Mitochondries dans une cellule animale. Montures Cristal et MICOS

La mitochondrie (MT) est l'un des domaines de recherche les plus intéressants pour moi. L'association des mitochondries avec une autre cellule au cours de l'endosymbiose il y a environ 1,6 milliard d'années est devenue la base de tous les eucaryotes multicellulaires. structure complexe. Vraisemblablement, les mitochondries proviennent de cellules ressemblant à des α-protéobactéries.

La meilleure étude récente sur les mitochondries est "Structure et fonction des complexes protéiques de la membrane mitochondriale" de Werner Kulbrandt. Si tu sais langue Anglaise et que vous vous intéressez à la structure de ces organites, je vous recommande vivement de le lire. Cet article est tellement bon qu'il peut être en toute sécurité un chapitre bon manuel en biologie moléculaire. Au début, je voulais traduire tout l'article, mais cela prendrait un temps impardonnable et m'éloignerait d'autres choses. Par conséquent, je me limiterai aux thèses et aux images. Périodiquement tout diluer avec vos pensées.

Les mitochondries elles-mêmes ne codent que pour 13 protéines, malgré la présence d'ADN (ADNmt) séparé de la cellule et de l'ensemble du cycle de « production » pour la transcription des protéines. Une mitochondrie isolée peut conserver sa composition et sa fonction pendant un certain temps.

Figure 1. Composants de la membrane mitochondriale. La membrane externe sépare les mitochondries du cytoplasme. Il entoure la membrane interne, qui sépare l'espace intermembranaire de la matrice centrale riche en protéines. La membrane interne est divisée en la membrane limitante interne et les crêtes. Ces deux parties sont continues aux points d'attache des crêtes (crêtes jonction). Les crêtes s'étendent plus ou moins profondément dans la matrice et sont le principal site de conversion de l'énergie mitochondriale. Un petit gradient de protons dans l'espace intermembranaire (pH7.2-7.4) et matrice (pH7.9-8.0) conduisent à la formation d'ATP par l'ATP synthase dans les membranes des crêtes.

La membrane externe est poreuse et laisse passer les substances du cytoplasme. La membrane interne est dense, il faut des protéines de transport pour la traverser [Gilbert Ling est raisonnablement en désaccord], la continuité de la barrière permet à la membrane interne d'avoir un potentiel électrochimique de -180 mV. La matrice a un pH assez élevé (7,9-8). Une fois de plus, je vais plonger dans Ling. Le pH alcalin (supérieur à 7) favorise une conformation protéique plus dépliée. Un pH élevé rompt les liaisons hydrogène et sel, rendant le CO et le NH polarisés disponibles pour les molécules d'eau, augmentant ainsi le moment dipolaire de toute l'eau intracellulaire et la liant. Dans cette veine, la présence d'une membrane n'est pas nécessaire pour « retenir » le protoplasme à l'intérieur de la cellule (ceci est fait par les protéines elles-mêmes à pH élevé), mais pour avoir un potentiel.

L'ADNmt se trouve dans les nucléotides, qui sont environ 1000 par cellule. La densité protéique de la matrice est assez élevée (jusqu'à 500 mg/ml), ce qui est proche des protéines cristallisées.

La membrane interne forme des invaginations appelées crêtes qui pénètrent profondément dans la matrice. Les crêtes définissent le troisième "compartiment" des mitochondries - la lumière des crêtes (cristae lumen). Les membranes crista contiennent la plupart, sinon la totalité, des complexes entièrement "assemblés" de la chaîne de transport d'électrons et de l'ATP synthase. La lumière de la crête contient un grand nombre de une petite protéine soluble porteuse d'électrons (cytochrome c). Les crêtes mitochondriales sont donc le principal site de conversion d'énergie biologique chez tous les eucaryotes non photosynthétiques.

Il y a aussi beaucoup de choses intéressantes avec les cristaux. Les propriétés optiques de la crête affectent la propagation et la génération de lumière dans les tissus. Je suis même tombé sur des idées selon lesquelles la surface des cristas est similaire (hypothèse) aux surfaces des isolants topologiques (la supraconductivité sans dissipation de charge était implicite).

Figure 2. Complexes protéiques membranaires de la chaîne respiratoire. Complexeje (NADH/ubiquinone oxydoréductase, bleu), complexeII(succinate déshydrogénase, rose), complexeIII(cytochrome C réductase, orange), ComplexeIV(cytochrome C oxydase, vert) et l'ATP synthase mitochondriale (appelée complexeV, beige) travaillent ensemble pendant la phosphorylation oxydative afin que les cellules puissent utiliser l'énergie. complexesje, III, IVpomper des protons le long de la membrane crista, créant un gradient de protons qui stimule la synthèse d'ATP.

Maintenant, une petite attention au complexe II. Vous vous souvenez que la graisse (céto) met l'accent sur FADH2 et le complexe II dans le métabolisme. Ils restaurent la paire CoQ, à un moment donné, la CoQ oxydée n'est pas suffisante pour transporter des électrons vers le complexe III et forme un flux inverse d'électrons vers le complexe I avec la formation de superoxyde. Avec une nutrition HFLC prolongée, le complexe I sera détruit de manière réversible, alors qu'il s'agit d'une optimisation physiologique normale.

Je vous demande également de noter que le complexe II ne pompe pas de protons. Qu'est-ce qui disperse le gradient de protons en nous, perturbe la phosphorylation et stimule la combustion des graisses pour la chaleur ? C'est vrai, le stress dû au froid. La thermogenèse est liée au métabolisme par un complexe qui ne siphonne pas les protons, ne fournissant ainsi aucun proton supplémentaire à l'ATP synthase. On ne peut que se demander à quel point notre organisme est merveilleusement pensé.

Montures en cristal etMICOS

Les jonctions Cristae sont de petits trous ronds d'environ 25 nm de diamètre. Les mitochondries de tous les organismes possèdent le système MICOS (mitochondria contact site and cristae to external membrane), un assemblage de cinq protéines membranaires et d'une protéine soluble qui fixent les crêtes à la membrane externe.

Dans les cellules ayant un besoin énergétique accru, telles que les muscles squelettiques et cardiaques, les crêtes remplissent de manière dense la majeure partie du volume mitochondrial. Dans les tissus à faible besoin énergétique, comme le foie et les reins, les crêtes ne sont pas aussi serrées les unes contre les autres. Restes plus d'espace dans une matrice pour enzymes biosynthétiques.

Figure 3. Volume tomographique des mitochondries cardiaques de souris. A) Volume tridimensionnel de mitochondries cardiaques de souris capturées par cryo-ET. La membrane externe (gris) enveloppe la membrane interne (bleu clair). La membrane interne est densément remplie de crêtes b) Coupe tomographique du volume. La matrice densément remplie contenant la plupart des protéines mitochondriales apparaît sombre au microscope électronique. Tandis que l'espace intermembranaire et les lumières des crêtes semblent légers en raison de la faible concentration de protéines.

Dimères d'ATP synthase

L'ATP synthase mitochondriale F1-F0 est le complexe protéique le plus important de la crête. L'ATP synthase est une ancienne nanomachine qui utilise un gradient électrochimique de protons autour de la membrane interne pour créer l'AFT par catalyse rotationnelle. Les protons se déplaçant à travers le complexe F0 de la membrane font tourner un rotor de 8 (chez les mammifères) ou 10 (chez la levure) nœuds c. La tige centrale transfère le couple du c-rotor à la tête catalytique F1, où l'ATP est formé à partir d'ADP et de phosphate par une séquence de changements conformationnels. La tige périphérique empêche la rotation improductive de la tête F1 contre le complexe F0.

Pendant de nombreuses années, on a pensé que l'ATP synthase était localisée au hasard sur la membrane interne. Mais il s'est avéré que ATP synthase disposée en double rangées. De plus, les rangées linéaires d'ATP synthase sont un attribut fondamental de toutes les mitochondries vivantes.

Figure 4. Double rangées d'ATP synthase dans sept différents types.

Les rangées d'ATP synthase sont situées principalement le long des crêtes des crêtes. Les dimères plient la bicouche lipidique et, par conséquent, s'auto-organisent en rangées. Lorsque les nœuds e et g de l'APT synthase ont été éliminés dans les mitochondries de levure, la souche s'est développée 60% plus lentement que ses homologues sauvages et le potentiel membranaire de leurs mitochondries a été réduit de moitié. L'APT synthase procaryote est dépourvue de plusieurs nœuds associés aux dimères, et aucune rangée de dimères n'a été trouvée chez les bactéries et les archées. Les crêtes et rangées de dimères d'AFT synthase sont donc une adaptation aux besoins énergétiques élevés de l'organisme.

Figure 5. La structure du dimère d'ATP synthase des mitochondries de polymella sp. Vue latérale d'un dimère en forme de V d'ATP synthase.

Complexes et supercomplexes de la chaîne respiratoire

Le gradient de protons autour de la membrane interne est créé par trois grands complexes membranaires appelés complexe I, complexe III et complexe IV (voir figure 2). Le complexe I est alimenté par des électrons du NADH, l'énergie libérée lorsqu'un électron est donné pompe quatre protons. Le complexe III reçoit un électron du quinol réduit et le transfère à un transporteur d'électrons (cytochrome c), pompant un proton dans le processus. Le complexe IV reçoit un électron du cytochrome c et le donne à l'oxygène moléculaire, pompant 4 protons pour chaque molécule d'oxygène convertie en eau. Le complexe II ne pompe pas de protons, donnant directement des électrons au quinol. La relation entre le transfert d'électrons du NADH et le quinol et la translocation des protons n'est pas encore claire. Le complexe I est plus grand que III et IV combinés.

Figure 6. Complexe I de mitochondries cardiaques bovines. La partie matrice contient une rangée de huit amas de fer-soufre (Fe-S) qui dirigent les électrons du NADH vers le quinol à la jonction matrice-membrane. La partie membranaire est constituée de 78 lames, dont des molécules qui pompent les protons.

complexesjeIII etCombinaison IV en supercomplexes ou respirasome. Dans la levure de boulanger ( saccharomycescerevisiae) il n'y a pas de complexe I, leurs supercomplexes sont constitués de III et IV. Le rôle des supercomplexes n'est pas encore clair. On pense que cela rend le transport des électrons plus efficace, mais il n'y a pas encore de preuve directe de cela.

Figure 7. Supercomplexe mitochondrial du cœur bovin. Faites attention à la distance entre les complexes I et III, ce qui doit être fait avec du quinol. Les flèches montrent les mouvements d'un électron dans le supercomplexe.

La principale protéine de la lumière de la crête est le cytochrome c, qui transfère un électron du complexe III au complexe IV. Si le cytochrome c est libéré dans le cytoplasme de la cellule, il provoque l'apoptose.

Figure 8. Des rangées de dimères d'ATP synthase déterminent la forme des crêtes. Au sommet de la crête, l'AFT synthase (jaune) forme une confluence de protons (rouge), les pompes à protons du circuit électronique (vert) sont de part et d'autre des rangées de dimères. En dirigeant les protons de la source vers l'ATP synthase, les crêtes agissent comme des guides de protons pour permettre une production efficace d'ATP. Les flèches rouges indiquent la direction du flux de protons.

Réorganisation membranaire au cours du vieillissement

Le vieillissement est un processus fondamental et mal compris chez tous les eucaryotes. Le vieillissement mitochondrial a été étudié sur des champignons Podospora anserina qui ne vivent que 18 jours. Dans les mitochondries normales, les crêtes s'étendent profondément dans la matrice. Cela nécessite des rangées de dimères d'ATP synthase et un complexe MICOS aux sites de fixation des crêtes. Avec l'âge, les crêtes commencent à se rapprocher de la surface de la membrane, les dimères d'APT synthase se transforment en monomères, et tout se termine par la libération de cytochrome c et la mort cellulaire.

Le transport d'électrons crée du superoxyde dans les complexes I et III. C'est un sous-produit du métabolisme. Nécessaire et mortel à la fois. Au cours du vieillissement, la fission commence à prendre le pas sur la fusion. Cela empêche les mitochondries endommagées de "sauver" par fusion et accélère l'inévitable.

Figure 9. Modifications de la morphologie de la membrane interne et des dimères d'ATP synthase au cours du vieillissement mitochondrial.

Comme vous pouvez le voir, il y a beaucoup de domaines pour de futures recherches. Je suppose à l'intersection de la physique et de la biologie, où les physiciens vont essayer d'expliquer pourquoi une telle structure est plus économe en énergie. Notamment des publications sur la biologie quantique

De retour au XIXe siècle lointain, étudiant avec intérêt la structure d'une cellule vivante à travers la première structure, pas encore parfaite, d'une cellule vivante, les biologistes y remarquèrent des objets oblongs en forme de zigzag, appelés "mitochondries". Le terme "mitochondrie" lui-même est composé de deux mots grecs : "mitos" - un fil et "chondros" - un grain, un grain.

Que sont les mitochondries et leur rôle

Les mitochondries sont une cellule eucaryote à deux membranes, dont la tâche principale est l'oxydation des composés organiques, la synthèse des molécules d'ATP, suivie de l'utilisation de l'énergie générée après leur décomposition. C'est-à-dire qu'en fait, les mitochondries sont la base énergétique des cellules, au sens figuré, ce sont les mitochondries qui sont une sorte de stations qui produisent l'énergie nécessaire aux cellules.

Le nombre de mitochondries dans les cellules peut varier de quelques unités à des milliers d'unités. Et plus d'entre eux naturellement dans ces cellules où les processus de synthèse des molécules d'ATP se déroulent de manière intensive.

Les mitochondries elles-mêmes ont également forme différente et tailles, parmi eux il y a des représentants arrondis, allongés, en spirale et en forme de coupe. Le plus souvent, leur forme est ronde et allongée, avec un diamètre d'un micromètre et jusqu'à 10 micromètres de long.

Voici à quoi ressemble une mitochondrie.

De plus, les mitochondries peuvent à la fois se déplacer dans la cellule (elles le font grâce au courant) et rester immobiles sur place. Ils se déplacent toujours vers les endroits où la production d'énergie est la plus nécessaire.

Origine des mitochondries

Au début du XXe siècle dernier, s'est formée l'hypothèse dite de la symbiogenèse, selon laquelle les mitochondries seraient issues de bactéries aérobies introduites dans une autre cellule procaryote. Ces bactéries ont commencé à fournir à la cellule des molécules d'ATP en échange des nutriments dont elles avaient besoin. Et dans le processus d'évolution, ils ont progressivement perdu leur autonomie, transférant une partie de leur information génétique dans le noyau de la cellule, devenant un organite cellulaire.

Les mitochondries sont constituées de :

• deux, l'un est interne, l'autre est externe,
• espace intermembranaire,
• matrice - le contenu interne des mitochondries,
• La crête est la partie de la membrane qui s'est développée dans la matrice
• système de synthèse des protéines : ADN, ribosomes, ARN,
• d'autres protéines et leurs complexes, y compris un grand nombre d'enzymes diverses,
• autres molécules

Voici à quoi ressemble la structure d'une mitochondrie.

Les membranes externe et interne des mitochondries ont des fonctions différentes, et pour cette raison leur composition diffère. La membrane externe a une structure similaire à la membrane plasmique, qui entoure la cellule elle-même et joue principalement un rôle de barrière protectrice. Cependant, de petites molécules peuvent y pénétrer, mais la pénétration de molécules plus grosses est déjà sélective.

Sur la membrane interne des mitochondries, y compris ses excroissances - les crêtes, se trouvent des enzymes formant des systèmes multienzymatiques. Par composition chimique les protéines prédominent. Le nombre de crêtes dépend de l'intensité des processus de synthèse, par exemple, il y en a beaucoup dans les mitochondries des cellules musculaires.

Les mitochondries, ainsi que les chloroplastes, ont leur propre système de synthèse des protéines - ADN, ARN et ribosomes. L'appareil génétique a la forme d'une molécule en anneau - un nucléotide, exactement comme chez les bactéries. Certaines des protéines nécessaires sont synthétisées par les mitochondries elles-mêmes, et certaines sont obtenues de l'extérieur, du cytoplasme, puisque ces protéines sont codées par des gènes nucléaires.

Fonctions mitochondriales

Comme nous l'avons écrit plus haut, la fonction principale des mitochondries est de fournir à la cellule de l'énergie, qui est extraite des composés organiques par de nombreuses réactions enzymatiques. Certaines de ces réactions vont avec la participation, et après d'autres ça ressort gaz carbonique. Et ces réactions se produisent à la fois à l'intérieur de la mitochondrie elle-même, c'est-à-dire dans sa matrice, et sur les crêtes.

En d'autres termes, le rôle des mitochondries dans la cellule est de participer activement à la "respiration cellulaire", qui comprend beaucoup d'oxydation matière organique, transferts de protons d'hydrogène avec libération ultérieure d'énergie, etc.

Enzymes mitochondriales

Les enzymes translocases de la membrane interne mitochondriale transportent l'ADP vers l'ATP. Sur les têtes constituées d'enzymes ATPase, l'ATP est synthétisé. L'ATPase assure la conjugaison de la phosphorylation de l'ADP avec les réactions de la chaîne respiratoire. La matrice contient la plupart des enzymes du cycle de Krebs et de l'oxydation des acides gras

Mitochondries, vidéo

Et enfin, une vidéo éducative intéressante sur les mitochondries.

(du grec mitos - fil, chondrion - grain, soma - corps) sont des organites granuleux ou filamenteux (Fig. 1a). Les mitochondries peuvent être observées dans les cellules vivantes, car elles ont une densité assez élevée. Dans de telles cellules, les mitochondries peuvent bouger, bouger, fusionner les unes avec les autres. Les mitochondries sont particulièrement bien détectées sur des préparations colorées de diverses manières. Les tailles des mitochondries ne sont pas constantes chez les différentes espèces, leur forme est également variable. Néanmoins, dans la plupart des cellules, l'épaisseur de ces structures est relativement constante (environ 0,5 µm), mais la longueur varie, atteignant 7 à 60 µm dans les formes filamenteuses.

Les mitochondries, quelles que soient leur taille et leur forme, ont une structure universelle, leur ultrastructure est uniforme. Les mitochondries sont limitées par deux membranes (Fig. 1b), elles ont quatre sous-compartiments : la matrice mitochondriale, la membrane interne, l'espace membranaire et la membrane externe faisant face au cytosol. La membrane externe le sépare du reste du cytoplasme. L'épaisseur de la membrane externe est d'environ 7 nm, elle n'est reliée à aucune autre membrane du cytoplasme et est fermée sur elle-même, de sorte qu'il s'agit d'un sac membranaire. La membrane externe est séparée de la membrane interne par un espace intermembranaire d'environ 10 à 20 nm de large. La membrane interne (environ 7 nm d'épaisseur) limite le contenu interne réel de la mitochondrie, sa matrice ou mitoplasme. Une caractéristique des membranes internes des mitochondries est leur capacité à former de nombreuses saillies (plis) à l'intérieur des mitochondries. De telles saillies (crêtes, fig. 27) ressemblent le plus souvent à des crêtes plates. Les mitochondries effectuent la synthèse de l'ATP, qui résulte des processus d'oxydation des substrats organiques et de phosphorylation de l'ADP.

Les mitochondries sont spécialisées dans la synthèse d'ATP par transport d'électrons et phosphorylation oxydative. (Image 21-1). Bien qu'ils possèdent leur propre appareil de synthèse d'ADN et de protéines, la plupart de leurs protéines sont codées par l'ADN cellulaire et proviennent du cytosol. De plus, chaque protéine qui pénètre dans l'organite doit atteindre un sous-compartiment spécifique dans lequel elle fonctionne.

Les mitochondries sont les "centrales électriques" des cellules eucaryotes. Les enzymes impliquées dans la conversion de l'énergie sont intégrées dans les crêtes. nutriments entrant dans la cellule de l'extérieur, dans l'énergie des molécules d'ATP. L'ATP est la "monnaie universelle" avec laquelle les cellules paient toutes leurs dépenses énergétiques. Le pliage de la membrane interne augmente la surface sur laquelle se trouvent les enzymes synthétisant l'ATP. Le nombre de crêtes dans les mitochondries et le nombre de mitochondries elles-mêmes dans la cellule sont d'autant plus grands que la cellule donnée effectue une dépense énergétique importante. Dans les muscles du vol des insectes, chaque cellule contient plusieurs milliers de mitochondries. Leur nombre change également au cours du processus de développement individuel (ontogenèse) : dans les jeunes cellules embryonnaires, ils sont plus nombreux que dans les cellules vieillissantes. Habituellement, les mitochondries s'accumulent près des parties du cytoplasme où il y a un besoin d'ATP, qui se forme dans les mitochondries.

La distance entre les membranes de la crête est d'environ 10 à 20 nm. Chez les protozoaires, les algues unicellulaires, dans certaines cellules végétales et animales, les excroissances de la membrane interne ressemblent à des tubes d'un diamètre d'environ 50 nm. Ce sont les crêtes dites tubulaires.

La matrice mitochondriale est homogène et a une consistance plus dense que l'hyaloplasme entourant les mitochondries. Dans la matrice, de fins brins d'ADN et d'ARN sont révélés, ainsi que des ribosomes mitochondriaux, sur lesquels certaines protéines mitochondriales sont synthétisées. À l'aide d'un microscope électronique, des formations en forme de champignon - ATP-somes - peuvent être vues sur la membrane interne et les crêtes du côté de la matrice. Ce sont des enzymes qui forment les molécules d'ATP. Ils peuvent aller jusqu'à 400 par 1 micron.

Les quelques protéines codées par le propre génome mitochondrial sont situées principalement dans la membrane interne. Ils forment généralement des sous-unités de complexes protéiques dont les autres composants sont codés par des gènes nucléaires et proviennent du cytosol. La formation de tels agrégats hybrides nécessite un équilibre dans la synthèse de ces deux types de sous-unités ; Comment la synthèse des protéines ribosomiques est-elle coordonnée ? différents types séparés par deux membranes reste un mystère.

Habituellement, les mitochondries sont situées dans des endroits où l'énergie est nécessaire pour tout processus vital. La question s'est posée de savoir comment l'énergie est transportée dans la cellule - est-ce par diffusion d'ATP et existe-t-il des structures dans les cellules qui jouent le rôle de conducteurs électriques, ce qui pourrait unir énergétiquement des parties de la cellule éloignées les unes des autres. L'hypothèse est que la différence de potentiel dans une certaine zone de la membrane mitochondriale est transmise le long de celle-ci et se transforme en travail dans une autre zone de la même membrane [Skulachev V.P., 1989].

Il semblait que les membranes des mitochondries elles-mêmes pouvaient être des candidates appropriées pour le même rôle. De plus, les chercheurs se sont intéressés à l'interaction de plusieurs mitochondries entre elles dans la cellule, au travail de l'ensemble des mitochondries, à l'ensemble du chondriome - la totalité de toutes les mitochondries.

Les mitochondries sont caractéristiques, à quelques exceptions près, de toutes les cellules eucaryotes, aussi bien des organismes autotrophes (plantes photosynthétiques) qu'hétérotrophes (animaux, champignons). Leur fonction principale est associée à l'oxydation des composés organiques et à l'utilisation de l'énergie libérée lors de la désintégration de ces composés dans la synthèse des molécules d'ATP. Par conséquent, les mitochondries sont souvent appelées les centrales électriques de la cellule.

Mitochondries- organites pour l'approvisionnement énergétique des processus métaboliques dans la cellule. Leurs tailles varient de 0,5 à 5-7 microns, le nombre dans une cellule varie de 50 à 1000 ou plus. Dans l'hyaloplasme, les mitochondries sont généralement distribuées de manière diffuse, mais dans les cellules spécialisées, elles sont concentrées dans les zones où il y a le plus grand besoin d'énergie. Par exemple, dans les cellules musculaires et les symplastes, un grand nombre de mitochondries sont concentrées le long des éléments de travail - les fibrilles contractiles. Dans les cellules dont les fonctions sont associées à une consommation énergétique particulièrement élevée, les mitochondries forment de multiples contacts, s'unissant en un réseau, ou amas (cardiomyocytes et symplastes du tissu musculaire squelettique).

Dans la cellule mitochondriale remplir la fonction de respiration. La respiration cellulaire est une séquence de réactions par lesquelles la cellule utilise l'énergie de liaison de molécules organiques pour synthétiser des composés macroergiques tels que l'ATP. Les molécules d'ATP formées à l'intérieur des mitochondries sont transférées à l'extérieur, échangées contre des molécules d'ADP situées à l'extérieur de la mitochondrie. Dans une cellule vivante, les mitochondries peuvent se déplacer à l'aide d'éléments du cytosquelette.

Au niveau ultramicroscopique paroi mitochondriale se compose de deux membranes - externe et interne. La membrane externe a une surface relativement plate, la membrane interne forme des plis ou des crêtes dirigés vers le centre. Un espace étroit (environ 15 nm) apparaît entre les membranes externe et interne, appelé la chambre externe des mitochondries ; la membrane interne délimite la chambre interne. Le contenu des chambres externe et interne des mitochondries est différent et, comme les membranes elles-mêmes, diffère considérablement non seulement par la topographie de surface, mais également par un certain nombre de caractéristiques biochimiques et fonctionnelles. La membrane externe est similaire dans sa composition chimique et ses propriétés aux autres membranes intracellulaires et au plasmalemme.

Elle se caractérise par une haute perméabilité en raison de la présence de canaux protéiques hydrophiles. Cette membrane incorpore des complexes récepteurs qui reconnaissent et lient les substances entrant dans les mitochondries. Spectre enzymatique membrane extérieure non riche : ce sont des enzymes du métabolisme des acides gras, des phospholipides, des lipides, etc. La fonction principale de la membrane externe des mitochondries est de délimiter l'organite de l'hyaloplasme et de transporter les substrats nécessaires à la respiration cellulaire.

Membrane intérieure mitochondries dans la plupart des cellules tissulaires de divers organes, il forme des crêtes sous forme de plaques (crêtes lamellaires), ce qui augmente considérablement la surface de la membrane interne. Dans ce dernier, 20 à 25% de toutes les molécules de protéines sont des enzymes de la chaîne respiratoire et de la phosphorylation oxydative. Dans les cellules endocrines des glandes surrénales et des gonades, les mitochondries sont impliquées dans la synthèse des hormones stéroïdes. Dans ces cellules, les mitochondries ont des crêtes sous forme de tubules (tubules) ordonnées dans une certaine direction. Par conséquent, les crêtes mitochondriales dans les cellules productrices de stéroïdes de ces organes sont appelées tubulaires.

Matrice mitochondriale, ou le contenu de la chambre interne, est une structure semblable à un gel contenant environ 50 % de protéines. Les corps osmiophiles, décrits par microscopie électronique, sont des réserves de calcium. La matrice contient des enzymes du cycle acide citrique, catalysant l'oxydation des acides gras, la synthèse des ribosomes, enzymes impliquées dans la synthèse de l'ARN et de l'ADN. Le nombre total d'enzymes dépasse 40.

En plus des enzymes, matrice mitochondriale contient de l'ADN mitochondrial (mitDNA) et des ribosomes mitochondriaux. La molécule de mitDNA a une forme circulaire. Les possibilités de synthèse de protéines intramitochondriales sont limitées - les protéines de transport des membranes mitochondriales et certaines protéines enzymatiques impliquées dans la phosphorylation de l'ADP sont synthétisées ici. Toutes les autres protéines mitochondriales sont codées par l'ADN nucléaire et leur synthèse s'effectue dans l'hyaloplasme, puis elles sont transportées vers les mitochondries. Cycle de la vie les mitochondries dans la cellule étant courtes, la nature les a dotées d'un double système de reproduction - en plus de diviser les mitochondries maternelles, il est possible de former plusieurs organites filles par bourgeonnement.

La fonction principale des mitochondries est la synthèse d'ATP, la forme universelle d'énergie chimique dans toute cellule vivante. Comme chez les procaryotes, cette molécule peut se former de deux manières : à la suite de la phosphorylation du substrat en phase liquide (par exemple, lors de la glycolyse) ou dans le processus de phosphorylation membranaire associé à l'utilisation de l'énergie d'un gradient électrochimique transmembranaire. protons (ions hydrogène). Les mitochondries mettent en œuvre ces deux voies, dont la première est caractéristique des processus initiaux d'oxydation du substrat et se produit dans la matrice, tandis que la seconde complète les processus de production d'énergie et est associée à des crêtes mitochondriales. Dans le même temps, l'originalité des mitochondries en tant qu'organelles productrices d'énergie d'une cellule eucaryote détermine précisément la deuxième voie de génération d'ATP, appelée "conjugaison chimiosmotique". Il s'agit essentiellement d'une conversion séquentielle de l'énergie chimique de la réduction des équivalents NADH en un gradient électrochimique de protons ΔμH + des deux côtés de la membrane mitochondriale interne, qui active l'ATP synthétase liée à la membrane et aboutit à la formation d'une liaison macroergique dans la molécule d'ATP.

En général, l'ensemble du processus de production d'énergie dans les mitochondries peut être divisé en quatre étapes principales, dont les deux premières se produisent dans la matrice et les deux dernières - sur les crêtes mitochondriales:

1. La transformation du pyruvate et des acides gras du cytoplasme dans les mitochondries en acétyl-CoA ;
2. Oxydation de l'acétyl-CoA dans le cycle de Krebs, conduisant à la formation de NADH ;
3. Transfert d'électrons du NADH vers l'oxygène via la chaîne respiratoire ;
4. La formation d'ATP résultant de l'activité du complexe membranaire ATP-synthétase.

Même dans le cytoplasme, dans une série de 10 réactions enzymatiques distinctes, une molécule de glucose à six carbones est partiellement oxydée en deux molécules de pyruvate à trois carbones avec la formation de deux molécules d'ATP. Le pyruvate est ensuite transporté du cytosol à travers les membranes externe et interne dans la matrice, où il est initialement converti en acétyl-CoA. Ce processus est catalysé par un grand complexe pyruvate déshydrogénase, de taille comparable à la taille d'un ribosome, et composé de trois enzymes, cinq coenzymes et deux protéines régulatrices. De même, les acides gras issus de la dégradation des triglycérides insolubles dans le cytoplasme sont transférés dans la matrice mitochondriale sous forme de dérivés d'acétyl-CoA.

À l'étape suivante, qui se déroule également dans la matrice mitochondriale, l'acétyl-CoA est complètement oxydé dans le cycle de Krebs. Quatre enzymes distinctes sont impliquées dans son travail, pour chaque cycle raccourcissant la chaîne hydrocarbonée de deux atomes de carbone, qui sont ensuite convertis en CO 2. Ce processus assure la formation d'une molécule d'ATP, ainsi que de NADH, un intermédiaire à haute énergie qui donne facilement des électrons à la chaîne de transport d'électrons sur les crêtes mitochondriales.

D'autres processus de génération d'énergie dans les mitochondries se produisent sur ses crêtes et sont associés au transfert d'électrons du NADH vers l'oxygène. Conformément au fait que la consommation d'oxygène en tant qu'oxydant est communément appelée "respiration intracellulaire", la chaîne de transport d'électrons des enzymes qui effectuent le transfert séquentiel d'électrons du NADH à l'oxygène est souvent appelée "chaîne respiratoire". ". Dans ce cas, la transformation de l'énergie d'oxydation est réalisée par des enzymes localisées sur les crêtes mitochondriales et réalisant le vecteur (dirigé vers les parois de la membrane) transfert de protons d'hydrogène de la matrice mitochondriale vers l'espace intermembranaire. C'est la différence fondamentale entre le fonctionnement des oxydoréductases de la chaîne respiratoire et le fonctionnement des enzymes qui catalysent les réactions dans une solution homogène (isotrope), où la question du sens de la réaction dans l'espace n'a pas de sens.

L'ensemble du processus de transfert d'électrons le long de la chaîne respiratoire peut être divisé en trois étapes, chacune étant catalysée par un complexe lipoprotéique transmembranaire séparé (I, III et IV) intégré dans la membrane de la crista mitochondriale. La composition de chacun de ces complexes comprend les composants suivants :

1. Grande enzyme oligomérique catalysant le transfert d'électrons ;
2. Groupes organiques non protéiques (prothétiques) qui acceptent et libèrent des électrons ;
3. Protéines qui assurent le mouvement des électrons.

Chacun de ces complexes transfère des électrons d'un donneur à un accepteur le long d'un gradient de potentiel redox à travers une série de porteurs fonctionnant séquentiellement. Comme ces dernières dans la chaîne respiratoire des mitochondries, des molécules liposolubles d'ubiquinone migrant dans le plan membranaire, ainsi que de petites protéines hydrosolubles (poids moléculaire 13 kDa) contenant de l'hème lié par covalence et appelées « cytochromes » fonctionnent. Avec". Dans le même temps, trois des cinq composants qui composent la chaîne respiratoire fonctionnent de telle sorte que le transfert d'électrons s'accompagne du transfert de protons à travers la membrane des crêtes mitochondriales dans le sens de la matrice vers l'espace intermembranaire.

La chaîne respiratoire commence par le complexe I (NADH-ubiquinone oxydoréductase), constitué de 16 à 26 chaînes polypeptidiques et ayant un poids moléculaire d'environ 850 kDa. L'activité fonctionnelle de ce complexe est déterminée par le fait qu'il contient plus de 20 atomes de fer entassés dans des cellules d'atomes de soufre, ainsi que de la flavine (Fl est un dérivé de la vitamine riboflavine). Le complexe I catalyse l'oxydation du NADH en séparant deux électrons de celui-ci qui, après un "voyage" à travers les composants redox du complexe I, se retrouvent sur une molécule porteuse, qui est l'ubiquinone (Q). Ce dernier est capable d'être réduit par étapes, prenant chacun deux électrons et un proton, et se transformant ainsi en la forme réduite - l'ubiquinol (QH 2).

Le potentiel énergétique (réserve d'énergie) de la molécule d'ubiquinol est nettement inférieur à celui de la molécule de NADH, et la différence de cette énergie est temporairement stockée sous la forme d'une forme spéciale - un gradient de protons électrochimiques. Ce dernier résulte du fait que le transfert d'électrons le long des groupes prothétiques du complexe I, entraînant une diminution du potentiel énergétique des électrons, s'accompagne d'un transfert transmembranaire de deux protons de la matrice dans l'espace intermembranaire de les mitochondries.

L'ubiquinol réduit migre dans le plan de la membrane, où il atteint la deuxième enzyme de la chaîne respiratoire, le complexe III ( 1 avant JC). Ce dernier est un dimère de sous-unités b et c 1 d'un poids moléculaire supérieur à 300 kDa, formé de huit chaînes polypeptidiques et contenant des atomes de fer à la fois dans les cellules soufrées et sous forme de complexes avec des hèmes b(JE) b(ii) et c 1- des molécules hétérocycliques complexes à quatre atomes d'azote situées aux coins du carré de liaison au métal. Le complexe III catalyse la réaction de réduction de l'ubiquinol en ubiquinone avec transfert d'électrons vers l'atome de fer de la seconde molécule porteuse (située dans l'espace intermembranaire du cytochrome c). Dans ce cas, deux protons d'hydrogène séparés de l'ubiquinol sont libérés dans l'espace intermembranaire, poursuivant la formation du gradient électrochimique. Enfin, deux autres protons d'hydrogène sont transférés dans l'espace intermembranaire des mitochondries en raison de l'énergie des électrons traversant les groupes prothétiques du complexe III.

La dernière étape est catalysée par le complexe IV (cytochrome c-oxydase) avec un poids moléculaire d'environ 200 kDa, constitué de 10-13 chaînes polypeptidiques et, en plus de deux hèmes différents, comprend également plusieurs atomes de cuivre fortement associés à des protéines. Dans ce cas, les électrons prélevés sur le cytochrome réduit c traversant les atomes de fer et de cuivre entrant dans la composition du complexe IV, ils tombent sur l'oxygène lié au centre actif de cette enzyme, ce qui conduit à la formation d'eau.

Ainsi, la réaction globale catalysée par les enzymes de la chaîne respiratoire est l'oxydation du NADH avec l'oxygène pour former de l'eau. Essentiellement, ce processus consiste en un transfert progressif d'électrons entre les atomes métalliques présents dans les groupes prosthétiques des complexes protéiques de la chaîne respiratoire, où chaque complexe suivant a une affinité électronique plus élevée que le précédent. Dans ce cas, les électrons eux-mêmes sont transférés le long de la chaîne jusqu'à ce qu'ils se combinent avec l'oxygène moléculaire, qui a la plus grande affinité pour les électrons. L'énergie libérée dans ce cas est stockée sous la forme d'un gradient électrochimique (proton) de part et d'autre de la membrane mitochondriale interne. Dans ce cas, on considère que dans le processus de transport le long de la chaîne respiratoire d'une paire d'électrons, de trois à six protons sont pompés.

La dernière étape du fonctionnement des mitochondries est la génération d'ATP, qui est réalisée par un complexe macromoléculaire spécial d'un poids moléculaire de 500 kDa intégré dans la membrane interne. Ce complexe, appelé ATP synthétase, catalyse la synthèse d'ATP en convertissant l'énergie du gradient électrochimique transmembranaire des protons d'hydrogène en énergie de la liaison macroergique de la molécule d'ATP.

ATP synthétase

En termes structurels et fonctionnels, l'ATP synthase est constituée de deux grands fragments, désignés par les symboles F 1 et F 0 . Le premier d'entre eux (facteur de conjugaison F1) est dirigé vers la matrice mitochondriale et dépasse sensiblement de la membrane sous la forme d'une formation sphérique de 8 nm de haut et 10 nm de large. Il se compose de neuf sous-unités représentées par cinq types de protéines. Les chaînes polypeptidiques de trois sous-unités α et du même nombre de sous-unités β sont emballées dans des globules protéiques de structure similaire, qui forment ensemble un hexamère (αβ) 3 , qui ressemble à une boule légèrement aplatie. Comme des tranches d'orange densément tassées, les sous-unités α et β situées successivement forment une structure caractérisée par un axe de symétrie triple avec un angle de rotation de 120°. Au centre de cet hexamère se trouve la sous-unité γ, qui est formée de deux chaînes polypeptidiques étendues et ressemble à une tige incurvée légèrement déformée d'environ 9 nm de long. Où Partie inférieure la sous-unité γ dépasse de la boule de 3 nm vers le complexe membranaire F 0 . Également à l'intérieur de l'hexamère se trouve la sous-unité mineure ε associée à γ. La dernière (neuvième) sous-unité est désignée par le symbole δ et est située sur le côté extérieur de F 1 .

La partie membranaire de l'ATP synthase, appelée facteur de conjugaison F 0 , est un complexe protéique hydrophobe qui pénètre à travers la membrane et possède deux demi-canaux à l'intérieur pour le passage des protons d'hydrogène. Au total, le complexe F 0 comprend une sous-unité protéique du type une, deux exemplaires de la sous-unité b, ainsi que 9 à 12 exemplaires de la petite sous-unité c. Sous-unité une(poids moléculaire 20 kDa) est complètement immergé dans la membrane, où il forme six sections α-hélicoïdales la traversant. Sous-unité b(poids moléculaire 30 kDa) ne contient qu'une seule section d'hélice α relativement courte immergée dans la membrane, et le reste dépasse sensiblement de la membrane vers F 1 et est fixé à la sous-unité δ située à sa surface. Chacun des 9 à 12 exemplaires de la sous-unité c(poids moléculaire 6-11 kDa) est une protéine relativement petite de deux hélices α hydrophobes reliées l'une à l'autre par une courte boucle hydrophile orientée vers F 1, et ensemble elles forment un ensemble unique, ayant la forme d'un cylindre immergé dans le membrane. La sous-unité γ faisant saillie du complexe F 1 vers F 0 est juste immergée à l'intérieur de ce cylindre et y est assez solidement accrochée.

Ainsi, deux groupes de sous-unités protéiques peuvent être distingués dans la molécule d'ATP synthase, qui peut être assimilée à deux parties d'un moteur : un rotor et un stator. Le "stator" est immobile par rapport à la membrane et comprend un hexamère sphérique (αβ) 3 situé à sa surface et une sous-unité δ, ainsi que des sous-unités une et b complexe membranaire F 0 . Le "rotor" mobile par rapport à cette conception est constitué de sous-unités γ et ε, qui, dépassant sensiblement du complexe (αβ) 3, sont reliées à l'anneau de sous-unités immergé dans la membrane c.

La capacité de synthétiser l'ATP est une propriété d'un seul complexe F 0 F 1, couplé au transfert de protons d'hydrogène via F 0 à F 1, dans lequel se trouvent des centres catalytiques qui convertissent l'ADP et le phosphate en une molécule d'ATP. La force motrice du travail de l'ATP synthase est le potentiel protonique créé sur la membrane interne des mitochondries à la suite du fonctionnement de la chaîne de transport d'électrons.

La force qui entraîne le "rotor" de l'ATP synthase se produit lorsqu'une différence de potentiel est atteinte entre l'externe et côtés intérieurs membrane > 220 mV et est fourni par le flux de protons traversant un canal spécial dans F 0 situé à la frontière entre les sous-unités une et c. Dans ce cas, la voie de transfert de protons comprend les éléments structurels suivants :

1. Deux "semi-canaux" non alignés, dont le premier assure le flux des protons de l'espace intermembranaire vers les groupements fonctionnels essentiels F 0 , et l'autre assure leur libération dans la matrice mitochondriale ;
2. Anneau de sous-unités c, dont chacun dans sa partie centrale contient un groupe carboxyle protoné capable de fixer H + de l'espace intermembranaire et de les donner à travers les canaux protoniques correspondants. À la suite de déplacements périodiques de sous-unités Avec, en raison du flux de protons à travers le canal de protons, la sous-unité γ est tournée, immergée dans l'anneau de sous-unités Avec.

Ainsi, l'activité catalytique de l'ATP synthase est directement liée à la rotation de son "rotor", dans lequel la rotation de la sous-unité γ provoque un changement simultané de la conformation des trois sous-unités catalytiques β, ce qui assure finalement le fonctionnement de l'enzyme . Dans ce cas, dans le cas de la formation d'ATP, le «rotor» tourne dans le sens des aiguilles d'une montre à une vitesse de quatre tours par seconde, et la rotation très similaire se produit par sauts discrets de 120 °, chacun s'accompagnant de la formation de une molécule d'ATP.

La fonction directe de synthèse d'ATP est localisée sur les sous-unités β du complexe de conjugaison F 1 . Dans ce cas, le tout premier acte dans la chaîne d'événements conduisant à la formation d'ATP est la liaison de l'ADP et du phosphate au centre actif de la sous-unité β libre, qui est à l'état 1. En raison de l'énergie source externe(courant de protons) dans le complexe F 1, des changements de conformation se produisent, à la suite desquels l'ADP et le phosphate se lient fermement au centre catalytique (état 2), où il devient possible de former une liaison covalente entre eux, conduisant à la formation de l'ATP. À ce stade de l'ATP synthase, l'enzyme ne nécessite pratiquement pas d'énergie, qui sera nécessaire à l'étape suivante pour libérer une molécule d'ATP étroitement liée du centre enzymatique. Par conséquent, l'étape suivante du fonctionnement de l'enzyme est que, à la suite d'un changement structurel dépendant de l'énergie dans le complexe F1, la sous-unité catalytique β contenant une molécule d'ATP étroitement liée passe à l'état 3, dans lequel la liaison entre l'ATP et le centre catalytique est affaibli. En conséquence, la molécule d'ATP quitte l'enzyme et la sous-unité β revient à son état d'origine 1, ce qui assure le cycle de l'enzyme.

Le travail de l'ATP synthase est associé aux mouvements mécaniques de ses parties individuelles, ce qui a permis d'attribuer ce processus à un type particulier de phénomènes appelés "catalyse rotationnelle". Semblable à électricité dans l'enroulement du moteur électrique entraîne le rotor par rapport au stator, le transfert dirigé de protons via l'ATP synthétase provoque la rotation de sous-unités individuelles du facteur de conjugaison F 1 par rapport à d'autres sous-unités du complexe enzymatique, à la suite de quoi cette énergie unique -le dispositif générateur effectue un travail chimique - il synthétise les molécules d'ATP. Par la suite, l'ATP pénètre dans le cytoplasme de la cellule, où il est dépensé pour une grande variété de processus dépendant de l'énergie. Un tel transfert est effectué par une enzyme spéciale ATP/ADP-translocase intégrée dans la membrane mitochondriale, qui échange l'ATP nouvellement synthétisé contre l'ADP cytoplasmique, ce qui garantit la préservation du fonds adénylnucléotide à l'intérieur des mitochondries.