Opa1 :Opa1 :Se situe au niveau de lSe situe au niveau de l’’espace espace intermembranaire/membrane intermembranaire/membrane interneinterneParticipe au remodelage des Participe au remodelage des crêtescrêtes
RRéégulation de la taille, du nombre et de gulation de la taille, du nombre et de la forme des mitochondries la forme des mitochondries
A chaque fission, la mitochondrie fille A chaque fission, la mitochondrie fille rereççoit au moins un nucleooit au moins un nucleoïïde, sinon, elle de, sinon, elle refusionnerefusionne
ÉÉchanges de lipides et du contenu changes de lipides et du contenu intramitochondrial (mtDNA) pour le intramitochondrial (mtDNA) pour le maintien dmaintien d’’une population saineune population saine
RRéépercussions sur le mpercussions sur le méétabolisme : tabolisme : Une diminution en Mfn inhibe Une diminution en Mfn inhibe ll’’oxydation du pyruvate, du glucose et oxydation du pyruvate, du glucose et des acides gras et diminue le des acides gras et diminue le ΔΨΔΨmm
Rôle dans le mouvement des Rôle dans le mouvement des mitochondriesmitochondries
Rôle dans la chimiotaxie des Rôle dans la chimiotaxie des lymphocytes lymphocytes
La fission favorise leur migrationLa fission favorise leur migration
D’après Detmer et Chan, Nat Rev Mol Cell Bio, 2007
Presenter�
Presentation Notes�
Vitesse des neurones jusque 1µm/s Des neurones Drp1 -/- ont un transport mitochondrial defectueux et des mito dispersées Si bcp ATP, cretes internes condensées Mfn2 loss-of-function inhibits pyruvate, glucose and fatty acid oxidation and reduces mitochondrial membrane potential, whereas Mfn2 gain-of-function increases glucose oxidation and mitochondrial membrane potential. Pich et al Hum Mol Genet. 2005 �
Rôle au cours du dRôle au cours du dééveloppement : des souris Mfnveloppement : des souris Mfn--//-- ou Opaou Opa--//--meurent meurent àà mimi--gestationgestation
D’après Detmer et Chan, Nat Rev Mol Cell Bio, 2007
Implication dans lImplication dans l’’apoptose :apoptose :Inhiber la fission rInhiber la fission rééduit lduit l’’apoptose apoptose en empêchant la liben empêchant la libéération de ration de cytochrome ccytochrome cLes protLes protééines Bax et Bak ines Bax et Bak interagiraient avec les Mfn et interagiraient avec les Mfn et moduleraient la dynamique moduleraient la dynamique mitochondrialemitochondriale
Presenter�
Presentation Notes�
Mfn1 a une fonction au niveau du placenta Double KO Bak/Bax cells have fragmented cells a cause d’une baisse de fusion mitochondriale Mutations de opa1 associée à autosomal dominant optic atrophy (neuropathie optique : destruction axones du nerf optique) Mfn2 : Charcot-Marie Tooth : problemes sensori-moteur car degeneration des nerfs peripheriques Since insulin accelerates myogenesis, we also postulate that the Mfn2 protein might orchestrate muscle differentiation by the biogenesis of mitochondria. Pawlikowska et al Cell and Tissue Research 2006�
Bilan Bilan éénergnergéétiquetiqueEtape Coenzyme ATP Source d’ATP
Glycolyse Phase d’ « investissement »
-2 Phosphorylation du Glc en G6P et du F6P en F1,6diP
Glycolyse« remboursement »
4 F1,6diP en G3P et PEP en Pyruvate
2 NADH 4 (6) Phosphorylation oxydative du NADH obtenu par la conversion du G3P
Décarboxylation du pyruvate 2 NADH 6 Phosphorylation oxydative
Cycle de Krebs 6 NADH 18 Phosphorylation oxydative
2 FADH2 4 Phosphorylation oxydative
2 Production de GTP
BILAN 36 (38) Pour une molécule de glucose
ThermogenThermogenèèsese
D’après Mozo et al., Bioscience Reports, 2005
Presenter�
Presentation Notes�
Brown adipose tissue (brown a cause des mitochondries ucp1 appelée la thermogénine Existe 2 autres isoformes d’UCP 2 et 3 Augmente la respi et donc la production de chaleur�
GGéénnéération dration d’’espespèèces rces rééactives de actives de ll’’oxygoxygèènene
Stabilisation de HIF-α Modifications post-traductionnelles
Mutations de l’ADN Apoptose
Peroxydation lipidique
HomHomééostasie calciqueostasie calcique
Effets du calciumEffets du calcium
Activation de la phosphorylation Activation de la phosphorylation oxydative afin de roxydative afin de réépondre pondre àà
une une
demande en demande en éénergie plus importantenergie plus importanteLe « Love-Hate » Triangle
D’après Brookes et al., Am J Physiol Cell Physiol,
2004.
Presenter�
Presentation Notes�
Ca2+ activation of the TCA cycle and oxidative phosphorylation. Thin arrows represent metabolic pathways/reactions; thick arrows represent actions of Ca2+. The outer membrane is omitted for clarity. Where possible, known 3D structures obtained from the Protein Data Bank are shown. For -glycerophosphate ( -GP) dehydrogenase ( -GPDH), the cytosolic isoform structure is shown. Succ, succinate; -KG, -ketoglutarate; Isocit, isocitrate; Cit, citrate; OAA, oxaloacetate; Mal, malate; Fum, fumarate; Ac-CoA, acetyl coenzyme A; Pyr, pyruvate; PDH, pyruvate dehydrogenase; Acon, aconitase; CS, citrate synthase; MDH, malate dehydrogenase; ICDH, isocitrate dehydrogenase; -KGDH, -ketoglutarate dehydrogenase; DHAP, dihydroxyacetone phosphate; CxI–V, complexes I–V; SDH, succinate dehydrogenase.�
Mutations associMutations associéées es àà certaines certaines pathologies neurodpathologies neurodééggéénnéératives, au ratives, au diabdiabèète et au vieillissement.te et au vieillissement.
Presenter�
Presentation Notes�
Hétéroplasmie : pas exactement la même séquence entre les différentes copies 16569 bp soit 0.0005% du genome humain mais 37 genes soit 0.1% du nombre de genes humains Baton rouge = ARNt �
LL’’ADN mitochondrialADN mitochondrial
1 brin l1 brin lééger et 1 brin lourdger et 1 brin lourd
Peu ou pas de rPeu ou pas de réégions interggions intergééniquesniques
Parfois overlap de certains gParfois overlap de certains gèènesnes
Absence dAbsence d’’intronsintrons
Une rUne réégion non codante : la Dgion non codante : la D--looploopOrigine de rOrigine de rééplication du brin lourdplication du brin lourdSite de transcription bidirectionnelleSite de transcription bidirectionnelle
OrganisOrganiséé en nuclen nuclééooïïdesdes
LL’’ADN mitochondrial sADN mitochondrial s’’associe avec associe avec certaines protcertaines protééines et forme ainsi ines et forme ainsi un complexe nuclun complexe nuclééosomeosome--like appellike appeléénuclnuclééooïïde de
Rôle de protection de lRôle de protection de l’’ADNmADNm
Tfam : mtTrancription Factor A ou Tfam : mtTrancription Factor A ou mtmt--TF1TF1
Environ 1000 molEnviron 1000 moléécules de Tfam par cules de Tfam par molmoléécule dcule d’’ADNmADNm
Suffisant pour recouvrir la totalitSuffisant pour recouvrir la totalitéédu gdu géénome mitochondrialnome mitochondrial
Stable
Dégradation
Dégradation
Presenter�
Presentation Notes�
1 TFAM pour 25 nucléotides �
TranscriptionTranscriptionLe brin lLe brin lééger peut être entiger peut être entièèrement transcrit et grement transcrit et géénnéérer 1 ARMm et 8 rer 1 ARMm et 8 ARNtARNt
2 promoteurs pour le brin lourd HSP1 et HSP22 promoteurs pour le brin lourd HSP1 et HSP2HSP2 : transcrits polygHSP2 : transcrits polygééniques qui donneront 14ARNt, 12ARNm et 2 ARNrniques qui donneront 14ARNt, 12ARNm et 2 ARNrHSP1 : spHSP1 : spéécialiscialiséé pour la production dpour la production d’’ARNrARNr
Trancription dTrancription déépendante de gpendante de gèènes codnes codéés par le noyau :s par le noyau :La PolymLa Polyméérase POLRMT est codrase POLRMT est codéée par le noyau et est envoye par le noyau et est envoyéée vers la e vers la mitochondrie grâce mitochondrie grâce àà une sune sééquence dquence d’’adressageadressage
Tfam stimule la transcription en se fixant Tfam stimule la transcription en se fixant àà LSP et HSPLSP et HSP
Presenter�
Presentation Notes�
Transcription différente du noyau Brin léger promoteur LSD SP single promoter POLRMT : polymarase pour ARN mito, taille 140kDa�
Les protLes protééines mitochondrialesines mitochondriales
Forte dForte déépendance des protpendance des protééines ines codcodéées par le ges par le géénome nuclnome nuclééaireaire
D’après Scarpulla, Phys Rev, 2008
Contrôle nuclContrôle nuclééaireaire
NRF1 et NRF2 : nuclear NRF1 et NRF2 : nuclear respiratory factor 1 / 2respiratory factor 1 / 2
FT se liant au niveau de FT se liant au niveau de nombreux gnombreux gèènes ayant une nes ayant une fonction dans la respiration fonction dans la respiration mitochondriale (cytochrome c, mitochondriale (cytochrome c, complexes, Tfam, TOM) complexes, Tfam, TOM)
Les sLes sééquences de quences de reconnaissance pour NRF1 et 2 reconnaissance pour NRF1 et 2 se retrouvent souvent au sein se retrouvent souvent au sein dd’’un même promoteurun même promoteur
Exception entre homme et Exception entre homme et rongeur : pas de sites consensus rongeur : pas de sites consensus pour NRF1 dans les promoteurs pour NRF1 dans les promoteurs des gdes gèènes codant des sousnes codant des sous--unitunitéés de COX, Tfam et TFBs de COX, Tfam et TFB
D’après Scarpulla, Phys Rev, 2008
Presenter�
Presentation Notes�
Etude avec siRNA de NRF2 montre diminuation de l’expression des 10 su COX codées par le noyau�
Contrôle nuclContrôle nuclééaireaire
PGCPGC--11αα : PPAR gamma coactivator 1: PPAR gamma coactivator 1Se lie Se lie àà NRF1/2 et permet la transactivation des gNRF1/2 et permet la transactivation des gèènes nes sous leur dsous leur déépendancependanceActive la synthActive la synthèèse des transcrits NRF1/2, Tfam et se des transcrits NRF1/2, Tfam et PolPolγγ
favorise la biogenfavorise la biogenèèseseAugmente lAugmente l’’expression des gexpression des gèènes de la FA oxydation et nes de la FA oxydation et de la synthde la synthèèse de lse de l’’hhèèmemeDiffDifféérents niveaux de rrents niveaux de réégulationgulation
Il existe aussi PGC1Il existe aussi PGC1ββ et PGC1et PGC1--related coactivator related coactivator PRC qui lient NRF1 et activent les gPRC qui lient NRF1 et activent les gèènes sous son nes sous son contrôlecontrôle
Presenter�
Presentation Notes�
Initialement découvert par son interaction avec PPAR gamma dans le tissu adipeux brun Coactivateur de NRF1 : PGC1�
RRéégulation de PGCgulation de PGC--11
Contrôle rétrograde
Presenter�
Presentation Notes�
retrograde grace à un stress mitochondrial comme perte de fonction mitochondriale, chute du potentiel, �
RRéésumsuméé
Structure en double membrane avec Structure en double membrane avec son propre gson propre géénomenomeMultiples fonctionsMultiples fonctionsEn mouvement permanentEn mouvement permanentIntIntéégrateur de signauxgrateur de signauxDDéépendante du noyaupendante du noyauCible thCible théérapeutique de choixrapeutique de choix