{"id":3013,"date":"2014-02-05T16:04:42","date_gmt":"2014-02-05T15:04:42","guid":{"rendered":"http:\/\/perso.uclouvain.be\/alain.amar-costesec\/?page_id=3013"},"modified":"2026-07-06T09:54:02","modified_gmt":"2026-07-06T07:54:02","slug":"chapitre-4","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/perso.uclouvain.be\/alain.amar-costesec\/chapitre-4\/","title":{"rendered":"Chapitre 4"},"content":{"rendered":"

<\/a>Mitochondries<\/b><\/span><\/h2>\n

Sur la plan\u00e8te Terre, environ 90% de l\u2019oxyg\u00e8ne consomm\u00e9 par les \u00eatres vivants est utilis\u00e9 dans des organites subcellulaires appel\u00e9s \u00ab mitochondries \u00bb. On en trouve les premi\u00e8res repr\u00e9sentations dans un ouvrage publi\u00e9 en 1841 par Friedrich G. J. Henle, un \u00e9l\u00e8ve de Johannes Peter M\u00fcller, titulaire de la chaire de physiologie et d\u2019anatomie de la Friedrich-Wilhelm Universit\u00e4t<\/i>, \u00e0 Berlin. Les cellules musculaires ont d\u2019importants besoins en \u00e9nergie rapidement mobilisable ; les mitochondries sont les seuls organites capables de remplir cette fonction, ce qui explique pourquoi les tissus musculaires en contiennent de grandes quantit\u00e9s. \u00c9l\u00e8ve de Lorenz Oken, le pape de la Naturphilosophie<\/i>, et de Johannes Peter M\u00fcller, Rudolph A. von K\u00f6lliker fut professeur de physiologie et d\u2019anatomie compar\u00e9e \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 de Wurtzbourg. Microscopiste exp\u00e9riment\u00e9, il observa, en 1857, dans le sarcoplasme des muscles stri\u00e9s, des granules interstitiels individualis\u00e9s qu\u2019il appela k\u00f6rperchen<\/i> (corpuscules) sui generis<\/i> \u00bb. En 1890, Richard Altmann, professeur d\u2019anatomie \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 de Leipzig, mit au point une technique de fixation et de coloration des tissus \u00e0 l\u2019aniline et fuschine ; il d\u00e9tecta la pr\u00e9sence de \u00ab bioblastes \u00bb dans le cytoplasme des cellules. Walther Flemming, professeur d\u2019anatomie \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 de Kiel, observa des \u00ab filae<\/i> \u00bb dans une vari\u00e9t\u00e9 de tissus. L\u2019utilisation d\u2019un nouveau colorant, le cristal violet, permit \u00e0 Carl Benda de d\u00e9tecter la pr\u00e9sence de ces organites dans des tissus o\u00f9 ils sont peu abondants. Les microscopistes utilis\u00e8rent la coloration dite \u00ab vitale \u00bb au Vert Janus de Leonor Michaelis, plus connu pour avoir, avec Maud L. Menten, propos\u00e9 en 1913 l\u2019\u00e9quation d\u00e9crivant la cin\u00e9tique des r\u00e9actions enzymatiques. Au contact du colorant, les organites prennent une teinte bleu fonc\u00e9 ce qui r\u00e9v\u00e9la la pr\u00e9sence de r\u00e9actions d\u2019oxydation. Les mitochondries furent d\u2019abord appel\u00e9es \u00ab granules de K\u00f6lliker \u00bb, filae<\/i>, bioblastes. En 1890, Retzius introduisit l’appellation \u00ab sarcosome \u00bb pour d\u00e9signer les organites pr\u00e9sents dans les muscles. En 1898, Carl Benda cr\u00e9a le terme \u00ab mitochondrie \u00bb par r\u00e9f\u00e9rence \u00e0 la forme allong\u00e9e de l\u2019organite (mitos<\/i> = fil). En 1909, Claudius Regaud (Facult\u00e9 de m\u00e9decine, Lyon) mit au point une technique de coloration des mitochondries et montra que \u00ab sarcosome \u00bb et \u00ab mitochondrie \u00bb d\u00e9signent la m\u00eame entit\u00e9 subcellulaire. Le terme \u00ab chondriosome \u00bb, pour d\u00e9signer les mitochondries, fut employ\u00e9 jusqu\u2019au milieu du XXe<\/sup> si\u00e8cle.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Henle FGJ Allgemeine Anatomie: Lehre von den Mischungs-und Formbestandtheilen des Menschlichen K\u00f6rpers<\/i> (1841)
\nAltmann R Die Elementarorganismen und ihre Beziehungen zu den Zellen<\/i> (1890)
\nFlemming W Zellsubstanz, Kern und Zellteilung<\/i> (1882)
\nBenda C Ueber die Spermatogenese der Vertebraten und h\u00f6herer Evertebraten, II Theil: Die Histiogenese der Spermien<\/i> (1898)<\/span><\/p>\n

Plusieurs hypoth\u00e8ses furent avanc\u00e9es concernant la nature et la fonction de ces organismes cytoplasmiques. Pour certains, il s\u2019agissait de bact\u00e9ries. Pour Richard Altmann, les \u00ab bioblastes \u00bb \u00e9taient des particules vivantes \u00e9l\u00e9mentaires dot\u00e9es d\u2019une autonomie m\u00e9tabolique et g\u00e9n\u00e9tique, et capables de se reproduire ; c\u2019\u00e9tait pr\u00e9monitoire ! Le botaniste Andreas F.W. Schimper fit remarquer que les chloroplastes des cellules v\u00e9g\u00e9tales pr\u00e9sentent de nombreuses similarit\u00e9s avec les cyanobact\u00e9ries. Les observations de Schimper ont inspir\u00e9 le botaniste Konstantin S. Mereschkowski, professeur de microbiologie (Universit\u00e9 f\u00e9d\u00e9rale de Kazan). En 1905, une vingtaine d\u2019ann\u00e9es apr\u00e8s les travaux de Schimper, Mereschkowski inventa la \u00ab symbiogen\u00e8se \u00bb comme conclusion \u00e0 ses travaux sur les lichens : des \u00eatres primitifs (champignons, algues, lichens) peuvent s\u2019associer pour former des \u00eatres plus complexes. Il \u00e9mit l\u2019hypoth\u00e8se que la capture de cyanobact\u00e9ries par des protozoaires a conduit \u00e0 l\u2019apparition des chloroplastes des cellules v\u00e9g\u00e9tales. Si l\u2019article en allemand, qu\u2019il publia en 1909, recueillit peu d\u2019\u00e9chos parmi les scientifiques, Ivan E. Wallin, professeur d\u2019Anatomie (Medical School, University of Colorado<\/i>) en eut connaissance. Il appliqua les d\u00e9ductions de Mereschkowski au cas des mitochondries. En 1922, et dans les ann\u00e9es suivantes, il publia une s\u00e9rie d\u2019articles dans l\u2019American Journal of Anatomy<\/i> d\u00e9montrant, sur des bases exp\u00e9rimentales, que les mitochondries proviennent de bact\u00e9ries endocyt\u00e9es par la cellule primitive. Cette affirmation fut \u00e9tay\u00e9e lorsque l\u2019examen au microscope \u00e9lectronique r\u00e9v\u00e9la la pr\u00e9sence de ribosomes dans la matrice mitochondriale, donc d\u2019un appareil de traduction. En 1980, la d\u00e9couverte de l\u2019ADN mitochondrial (ADNmt<\/sub>) mit un point final \u00e0 la controverse sur l\u2019origine des mitochondries. <\/p>\n

La th\u00e9orie endosymbiotique est l\u2019\u0153uvre de la bact\u00e9riologiste Lynn Margulis (Boston University<\/i>). Cette th\u00e9orie est une remise en cause radicale de la \u00ab th\u00e9orie synth\u00e9tique \u00bb ch\u00e8re aux n\u00e9o-darwinistes du d\u00e9but du XXe <\/sup>si\u00e8cle : les mutations g\u00e9n\u00e9tiques et la s\u00e9lection naturelle sont les seuls facteurs \u00e0 l\u2019origine de l\u2019apparition de nouvelles esp\u00e8ces. Inutile de pr\u00e9ciser que Margulis \u00e9prouva les plus grandes difficult\u00e9s \u00e0 publier le r\u00e9sultat de ses travaux ; bien que n’\u00e9tant \u00e0 l\u2019\u00e9poque qu\u2019une enseignante en d\u00e9but de carri\u00e8re, elle eut le m\u00e9rite de tenir t\u00eate au d\u00e9saveu de l\u2019establishment<\/i> universitaire et scientifique. Apr\u00e8s une quinzaine de refus ! Son article fut accept\u00e9 par le comit\u00e9 \u00e9ditorial du Journal of Theoretical Biology<\/i> ; il parut en 1966. Quinze plus tard, Margulis r\u00e9suma le r\u00e9sultat de ses travaux dans un ouvrage qui parut en 1981 : les variations h\u00e9r\u00e9ditaires, qui sont le moteur de l\u2019\u00e9volution, ne proviennent pas seulement de mutations al\u00e9atoires ; il y a aussi une \u00e9volution par associations d\u2019organismes primitifs (une \u03b1-prot\u00e9obact\u00e9rie a\u00e9robie avec une cellule primitive dans le cas des mitochondries). La cellule eucaryote est la composante d\u2019une s\u00e9rie d\u2019associations symbiotiques avec des procaryotes captur\u00e9s par la cellule primitive. <\/p>\n

Les mitochondries se divisent en m\u00eame temps que la cellule. Le g\u00e9nome mitochondrial est un g\u00e9nome compact, sans introns, dont l\u2019ADN (comme celui des chloroplastes) pr\u00e9sente de grandes similitudes avec l\u2019ADN bact\u00e9rien : il est souvent bicat\u00e9naire et circulaire. Les h\u00e9patocytes renferment environ 4.000 mitochondries contenant 2 \u00e0 4 mol\u00e9cules d\u2019ADNmt<\/sub>, par mitochondrie. La s\u00e9quence de l\u2019ADNmt<\/sub> chez la souris, l\u2019homme et le b\u0153uf fut \u00e9tablie par le groupe du MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge<\/i> (16.569 paires de bases pour l\u2019ADNmt<\/sub> humain). Des erreurs de s\u00e9quence furent corrig\u00e9es en 1999. Les 37 g\u00e8nes de l\u2019ADNmt<\/sub> codent principalement pour des ARN (22 ARNt<\/sub> 2 ARNr<\/sub>) et 13 prot\u00e9ines. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Altmann R Die Elementarorganismen und ihre Beziehungen zu den Zellen<\/i> (1890)
\nSchimper AFW Ueber die Entwickelung der Chlorophyllk\u00f6rner und Farbk\u00f6rper Ueber Chlorophyllk\u00f6rner St\u00e4rkebildner und Farbk\u00f6rper<\/i> (1883)
\nMereschkowski K \u00dcber Natur und Ursprung der Chromatophoren im Pflanzenreiche<\/i> (1905)
\nMereschkowski K Theorie der zwei Plasmaarten als Grundlage der Symbiogenesis, einer neuen Lehre von der Entstehung der Organismen<\/i> (1910)
\nWallin IE On the Nature of Mitochondria<\/i> (1922)
\nWallin IE Symbionticism and the Origin of Species<\/i> (1927)
\nMargulis L The Origin of Mitosing Eukaryotic Cells<\/i> (1966)
\nMargulis L Symbiosis in Cell Evolution<\/i> (1981)
\nMargulis L Archaeal-eubacterial mergers in the origin of Eukarya: phylogenetic classification of life<\/i> (1996)
\nAnderson S, Bankier AT, Barrell BG, de Bruijn MHL, Coulson AR, Drouin J, Eperon IC, Nierlich DP, Roe BA, Sanger F, Schreier PH, Smith AJH, Staden R, Young IG Sequence and organization of the human mitochondrial genome<\/i> (1981) <\/span><\/p>\n

<\/a>Des \u00ab granules respiratoires \u00bb<\/b><\/span><\/h4>\n

En 1789, dans son laboratoire de l\u2019Arsenal, \u00e0 Paris, Antoine Laurent de Lavoisier et son disciple Armand S\u00e9guin montr\u00e8rent que l\u2019oxyg\u00e8ne est indispensable \u00e0 la combustion et, chez les animaux, \u00e0 la respiration. Chez ces derniers, la consommation d\u2019oxyg\u00e8ne s\u2019accompagne d\u2019une production de gaz carbonique. Malheureusement pour Lavoisier, il cumulait avec sa fonction de r\u00e9gisseur des poudres et salp\u00eatres la charge de fermier g\u00e9n\u00e9ral, c\u2019est-\u00e0-dire de collecteur d\u2019imp\u00f4ts ; il fut arr\u00eat\u00e9 pendant la Terreur et traduit devant le tribunal r\u00e9volutionnaire qui, d\u00e9cr\u00e9tant que \u00ab la R\u00e9publique n\u2019a pas besoin de savants \u00bb, envoya \u00e0 la guillotine le plus grand chimiste de son temps.<\/p>\n

A quoi sert l\u2019oxyg\u00e8ne inspir\u00e9 par nos poumons ? O\u00f9 va-t-il exactement ? En 1912, l\u2019histologiste Benjamin F. Kingsbury \u00e9mit l\u2019hypoth\u00e8se que l\u2019oxyg\u00e8ne fourni par la respiration est consomm\u00e9 dans les mitochondries. Ainsi naquit la notion de \u00ab respiration cellulaire \u00bb, une appellation qui d\u00e9signe l\u2019ensemble des processus m\u00e9taboliques qui permettent \u00e0 un \u00eatre vivant de tirer des nutriments qu\u2019il ingurgite l\u2019\u00e9nergie n\u00e9cessaire \u00e0 ses besoins vitaux. La respiration cellulaire fut le grand sujet d\u2019\u00e9tudes des biochimistes du d\u00e9but du XXe<\/sup> si\u00e8cle. En 1910, alors qu\u2019il \u00e9tait \u00e9tudiant dans le laboratoire d\u2019Hermann E. Fischer (prix Nobel de chimie en 1902), \u00e0 l\u2019Institut f\u00fcr Chemie<\/i>, Universit\u00e9 de Berlin, Otto Warburg d\u00e9couvrit que des granules s\u00e9par\u00e9s par centrifugation d\u2019un broyat tissulaire catalysent l\u2019oxydation d\u2019acides organiques en pr\u00e9sence de cytochrome c. Il avait mis au point un appareil manom\u00e9trique pour mesurer les \u00e9changes gazeux \u2013 par exemple, la consommation d\u2019oxyg\u00e8ne par des coupes de tissus, en pr\u00e9sence de substrats organiques. La pr\u00e9paration de bonnes coupes de tissus est difficile ; compte tenu du coefficient de diffusion de l\u2019oxyg\u00e8ne et de la vitesse \u00e0 laquelle il est consomm\u00e9 par les tissus, l\u2019\u00e9paisseur des tranches ne devait pas d\u00e9passer une dizaine de couches de cellules. L\u2019utilisation de broyats ou de fractions subcellulaires permettait d\u2019\u00e9viter cet inconv\u00e9nient.<\/p>\n

Des tentatives pour isoler les granules dot\u00e9s d\u2019activit\u00e9 respiratoire (des mitochondries selon l\u2019hypoth\u00e8se de Kingsbury) furent entreprises en 1933 par Robert R. Bensley et Normand L. Hoerr (The University of Chicago<\/i>). Bensley \u00e9tait connu pour ses travaux sur le pancr\u00e9as endocrine : il avait d\u00e9montr\u00e9 que les \u00eelots de Langerhans constituent un tissu sp\u00e9cialis\u00e9, et mis au point une technique de coloration pour distinguer les cellules \u03b1 des cellules \u03b2. Bensley d\u00e9veloppa une laborieuse technique de purification des mitochondries ; les tissus \u00e9taient congel\u00e9s imm\u00e9diatement apr\u00e8s pr\u00e9l\u00e8vement et broy\u00e9s ; l\u2019homog\u00e9nat \u00e9tait centrifug\u00e9 \u00e0 travers un gradient de densit\u00e9 de solvants organiques (pour limiter la perte par diffusion de mol\u00e9cules hydrosolubles). Les organites ainsi obtenus \u00e9taient alt\u00e9r\u00e9s par l\u2019action des solvants sur les phospholipides membranaires. Vers le milieu des ann\u00e9es 1940, Albert Claude et son technicien Rollin Hotchkiss (Rockefeller Institute for Medical Research<\/i>) utilis\u00e8rent une solution de chlorure de sodium pour pr\u00e9parer l\u2019homog\u00e9nat tissulaire ; ils isol\u00e8rent par centrifugation diff\u00e9rentielle une fraction de \u00ab Gros granules \u00bb. A l\u2019examen microscopique, cette fraction contenait des mitochondries alt\u00e9r\u00e9es. Les solutions salines provoquent l\u2019agr\u00e9gation des particules subcellulaires. En 1946, Walter Schneider et George Hogeboom remplac\u00e8rent la solution de chlorure de sodium par de l\u2019eau distill\u00e9e : le r\u00e9sultat ne fut pas meilleur ; les organites de forme sph\u00e9rique ainsi isol\u00e9s n\u2019\u00e9taient pas color\u00e9s par le Vert Janus (le colorant vital des mitochondries) et n\u2019avaient pas leur morphologie allong\u00e9e caract\u00e9ristique. A la suggestion de George Palade, Hogeboom et Schneider remplac\u00e8rent l\u2019eau par une solution de saccharose et le broyage des tissus au mortier et au pilon par l\u2019emploi de l\u2019homog\u00e9n\u00e9iseur en verre mis au point en 1936 par Van Rensselaer Potter et Conrad Arnold Elvejehm (Department of Agricultural Chemistry, University of Wisconsin, Madison<\/i>). Les organites isol\u00e9s avaient une activit\u00e9 respiratoire et la morphologie des mitochondries observ\u00e9es au microscope.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Bensley RR, Hoerr NL Studies on cell structure by the freezing-drying method. VI. The preparation and properties of mitochondria<\/i>(1934)
\nHogeboom GH, Schneider WC, Pallade GE The Isolation of Morphologically Intact Mitochondria from Rat Liver<\/i> (1947)<\/span><\/p>\n

Il fallut attendre l\u2019arriv\u00e9e du microscope \u00e9lectronique pour d\u00e9couvrir la structure fine des mitochondries. Une comp\u00e9tition s\u2019\u00e9tablit entre le groupe du Rockefeller Institute<\/i> \u00e0 New York et celui du Karolinska Institutet<\/i>, \u00e0 Stockholm. En mati\u00e8re de microscopie \u00e9lectronique appliqu\u00e9e \u00e0 la biologie, le laboratoire de New York avait fait \u0153uvre de pionnier : Albert Claude et Keith Porter avaient publi\u00e9 la premi\u00e8re micrographie de cellule (un fibroblaste) et Claude et Ernest Fullam, le premier clich\u00e9 d\u2019organites, en 1945. Apr\u00e8s le d\u00e9part de Claude pour Bruxelles, les group leaders<\/i> \u00e9taient Keith Porter et George Palade… A Stockholm, le physicien Karl Manne G. Siegbahn, prix Nobel de physique 1924, directeur de l\u2019Institut Nobel de Physique, suivait de pr\u00e8s les travaux des physiciens allemands du groupe d\u2019Ernst Ruska pour mettre au point un microscope \u00e9lectronique. L\u2019assistant de Siegbahn, Fritiof S. Sj\u00f6strand, avait acquis la pratique de la microscopie dans le d\u00e9partement de pharmacologie du Karolinska Institutet<\/i> ; en 1938, Siegbahn le chargea de mettre au point les techniques permettant d\u2019examiner des \u00e9chantillons biologiques au microscope \u00e9lectronique. Le d\u00e9fi \u00e0 relever pour les microscopistes des ann\u00e9es 1940 \u00e9tait de pr\u00e9server les fragiles structures cellulaires d\u2019\u00e9chantillons travers\u00e9s par un flux d’\u00e9lectrons et plac\u00e9s dans un vide pouss\u00e9. Dans ce domaine, Sj\u00f6strand s\u2019est distingu\u00e9 en apportant des am\u00e9liorations techniques \u00e9vitant l\u2019apparition d\u2019artefacts : (i) fixation rapide des tissus par le t\u00e9troxyde d’osmium (OsO4<\/sub>) dans un tampon au pH et \u00e0 l’osmolarit\u00e9 control\u00e9 ; (ii) inclusion dans un plastique \u00e0 durcissement rapide, le m\u00e9thacrylate, offrant un soutien rigide au tissu. A la diff\u00e9rence de la paraffine ou du collodion utilis\u00e9s \u00e0 l\u2019\u00e9poque, ce plastique permet l\u2019obtention de coupes ultra-fines ; (iii) conception d\u2019un ultra-microtome \u00e9quip\u00e9 d’un avancement thermique d\u2019une grande pr\u00e9cision et de couteaux de verre. Sj\u00f6strand obtint des coupes de tissus de qualit\u00e9 – 20 \u00e0 30 nm d\u2019\u00e9paisseur – sur lesquelles les membranes cellulaires \u00e9taient clairement visibles. En 1943, il publia ses r\u00e9sultats sur la pr\u00e9paration de coupes ultrafines dans la revue Nature<\/i>. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Sj\u00f6strand F. Electron-microscopic examination of tissues<\/i> (1943)<\/p>\n

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\"Mitochondrie\"<\/a><\/td>\n<\/tr>\n
Mitochondrie. <\/b>C\u2019est un organite allong\u00e9, entour\u00e9 d\u2019une enveloppe constitu\u00e9e d\u2019une double membrane. Entre la membrane externe et la membrane interne, se trouve un espace intermembranaire de 8 \u00e0 10 nanom\u00e8tres d\u2019\u00e9paisseur. La membrane interne forme des invaginations, les cr\u00eates mitochondriales ou cristae<\/i>. La membrane externe est perm\u00e9able aux mol\u00e9cules de masse inf\u00e9rieure \u00e0 500, aux ions et aux protons. La membrane interne est perm\u00e9able aux petites mol\u00e9cules (O2<\/sub>, H2<\/sub>O, CO2<\/sub>, NO, NH3<\/sub>) et imperm\u00e9able aux protons. Elle renferme des transporteurs, une cha\u00eene de transfert d\u2019\u00e9lectrons et l\u2019ATP synthase. La matrice a une apparence finement granuleuse. Elle h\u00e9berge de l\u2019ADN, un appareil de transcription et de traduction, des polysomes, des concr\u00e9tions min\u00e9rales, les enzymes du cycle de Krebs, de la \u03b2-oxydation des acides gras et de l\u2019oxydation des acides amin\u00e9s.<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

 <\/p>\n

Pour Palade, la mitochondrie est entour\u00e9e par deux membranes continues : une membrane externe – l’enveloppe mitochondriale -et une membrane interne qui forme des replis p\u00e9n\u00e9trant dans une matrice fluide ; les cristae sont des cloisons incompl\u00e8tes perc\u00e9es de pores qui n\u2019interrompent pas la continuit\u00e9 de la matrice. Pour Sj\u00f6strand, la mitochondrie est entour\u00e9e d’une seule membrane unique. Il refusa l\u2019id\u00e9e d’invaginations propos\u00e9e par Palade. La mitochondrie contient des septas en forme de disques ou de plaques, des cloisons transversales ind\u00e9pendantes de la membrane externe ; il les appelait des \u00ab membranes doubles internes \u00bb. Il affirmait que les membranes de la mitochondrie n’\u00e9taient pas des bicouches lipidiques, mais des structures compos\u00e9es de sous-unit\u00e9s globulaires de prot\u00e9ines et de lipides hautement ordonn\u00e9es. Selon lui, l’espace intermembranaire d\u00e9crit par Palade n’existe pas. A la Third International Conference on Electron Microscopy<\/i> qui se tint \u00e0 Londres en 1954, Sj\u00f6strand soutenait que les pores observ\u00e9s par Palade dans les cr\u00eates \u00e9taient des artefacts dus \u00e0 une mauvaise conservation des \u00e9chantillons. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Palade GE The fine structure of mitochondria<\/i> (1952)
\nPalade, G. E. An electron microscope study of the mitochondrial structure<\/i> (1953)
\nSj\u00f6strand FS Electron microscopy of mitochondria and cytoplasmic double membranes<\/i> (1953)
\nSj\u00f6strand FS, Hanzon V Membrane structures of cytoplasm and mitochondria in exocrine cells of mouse pancreas as revealed by high resolution electron microscopy<\/i> (1954)<\/p>\n

Concernant les membranes mitochondriales, Sj\u00f6strand s’est enferm\u00e9 trop longtemps dans une posture dogmatique, \u00e0 la limite de l\u2019agressivit\u00e9 ; il d\u00e9clarait publiquement que les images de Palade \u00e9taient de la \u00ab mauvaise cuisine \u00bb. George Palade \u00e9tait un gentleman \u2013 je peux en t\u00e9moigner – mais il ne se laissait pas attaquer sans r\u00e9agir. Au milieu des ann\u00e9es 1950, avec l’am\u00e9lioration des techniques de coloration et de fixation des \u00e9chantillons, et gr\u00e2ce aux coupes s\u00e9ri\u00e9es les preuves s\u2019accumul\u00e8rent en faveur du mod\u00e8le de Palade. Sj\u00f6strand continua \u00e0 s\u2019accrocher \u00e0 son mod\u00e8le au-del\u00e0 du raisonnable ; sa cr\u00e9dibilit\u00e9 scientifique fut mise en cause, ce qui affecta profond\u00e9ment sa fin de carri\u00e8re.<\/p>\n

<\/a>Atmungsferment<\/i> ou d\u00e9shydrog\u00e8nases ?<\/b><\/span><\/h4>\n

Comme je l\u2019ai dit plus haut, la respiration cellulaire \u2013 c\u2019est-\u00e0-dire la consommation d\u2019O2<\/sub> par les tissus – \u00e9tait, au d\u00e9but du XXe<\/sup> si\u00e8cle, un th\u00e8me de recherches \u00e0 la mode. La technique exp\u00e9rimentale consistait \u00e0 mettre le tissu \u2013 un muscle par exemple \u2013 en contact avec un substrat et \u00e0 mesurer la consommation d\u2019O2<\/sub> (ou la production de CO2<\/sub>) \u00e0 l\u2019aide de manom\u00e8tres plus ou moins \u00e9labor\u00e9s. La respiration tissulaire a d\u2019abord \u00e9t\u00e9 \u00e9tudi\u00e9 sur des organes entiers, le plus souvent des muscles, puis sur des tranches minces de tissus (0,2 \u00e0 0,5 mm d\u2019\u00e9paisseur), dans des broyats cellulaires, et dans le syst\u00e8me acellulaire mis au point par Batelli et Stern. Elle attira des biochimistes de renom ; en 1910, Otto Warburg avait d\u00e9couvert l\u2019Atmungsferment<\/i> associ\u00e9 \u00e0 des granules subcellulaires. Heinrich O. Wieland, professeur de chimie \u00e0 l\u2019universit\u00e9 de Munich, prix Nobel de chimie en 1927, \u00e9tudiait la r\u00e9duction de substances organiques in vitro<\/i>, en pr\u00e9sence de catalyseurs chimiques, ou en milieu cellulaire. En 1913, il d\u00e9couvrit que la bact\u00e9rie Acetobacter<\/i> convertit l\u2019\u00e9thanol en ac\u00e9tate en pr\u00e9sence d\u2019un accepteur d\u2019\u00e9lectrons (bleu de m\u00e9thyl\u00e8ne ou une quinone) :<\/p>\n

CH3<\/sub>-CH2<\/sub>OH ➔ CH3<\/sub>-COOH<\/p>\n

La r\u00e9action se d\u00e9roulant en l\u2019absence d\u2019oxyg\u00e8ne, il en d\u00e9duisit qu\u2019elle \u00e9tait catalys\u00e9e par une d\u00e9shydrog\u00e9nase. En effet, l\u2019\u00e9thanol c\u00e8de deux atomes d\u2019hydrog\u00e8ne qui ont la capacit\u00e9 de r\u00e9duire de l\u2019oxyg\u00e8ne pour former une mol\u00e9cule d\u2019eau : <\/p>\n

O2<\/sub> + 2 H2<\/sub> ➔ 2 H2<\/sub>O<\/p>\n

L\u2019\u00e9thanol est plus riche en hydrog\u00e8ne que l\u2019ac\u00e9tate. Dans la r\u00e9action (non \u00e9quilibr\u00e9e) \u00e9crite plus haut, l\u2019\u00e9thanol est la forme r\u00e9duite et l\u2019ac\u00e9tate, la forme oxyd\u00e9e. Pour dire les choses autrement, la r\u00e9action redox (r\u00e9duction\/oxydation) : <\/p>\n

H2<\/sub> ↔ 2H+<\/sup> + 2e–<\/sup><\/p>\n

indique que le transfert d\u2019une mol\u00e9cule d\u2019hydrog\u00e8ne \u00e9quivaut au transfert de deux \u00e9lectrons. L\u2019\u00e9thanol, plus riche en \u00e9lectrons que l\u2019ac\u00e9tate, sert de \u00ab donneur \u00bb et l\u2019ac\u00e9tate, de \u00ab receveur \u00bb. Les \u00eatres vivants h\u00e9t\u00e9rotrophes tirent leur \u00e9nergie des \u00e9lectrons fournis par les nutriments. <\/p>\n

Dans les ann\u00e9es 1900 \u00e0 1910, Torsten L. Thunberg (Lunds Universitet<\/i>) \u00e9tudia la capacit\u00e9 de tranches de tissus, plac\u00e9es dans un milieu de survie, \u00e0 oxyder des acides organiques en pr\u00e9sence d\u2019un accepteur d\u2019\u00e9lectrons. La consommation d\u2019oxyg\u00e8ne de broyats cellulaires \u00e9tait mesur\u00e9e par la vitesse de d\u00e9coloration du bleu de m\u00e9thyl\u00e8ne dans un \u00ab tube de Thunberg \u00bb. Il s\u00e9lectionna une soixantaine de sels d\u2019acides carboxyliques : lactate, pyruvate (un groupe carboxylique), succinate, malate, fumarate, glutamate (deux groupes), citrate (trois groupes). La vitesse de consommation de l\u2019O2 d\u00e9pendait de la nature du substrat. Apportant de l\u2019eau au moulin d\u2019Heinrich Wieland, Thunberg conclut que les tissus renferment une vari\u00e9t\u00e9 de d\u00e9shydrog\u00e9nases sp\u00e9cifiques de chaque substrat : une d\u00e9shydrog\u00e9nase convertirait le succinate en fumarate, une autre convertirait le malate en oxalo-ac\u00e9tate. La d\u00e9shydrog\u00e9nation du succinate se faisait \u00e0 une vitesse particuli\u00e8rement \u00e9lev\u00e9e (la \u00ab succinate d\u00e9shydrog\u00e9nase \u00bb est l\u2019une des quatre d\u00e9shydrog\u00e9nases du cycle des acides tricarboxyliques). A l\u2019\u00e9poque, une virulente controverse opposait Wieland et Warburg ; elle portait sur l\u2019importance respective des oxydases (Warburg) ou des d\u00e9shydrog\u00e9nases (Wieland) dans la respiration cellulaire. Thunberg tira de ses r\u00e9sultats une \u00e9bauche de voie m\u00e9tabolique. Les atomes d\u2019hydrog\u00e8ne arrach\u00e9s aux substrats seraient transf\u00e9r\u00e9s \u00e0 un accepteur d\u2019hydrog\u00e8ne, qui serait soit un autre m\u00e9tabolite, soit un accepteur artificiel comme le bleu de m\u00e9thyl\u00e8ne. <\/p>\n

Fr\u00e9d\u00e9ric Batelli et son assistante Lina Stern utilis\u00e8rent des broyats de tissus dans de l\u2019eau, une solution de NaCl ou du sang, incub\u00e9s dans des fioles plac\u00e9es dans un bain-marie \u00e0 temp\u00e9rature constante et sous agitation m\u00e9canique. Les quantit\u00e9s d\u2019O2<\/sub> consomm\u00e9es ou de CO2 <\/sub>produites sont mesur\u00e9es par un manom\u00e8tre reli\u00e9 aux fioles. Ce syst\u00e8me acellulaire permet d\u2019\u00e9tudier la respiration cellulaire, en faisant varier les param\u00e8tres. C\u2019est ainsi qu\u2019ils montr\u00e8rent que l\u2019oxydation des acides organiques s\u2019accompagne d\u2019une production de CO2<\/sub> et d\u2019H2<\/sub>O. Je rappelle qu\u2019\u00e0 chaque tour de cycle des acides tricarboxyliques, deux mol\u00e9cules de CO2<\/sub> et deux mol\u00e9cules de H2<\/sub>O sont produites. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Thunberg T Bin Mikrorespirometer 1: Ein neuer Respirationsapparat, um den respiratorischen Gasaustausch kleinerer Organe und Organismen zu bestimmen<\/i> (1905)
\nThunberg T The Hydrogen-Activating Enzymes of the Cells<\/i> (1930)
\nBatelli F, Stern L Recherches sur l\u2019activit\u00e9 respiratoire des tissus (1907)
\nBatelli F, Stern L Recherches sur le m\u00e9canisme des oxydations dans les tissus des animaux isol\u00e9s (1907)
\nBatelli F, Stern L Recherches sur les processus des combustions \u00e9l\u00e9mentaires dans les muscles isol\u00e9s (1907)
\nBatelli F, Stern L Oxydation des acides malique, fumarique et citrique par les tissus animaux (1910)
\nBatelli F, Stern L L\u2019oxydation de l\u2019acide succinique comme mesure du pouvoir oxydant dans la respiration principale des tissus animaux (1910) <\/span><\/p>\n

<\/a>Cycle de Krebs <\/b><\/span><\/h4>\n

Des catalyseurs de la respiration cellulaire.<\/b> Albert Szent-Gy\u00f6rgyi von Nagyr\u00e1polt, titulaire de la chaire de Chimie m\u00e9dicale \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 de Szeged (Hongrie), utilisait la m\u00e9thode manom\u00e9trique mise au point par Warburg, pour mesurer la consommation en O2<\/sup> d\u2019un homog\u00e9nat de muscle pectoral de pigeon ; cette consommation, d\u2019abord \u00e9lev\u00e9e, diminuait avec le temps d\u2019incubation jusqu\u2019\u00e0 cesser. S\u2019inspirant des r\u00e9sultats de Torsten Thunberg, qui avait montr\u00e9 qu\u2019il existe des d\u00e9shydrog\u00e9nases convertissant le succinate en fumarate et le malate en oxaloac\u00e9tate, Szent-Gy\u00f6rgyi constata que la consommation d\u2019O2<\/sup> \u00e9tait restaur\u00e9e par l\u2019addition de quantit\u00e9s \u00ab catalytiques \u00bb d\u2019acides dicarboxyliques en C4 : succinate, fumarate, malate et oxaloac\u00e9tate. En 1925, le neurochimiste Juda H. Quastel avait montr\u00e9 que le malonate, un acide dicarboxylique en C3, est un inhibiteur de la succinate-d\u00e9shydrog\u00e9nase. Szent-Gy\u00f6rgyi observa que l\u2019addition de malonate bloque la respiration cellulaire et emp\u00eache toute restauration par addition de succinate. Il proposa, en 1935, que la s\u00e9quence des r\u00e9actions des di-carboxylates en C4 : <\/p>\n

Succinate \u2013 fumarate \u2013 malate – oxaloac\u00e9tate<\/p>\n

\u00e9tablisse un lien entre les aliments \u2013 prot\u00e9ines, glucides, lipides \u2013 donneurs d\u2019hydrog\u00e8ne et la chaine respiratoire mitochondriale. Cette s\u00e9quence de r\u00e9actions est la branche des acides dicarboxyliques<\/b> en C4 du futur cycle de Krebs :<\/p>\n

succinate -2H ➔ fumarate + H2<\/sub>O ➔ malate -2H ➔ oxaloac\u00e9tate<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Quastel JH Dehydrogenations Produced by Resting Bacteria. IV: A Theory of the Mechanisms of Oxidations and Reductions in vivo<\/i> (1926)
\nSzent-Gy\u00f6rgyi A On Oxidation, Fermentation, Vitamins, Health, and Disease<\/i> (1940)<\/p>\n

La branche des acides tricarboxyliques.<\/b> En 1937, Carl Martius et Franz Knoop \u2013 le d\u00e9couvreur de la β-oxydation des acides gras \u2013 caract\u00e9ris\u00e8rent dans le foie une d\u00e9shydrog\u00e9nase catalysant l\u2019oxydation du citrate (un acide tricarboxylique en C6) en α-c\u00e9toglutarate (un dicarboxylate en C5), avec r\u00e9duction de bleu de m\u00e9thyl\u00e8ne. La r\u00e9action mettait en jeu deux interm\u00e9diaires, le cis-aconitate et l\u2019isocitrate : <\/p>\n

citrate ➔ cis-aconitate ➔ isocitrate ➔ α-c\u00e9toglutarate<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Martius C, Knoop F Der physiologische Abbau der Citronens\u00e4ure<\/i> (1937)
\nKnoop F Der physiologische Abbau der Citronens\u00e4ure<\/i> (1937)<\/p>\n

Hans A. Krebs avait \u00e9tudi\u00e9 la respiration cellulaire dans le laboratoire de Otto Warburg (Kaiser Wilhelm Institut f\u00fcr Biologie, Berlin-Dahlem<\/i>), o\u00f9 il s\u2019initia \u00e0 la pr\u00e9paration de tranches de tissus et \u00e0 l\u2019usage de la technique manom\u00e9trique pour mesurer la consommation d\u2019O2<\/sup>. En 1932, alors qu\u2019il \u00e9tait l\u2019assistant de Siegfried Thannhauser (Freibourg im Breisgau Universit\u00e4t<\/i>), il avait d\u00e9couvert, avec son \u00e9tudiant Kurt Henseleit, le cycle de l\u2019ur\u00e9e, le premier cycle m\u00e9tabolique connu. Au cours de cette s\u00e9quence de r\u00e9actions, la d\u00e9samination oxydative des acides \u03b1-amin\u00e9s fournit deux groupes amin\u00e9s qui s\u2019unissent \u00e0 une mol\u00e9cule de CO2<\/sub> pour former une mol\u00e9cule d\u2019ur\u00e9e (\u00e9limin\u00e9e par les reins chez les animaux ur\u00e9ot\u00e9liques) : <\/p>\n

NH2<\/sub> – CO – NH2<\/sub><\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Krebs H, Henseleit K Untersuchungen \u00fcber die Harnstoffbildung im Tierk\u00f6rper<\/i> (1932)<\/p>\n

Chass\u00e9 de son poste par la politique raciale du gouvernement national-socialiste, Krebs quitta l\u2019Allemagne en 1933 et se r\u00e9fugia en Grande-Bretagne. L\u2019appui de Sir Frederick Gowland Hopkins, prix Nobel de m\u00e9decine ou physiologie 1929 et chef de file de l\u2019\u00e9cole de Cambridge, lui permit de poursuivre ses recherches sur le r\u00f4le des acides carboxyliques dans la respiration cellulaire. Hans A. Krebs (The University of Sheffield<\/i>) et son \u00e9tudiant post-doctoral William Arthur Johnson montr\u00e8rent l\u2019addition d\u2019une quantit\u00e9 catalytique de citrate restaurait l\u2019activit\u00e9 respiratoire d\u2019un broyat de muscle pectoral de pigeon. En pr\u00e9sence d\u2019un inhibiteur de la succinate d\u00e9shydrog\u00e9nase (le malonate), il y avait accumulation d\u2019\u03b1-c\u00e9toglutarate et de succinate. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Krebs HA, Johnson WA The role of citric acid in the intermediate metabolism in animal tissues<\/i> (1937)<\/p>\n

Krebs et Leonard V. Egglestone observ\u00e8rent une accumulation de citrate lorsqu\u2019on ajoute de l\u2019oxalo-ac\u00e9tate \u00e0 l\u2019homog\u00e9nat de tissus musculaire : <\/p>\n

oxalo-ac\u00e9tate (C4) ➔ citrate (C6)<\/p>\n

Krebs \u00e9mit l\u2019hypoth\u00e8se que le citrate se comporte comme un catalyseur, comme l\u2019ornithine et la citrulline (des acides amin\u00e9s non prot\u00e9iques) dans le cycle de l\u2019ur\u00e9e. En pr\u00e9sence de malonate, la production de succinate diminue en ana\u00e9robie ; cet inhibiteur emp\u00eache la conversion : <\/p>\n

succinate ➔ fumarate<\/p>\n

En a\u00e9robie, la production de succinate augmente ! L\u2019oxalo-ac\u00e9tate a \u00ab charg\u00e9 \u00bb un cha\u00eenon di-carbon\u00e9 (ac\u00e9tyl) donnant ainsi naissance \u00e0 du citrate : <\/p>\n

oxalo-ac\u00e9tate + ac\u00e9tyl CoA ➔ citrate<\/p>\n

Krebs, fort de l\u2019exp\u00e9rience acquise lors de ses travaux sur le Cycle de l\u2019ur\u00e9e, envoya en 1937\u00e0 la revue Nature<\/i> un article d\u00e9crivant la s\u00e9quence des r\u00e9actions enzymatiques du cycle qui allait porter son nom. Faisant preuve d\u2019une myopie confondante, le comit\u00e9 de lecture refusa l\u2019article ; il fut publi\u00e9 dans une revue nouvellement cr\u00e9\u00e9e, Experientia<\/i>. Harland G. Wood et Chester G. Werkman (Iowa State University<\/i>) \u00e9tudi\u00e8rent le sort de l\u2019oxalo-ac\u00e9tate dans le cycle de l\u2019acide citrique. Ils incub\u00e8rent des tranches de foie de pigeon en pr\u00e9sence de pyruvate et de bicarbonate marqu\u00e9 au 13<\/sup>C :<\/p>\n

CH3<\/sub>-CO-COO- + H13<\/sup>CO3 ➔ -OO13<\/sup>C-CH2<\/sub>-CO-COO–<\/sup><\/p>\n

Seul le groupe carboxyle de l\u2019oxalo-ac\u00e9tate adjacent au CH2 \u00e9tait marqu\u00e9 (r\u00e9action de Wood-Werkman) alors qu\u2019on aurait pu s\u2019attendre \u00e0 un marquage des deux groupes carboxyles. Ce r\u00e9sultat amena Krebs \u00e0 modifier la s\u00e9quence des r\u00e9actions du cycle ; il postula que la condensation de l\u2019oxalo-ac\u00e9tate avec une mol\u00e9cule \u00e0 2 C issue d\u2019un triose \u00e9tait un interm\u00e9diaire asym\u00e9trique en C6, le cis<\/i>-aconitate, ult\u00e9rieurement r\u00e9duit en citrate :<\/p>\n

oxalo-ac\u00e9tate ➔ cis-aconitate ➔ citrate<\/p>\n

et en repla\u00e7ant ces r\u00e9actions dans l\u2019ordre lin\u00e9aire de la s\u00e9quence :<\/p>\n

➔ citrate ➔ cis-aconitate ➔ isocitrate ➔ α-c\u00e9toglutarate ➔ succinate ➔ fumarate ➔ malate ➔ oxaloac\u00e9tate ➔<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Krebs HA, Johnson WA The role of citric acid in the intermediate metabolism in animal tissues<\/i> (1937)
\nKrebs HA, Salvin E, Johnson WA The formation of citric and \u03b1-ketoglutaric acids in the mammalian body<\/i> (1938)
\nKrebs HA, Egglestone LV The effect of insulin on oxidations in isolated muscle tissue<\/i> (1938)
\nWood HG, Werkman CH The utilization of CO2<\/sub> in the dissimilation of glycerol by the propionic acid bacteria<\/i> (1936)<\/p>\n

Krebs avait d\u2019abord appel\u00e9 la voie m\u00e9tabolique qu\u2019il avait d\u00e9couverte : \u00ab Cycle de l\u2019acide citrique \u00bb ; tenant compte des modifications apport\u00e9es \u00e0 la suite des r\u00e9sultats de Carl Martius et Franz Knoop, il la renomma : \u00ab Cycle des acides tricarboxyliques \u00bb ; en hommage \u00e0 ses d\u00e9couvreurs, cette voie est appel\u00e9e \u00ab Cycle de Krebs \u00bb ou \u00ab Cycle de Szent Gyorgyi-Krebs \u00bb. Pr\u00e9sent chez tous les organismes a\u00e9robies, tr\u00e8s conserv\u00e9 parmi les esp\u00e8ces, ce cycle occupe une place centrale dans la respiration cellulaire a\u00e9robie. Localis\u00e9 dans la matrice mitochondriale, les enzymes qui le composent catalysent l\u2019oxydation d’ac\u00e9tyl-CoA pour g\u00e9n\u00e9rer des coenzymes r\u00e9duits \u00e0 haut potentiel \u00e9nerg\u00e9tique (3 NADH, 1 FADH2<\/sup>) qui alimentent en \u00e9lectrons la cha\u00eene respiratoire et la production d’ATP. Albert Szent-Gy\u00f6rgyi et Hans Krebs re\u00e7urent le prix Nobel de m\u00e9decine ou physiologie, le premier en 1937, le second en 1953. Une petite anecdote : Otto Warburg, jugeant que Krebs \u00e9tait d\u00e9pourvu des qualit\u00e9s scientifiques requises pour faire de la recherche, lui avait refus\u00e9 son appui pour obtenir un poste permanent.<\/p>\n

J\u2019ai \u00e9voqu\u00e9 au d\u00e9but de ce sous-chapitre l\u2019hypoth\u00e8se formul\u00e9e par Albert Szent Gyorgy : la s\u00e9quence des diacides carboxyliques en C4 :<\/p>\n

succinate – fumarate – malate – oxaloac\u00e9tate<\/p>\n

\u00e9tablit un pont entre les aliments donneurs de H2<\/sub> et la cha\u00eene respiratoire mitochondriale. Comment se fait la transmission des e–<\/sup> ? <\/p>\n

H2<\/sub> ↔ 2H+<\/sup> + 2e–<\/sup><\/p>\n

Consid\u00e9rons la mani\u00e8re dont l\u2019\u00e9nergie lib\u00e9r\u00e9e par le catabolisme du glucose est r\u00e9cup\u00e9r\u00e9e ; le catabolisme se d\u00e9roule dans le cytosol des cellules et chez les bact\u00e9ries ; en a\u00e9robiose, le dernier catabolite du processus, le pyruvate (2 mol\u00e9cules par mol\u00e9cule de glucose), est d\u00e9carboxyl\u00e9 en ac\u00e9tyle. Pour entrer dans le cycle des acides tricarboxyliques, le groupe ac\u00e9tyle doit \u00eatre activ\u00e9 afin de franchir la barri\u00e8re d\u2019\u00e9nergie qui s\u2019oppose \u00e0 synth\u00e8se de citrate selon la r\u00e9action d\u00e9crite plus bas. L\u2019activation se fait par association \u00e0 la 4-phosphopanth\u00e9t\u00e9ine ; celle-ci, combin\u00e9e \u00e0 l\u2019ad\u00e9nosine 3\u2019,5\u2019 diphosphate, constitue le coenzyme A (\u00ab A \u00bb pour ac\u00e9tylation), un transporteur de groupes acyl dans plusieurs voies m\u00e9taboliques. Le CoA fut isol\u00e9 en 1945 par Nathan O. Kaplan et Fritz A. Lipmann (Massachusetts General Hospital<\/i>) \u00e0 partir de cellules de levure et sa structure \u00e9tablie par James Baddiley et coll (Lister Institute of Preventive Medicine, London<\/i>). La phosphopanth\u00e9t\u00e9ine est form\u00e9e de trois mol\u00e9cules li\u00e9es par deux liaisons de type peptidique, CO-NH : l\u2019acide hydroxy-dim\u00e9thyl-butyrique, la \u03b2-alanine, et la \u03b2-mercapto-\u00e9thylamine (cyst\u00e9amine) ; le groupe thiol libre (CoA-SH) intervient dans la liaison thioester avec l\u2019ac\u00e9tyle. La r\u00e9action de condensation de l\u2019ac\u00e9tyl et de l\u2019oxaloac\u00e9tate a \u00e9t\u00e9 d\u00e9crite, en 1951, par Severo Ochoa (Department of Pharmacology, New York University College of Medicine<\/i>) et Feodor Lynen :<\/p>\n

ac\u00e9tyl-CoA (C2) + oxalo-ac\u00e9tate (C4) ➔ citrate (C6)<\/p>\n

Le radical ac\u00e9tyle ne provient pas seulement de la d\u00e9gradation du pyruvate issu du catabolisme du glucose ; la \u03b2-oxydation des acides gras et la d\u00e9samination acides amin\u00e9s g\u00e9n\u00e8re aussi des fragments en C2 qui p\u00e9n\u00e8trent, sous forme d\u2019ac\u00e9tyl-CoA, dans le cycle de Krebs. Une partie de l\u2019\u00e9nergie lib\u00e9r\u00e9e au cours du cycle des acides tricarboxyliques est stock\u00e9e dans la liaison \u00e0 haute \u00e9nergie du guanosine triphosphate (GTP). Les e–<\/sup> \u00e0 haute \u00e9nergie qui sortent du cycle r\u00e9duisent les coenzymes NAD+<\/sup> et FAD. L\u2019oxydation d\u2019un radical ac\u00e9tyle en CO2<\/sub> produit trois mol\u00e9cules de NADH+H+<\/sup>, une mol\u00e9cule de FADH2<\/sub> et une mol\u00e9cule d\u2019ATP.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Kaplan NO, Lipmann FA The assay and distribution of coenzyme A<\/i> (1948)
\nChantrenne H, Lipmann F Coenzyme A dependence and acetyl donor function of the pyruvate-formate exchange system<\/i> (1950)
\nBeinert H, Von Korff RW, Green DE, Buyske DA, Handschumacher RE, Higgins H, Strong FM A method for purification of coenzyme A<\/i> (1952)
\nChou TC, Lipmann F Separation of acetyl transfer enzymes in pigeon liver extract<\/i> (1952)
\nChou TC, Novelli GD, Stadtman ER, Lipmann F Fractionation of coenzyme A-dependent acetyl transfer systems<\/i> (1950)
\nBaddiley J, Thain EM, Novelli GD, Lipmann F Structure of Coenzyme A<\/i> (1953)
\nStern JR, Ochoa S, Lynen F Enzymatic Synthesis of Citric Acid: V. Reaction of Acetyl Coenzyme A<\/i> (1952)<\/span><\/p>\n

<\/a>Coenzymes nucl\u00e9otidiques<\/b><\/span><\/h4>\n

Les \u00eatres vivants tirent leur \u00e9nergie d\u2019\u00e9lectrons arrach\u00e9s aux aliments au cours de r\u00e9actions cataboliques. Les \u00e9lectrons c\u00e8dent leur \u00e9nergie aux complexes de la cha\u00eene respiratoire en passant par un interm\u00e9diaire du cycle des acides tricarboxyliques (le succinate) ou par un coenzyme nucl\u00e9otidique : le diphosphopyridine nucl\u00e9otide (DPN). Il fut d\u00e9couvert en 1906 par les biochimistes Arthur Harden et William Youndin (The Lister Institute for Preventive Medicine, London<\/i>) : ils identifi\u00e8rent un \u00ab co-ferment \u00bb dans des extraits de levure. Les travaux de Hans K.A.S. von Euler-Charpin et ses \u00e9tudiants Ragnar Nilsson et Karl D.R. Myrb\u00e4ck (Stockholms Universitet<\/i>) sur la \u00ab zymase \u00bb, responsable de la fermentation glycolytique chez la levure, l\u2019amen\u00e8rent \u00e0 d\u00e9finir le r\u00f4le et la structure nucl\u00e9otidique du \u00ab phosphate de cozymase \u00bb (DPN). Rebaptis\u00e9 Nicotinamide Ad\u00e9nine Dinucl\u00e9otide (NAD) en 1961, c\u2019est un coenzyme d\u2019oxydor\u00e9ductase actif dans des voies m\u00e9taboliques comme la glycolyse ou le cycle des acides tricarboxyliques. Il a pour pr\u00e9curseur la vitamine B3 (niacine, vitamine PP). Hans von Euler-Charpin et Arthur Harden partag\u00e8rent le prix Nobel de chimie 1929. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Harden A The Alcoholic Ferment of Yeast-Juice<\/i> (1906)
\nvon Euler H, et Ragnar Nilsson R Reinigungsversuche an Co-Zymase der Hefe<\/i> (1926)
\nvon Euler H, Myrb\u00e4ck KDR Zur Kenntnis der Co-Zymase. IV. Die Konstitution des Co-Zymase<\/i> (1928)<\/p>\n

Le NAD est un accepteur ou donneur d\u2019\u00e9lectrons selon la r\u00e9action :<\/p>\n

NAD+<\/sup> + H2<\/sub> ↔ NADH + H+<\/sup><\/p>\n

ou, en faisant appara\u00eetre le transfert d\u2019\u00e9lectrons :<\/p>\n

NAD+<\/sup> + 2H+<\/sup> + 2e–<\/sup> ↔ NADH + H+<\/sup><\/p>\n

Lorsque la r\u00e9duction du NAD+<\/sup> se d\u00e9roule dans la matrice mitochondriale, le NADH est oxyd\u00e9 par le complexe I de la cha\u00eene des transporteurs d\u2019\u00e9lectrons ; lorsqu\u2019elle a lieu dans le cytosol, le NADH produit ne peut pas d\u00e9livrer ses \u00e9lectrons directement \u00e0 l\u2019accepteur mitochondrial, la membrane interne des mitochondries \u00e9tant imperm\u00e9able au NADH. Pour franchir cette membrane, les \u00e9lectrons empruntent des transporteurs appel\u00e9s \u00ab navettes \u00bb. Elles sont au nombre de deux : la navette du glyc\u00e9rol phosphate et la navette malate-aspartate. Dans le premier cas, du glyc\u00e9rol 3-phosphate transportant les \u00e9lectrons du NADH est g\u00e9n\u00e9r\u00e9 par la glyc\u00e9rol phosphate d\u00e9shydrog\u00e9nase cytosolique (il existe une glyc\u00e9rol phosphate d\u00e9shydrog\u00e9nase mitochondriale dont le coenzyme est le FAD) ; les \u00e9quivalents r\u00e9ducteurs du NADH cytosolique sont d\u00e9livr\u00e9s au FAD, avec r\u00e9duction en FADH2<\/sub> qui les d\u00e9livrent \u00e0 la cha\u00eene respiratoire de la membrane mitochondriale interne. Dans le deuxi\u00e8me cas, la conversion d\u2019oxalo-ac\u00e9tate en malate par la malate d\u00e9shydrog\u00e9nase cytosolique s\u2019accompagne du chargement des \u00e9lectrons du NADH sur le malate. Celui-ci franchit la membrane interne. Il est reconverti en oxaloac\u00e9tate par la malate d\u00e9shydrog\u00e9nase de la matrice mitochondriale, en d\u00e9livrant les \u00e9lectrons au NAD mitochondrial.<\/p>\n

En 1932, Otto H. Warburg et Walter Christian (Kaiser Wilhelm-Institut f\u00fcr Zellphysiologie<\/i>, Berlin) isol\u00e8rent \u00e0 partir de globules rouges de mammif\u00e8res un enzyme catalysant l\u2019oxydation d\u2019un sucre-phosphate ; ils le baptis\u00e8rent : ferment jaune (das gelbe Ferment<\/i>). Cet enzyme \u00e9tait form\u00e9 d\u2019une prot\u00e9ine et d\u2019un pigment jaune, qui fut caract\u00e9ris\u00e9 comme \u00e9tant la riboflavine 5\u2019-phosphate (flavine mononucl\u00e9otide ou FMN). La couleur jaune des flavoprot\u00e9ines est d\u00fbe \u00e0 l\u2019absorption de la lumi\u00e8re visible par le noyau flavine. La pr\u00e9sence de FMN fut d\u00e9tect\u00e9e dans un complexe de la cha\u00eene respiratoire, appel\u00e9 \u00ab complexe I \u00bb ; il accepte deux \u00e9lectrons fournis par le NADH et les donne \u00e0 l\u2019ubiquinone par l\u2019interm\u00e9diaire d\u2019une prot\u00e9ine \u00e0 Fe-S. Un autre coenzyme, apparent\u00e9 au FMN, fut identifi\u00e9 : la flavine ad\u00e9nine dinucl\u00e9otide (FAD) form\u00e9 par l\u2019association de FMN et d\u2019acide ad\u00e9nylique. Ce coenzyme est produit sous sa forme r\u00e9duite, la FADH2<\/sub>, au cours de deux voies m\u00e9taboliques : le cycle des acides tricarboxyliques et la β-oxydation des acides gras. Au niveau du complexe II de la cha\u00eene respiratoire, le FADH2<\/sub> transf\u00e8re \u00e0 l\u2019ubiquinone deux \u00e9lectrons fournis par le succinate. Le FAD accepte ou donne des \u00e9lectrons selon la r\u00e9action :<\/p>\n

FAD + H2<\/sub> ↔ FADH2<\/sub><\/p>\n

ou, en faisant appara\u00eetre le transfert d\u2019\u00e9lectrons :<\/p>\n

FAD + 2H+<\/sup> + 2e–<\/sup> ↔ FADH2<\/sub><\/p>\n

Dans la r\u00e9alit\u00e9, il n\u2019y a pas de transfert direct d\u2019\u00e9lectrons d\u2019un coenzyme \u00e0 un accepteur mais \u00ab don \u00bb d\u2019un anion hydrure H\u2013<\/sup>, form\u00e9 d\u2019un proton et de deux \u00e9lectrons :<\/p>\n

H–<\/sup> ➔ H+<\/sup> + 2e–<\/sup><\/p>\n

Otto Warburg a re\u00e7u le prix Nobel de physiologie ou m\u00e9decine 1931.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Warburg O, Christian W \u00dcber ein neues Oxydationsferment und sein Absorptionsspektrum<\/i> (1932)<\/p>\n

<\/a>Cytochromes<\/b><\/span><\/h4>\n

\u00ab La science est sujette \u00e0 faire de grands sots. \u00bb<\/i><\/p>\n

Moli\u00e8re<\/i><\/i><\/p>\n

Le m\u00e9decin Charles A. McMunn \u00e9tudiait au spectroscope le spectre d\u2019absorption de pr\u00e9parations de muscles. Mis au point en Allemagne, cet appareil optique \u00e9tait utilis\u00e9 par les astronomes pour analyser la composition chimique des corps c\u00e9lestes dans le spectre de la lumi\u00e8re visible. Ernst F.I. Hoppe Seyler (Humbolt Universit\u00e4t zu Berlin<\/i>) l\u2019utilisa pour suivre les changements de spectre d\u2019absorption de l\u2019h\u00e9moglobine en pr\u00e9sence d\u2019oxyde de carbone. En 1884, McMunn observa dans les muscles d\u2019insectes un spectre \u00e0 quatre bandes d\u2019absorption rappelant celui de l\u2019h\u00e9moglobine mais en diff\u00e9rant dans trois r\u00e9gions. Il en conclut qu\u2019il avait d\u00e9couvert un nouveau pigment, qu\u2019il baptisa \u00ab myoh\u00e9matine \u00bb. La poursuite de ses travaux conduisit \u00e0 deux importants r\u00e9sultats : (i) le pigment \u00e9tait ubiquitaire : le spectre d\u00e9couvert dans les muscles d\u2019insectes \u00e9tait pr\u00e9sent dans les tissus de toutes les esp\u00e8ces \u00e9tudi\u00e9es ; le terme \u00ab myoh\u00e9matine \u00bb \u00e9tant trop restrictif, McMunn rebaptisa le nouveau pigment : \u00ab histoh\u00e9matine \u00bb. (ii) Le spectre d\u2019absorption du pigment changeait lorsque le tissu passait d\u2019a\u00e9robiose en ana\u00e9robiose. Il \u00e9mit l\u2019hypoth\u00e8se que les histoh\u00e9matines jouent un r\u00f4le dans la respiration cellulaire. Ces r\u00e9sultats, publi\u00e9s en 1886, auraient d\u00fb \u00e9veiller l\u2019int\u00e9r\u00eat des scientifiques, en particulier d\u2019Hoppe-Seyler, pionnier de l\u2019\u00e9tude de l\u2019h\u00e9moglobine ; c\u2019est exactement le contraire qui se produisit. Directeur du D\u00e9partement de biochimie \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 de Strasbourg, o\u00f9 il instaura la Chimie physiologique comme discipline acad\u00e9mique, fondateur et r\u00e9dacteur en chef du premier journal de biochimie (Zeitschrift f\u00fcr Physiologische Chemie<\/i>), Hoppe-Seyler d\u00e9clara, sans avoir effectu\u00e9 la moindre v\u00e9rification exp\u00e9rimentale, que les pigments de McMunn n\u2019\u00e9taient que de l\u2019h\u00e9moglobine d\u00e9grad\u00e9e ! En 1886, lors de la publication de ses r\u00e9sultats sur les histoh\u00e9matines, McMunn avait 34 ans et Hoppe Seyler, 61. Plut\u00f4t que de reconna\u00eetre qu\u2019il \u00e9tait pass\u00e9 \u00e0 c\u00f4t\u00e9 d\u2019une d\u00e9couverte capitale, le mandarin pr\u00e9f\u00e9ra prononcer une condamnation qui enterra pendant quatre d\u00e9cennies la d\u00e9couverte des cytochromes ! <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : McMunn CA Research on Myohematin and the Histohematins<\/i> (1886)
\nMcMunn CA Further Observations on Myohematin and the Histohematins<\/i> (1886)<\/p>\n

En 1925, l\u2019entomologiste et parasitologiste David Keilin (The Molteno Institute, University of Cambridge<\/i>) examinait au micro-spectroscope les muscles thoraciques d\u2019un parasite du cheval (Gasterophilus intestinalis<\/i>). Il observa un spectre \u00e0 quatre bandes, diff\u00e9rent de celui de l\u2019h\u00e9moglobine. Ce spectre \u00e9tait observable chez d\u2019autres parasites – Calliphora erythrocephala, Galleria mellonella<\/i> – et chez la levure. De plus, lorsque la culture de levures \u00e9tait agit\u00e9e, le spectre d\u2019absorption apparaissait et disparaissait. Keilin arriva \u00e0 la conclusion que les bandes d\u2019absorption a<\/i> (604 nanom\u00e8tres), b<\/i> (564 nm), c (550 nm) et d<\/i> (521 nm) appartenaient \u00e0 trois haemo chromog\u00e8nes diff\u00e9rents, qu\u2019il appela \u00ab cytochromes \u00bb a<\/i>, b<\/i> et c<\/i>. C\u2019est en \u00e9pluchant la litt\u00e9rature scientifique pour la publication de ses r\u00e9sultats que Keilin r\u00e9alisa que les cytochromes avaient \u00e9t\u00e9 d\u00e9couverts quarante ans plus t\u00f4t par McMunn, sous le nom d’histo h\u00e9matines. Reprenant \u00e0 son compte l\u2019hypoth\u00e8se de McMunn sur la fonction respiratoire des pigments, Keilin \u00e9mit l\u2019hypoth\u00e8se que les cytochromes \u00e9taient des compos\u00e9s h\u00e9matiniques servant de catalyseur redox ; au cours de la respiration cellulaire, ils \u00e9taient r\u00e9duits par des d\u00e9shydrog\u00e9nases et oxyd\u00e9s par un enzyme dont le site actif contient du cuivre. Notons en passant que, devant les r\u00e9sultats de Keilin, Otto Warburg fit preuve du m\u00eame manque de clairvoyance que Hoppe Seyler vis \u00e0 vis de ceux de McMunn, en arguant que les cytochromes \u00e9taient des ferments d\u00e9g\u00e9n\u00e9r\u00e9s ne jouant aucun r\u00f4le physiologique !<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Keilin D On Cytochrome, a Respiratory Pigment Common to Animals, Yeasts and Higher Plants<\/i> (1925)
\nKeilin D, Hartree F Effect of Drying upon the Absorption Spectra of Hemoglobin and its Derivatives<\/i> (1952)
\nKeilin D Nature of the Haem-Binding Groups in native and denatured Hemoglobin and Myoglobin<\/i> (1960) <\/p>\n

Malcom Dixon (The Biochemical Laboratory, Cambridge<\/i>) proposa de nommer \u00ab cytochrome oxydase \u00bb l\u2019enzyme d\u00e9couvert par Otto H. Warburg (Kaiser-Wilhelm Institut f\u00fcr Biologie, Berlin Dahlem<\/i>). David Keilin et Edward F. Hartree isol\u00e8rent le cytochrome c \u00e0 partir de c\u0153ur de b\u0153uf et montr\u00e8rent qu\u2019il est un donneur d\u2019\u00e9lectrons dans la cha\u00eene respiratoire ; l\u2019oxydase terminale de la respiration fut renomm\u00e9e : \u00ab cytochrome c oxydase \u00bb. Le Groupe de Rockefeller, George H. Hogeboom, Albert Claude, Walter C. Schneider et Rollin D. Hotchkiss (Laboratories of The Rockefeller Institute for Medical Research<\/i>) montr\u00e8rent que le cytochrome c et les enzymes de la respiration cellulaire – cytochrome c oxydase, succinate d\u00e9shydrog\u00e9nase – s\u00e9dimentent dans la fraction mitochondriale. De 1948 \u00e0 1950, Albert L. Lehninger et son graduate student<\/i> Eugene P. Kennedy \u00e9tablirent que la cha\u00eene des transporteurs d\u2019\u00e9lectrons, le cycle de Krebs, les oxydations phosphorylantes et la β-oxydation des acides gras sont localis\u00e9s dans les mitochondries. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Dixon M Oxidation mechanisms in animal tissues<\/i> (1929)
\nKeilin D, Hartree EF Purification and properties of cytochrome c<\/i> (1945)
\nHogeboom GH, Claude A, Hotchkiss RD The distribution of cytochrome oxidase and succinoxidase in the cytoplasm of the mammalian liver cell<\/i> (1946)
\nSchneider WC, Claude A Hogeboom GH The distribution of cytochrome c and succinoxidase activity in rat liver fractions<\/i> (1948)
\nKennedy EP, Lehninger AL Oxidation of fatty acids and tricarboxylic acid intermediates by isolated rat liver mitochondria<\/i> (1949)<\/p>\n

Un lien entre respiration cellulaire et production de compos\u00e9s phosphoryl\u00e9s riches en \u00e9nergie fut \u00e9tabli par Vladimir A. Engelhardt (Universit\u00e9 de Kazan) : alors qu\u2019il mesurait la consommation d\u2019oxyg\u00e8ne chez les globules rouges nucl\u00e9\u00e9s d\u2019oiseaux, il nota que l\u2019addition au milieu r\u00e9actionnel de cyanure \u2013 un inhibiteur de la respiration cellulaire \u2013 provoque une accumulation de phosphate ; cette observation resta largement ignor\u00e9e de la communaut\u00e9 scientifique. Engelhardt et Militza Lyubimova d\u00e9couvrirent que la myosine, une prot\u00e9ine pr\u00e9sente dans les muscles, catalyse l\u2019hydrolyse d\u2019ATP en ADP et Pi en pr\u00e9sence d\u2019O2<\/sub>. Vladimir Aleksandrovich Belitser (Palladin Institute of Biochemistry, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv<\/i>) \u00e9tudia l\u2019influence du couple cr\u00e9atine\/cr\u00e9atine-phosphate sur l\u2019activit\u00e9 respiratoire de fibres musculaires. Rappelons que la cr\u00e9atine est une petite mol\u00e9cule dont la structure s\u2019apparente \u00e0 celle des acides amin\u00e9s (elle en d\u00e9rive) ; elle est pr\u00e9sente dans le cerveau et les muscles sous forme libre ou phosphoryl\u00e9e. Des muscles de batraciens, dont la glycolyse est bloqu\u00e9e par addition d\u2019un inhibiteur (iodoac\u00e9tate), continuent \u00e0 se contracter en consommant de la cr\u00e9atine phosphate. Lors d\u2019un effort violent ou prolong\u00e9, les muscles stri\u00e9s \u00e9puisent leur r\u00e9serve d\u2019ATP ; ils puisent alors dans leurs r\u00e9serves en esters phosphoryl\u00e9s – parmi lesquels la cr\u00e9atine phosphate – pour restaurer leur stock d\u2019ATP. La r\u00e9action est catalys\u00e9e par une kinase qui transf\u00e8re le groupe phosphate de la cr\u00e9atine phosphate sur de l\u2019ADP pour former de l\u2019ATP. La cr\u00e9atine est phosphoryl\u00e9e en cr\u00e9atine phosphate par une autre kinase. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Engelhardt WA, Lyubimova MN Myosin and adenosine triphosphatase<\/i> (1939)<\/p>\n

<\/a>La \u03b2-oxydation des acides gras<\/b><\/span><\/h4>\n

La \u00ab respiration cellulaire \u00bb est l\u2019ensemble des processus m\u00e9taboliques permettant \u00e0 un \u00eatre vivant de tirer des nutriments qu\u2019il ingurgite l\u2019\u00e9nergie n\u00e9cessaire \u00e0 ses besoins vitaux. Dans ce contexte, les acides gras stock\u00e9s dans le tissu adipeux repr\u00e9sentent une importante source d\u2019\u00e9nergie. A titre de comparaison, l\u2019\u00e9nergie libre d\u2019oxydation d\u2019un acide amin\u00e9 (acide glutamique) est de 478 kilocalories par mol\u00e9cule-gramme ; elle est de 686 pour un sucre (glucose) et de 2.338 pour un acide gras (acide palmitique). Une voie catabolique situ\u00e9e dans la matrice mitochondriale permet l\u2019oxydation des acides gras avec lib\u00e9ration de cette \u00e9nergie : c\u2019est la \u00ab β-oxydation \u00bb (par r\u00e9f\u00e9rence au Cβ de la cha\u00eene aliphatique) d\u00e9couverte en 1904 par le biochimiste Georg Franz Knoop (Albert Ludwig Universit\u00e4t Freiburg<\/i>). Il donna \u00e0 des chiens une alimentation contenant des acides gras satur\u00e9s dont la cha\u00eene aliphatique comportait un nombre pair ou impair d\u2019atomes de carbone. Le dernier carbone de la cha\u00eene \u2013 le Cω \u2013 portait un r\u00e9sidu aromatique \u2013 un groupe ph\u00e9nyl. La r\u00e9activit\u00e9 de cette \u00ab \u00e9tiquette \u00bb permit \u00e0 Knoop d\u2019identifier les produits de d\u00e9gradation dans l\u2019urine des animaux ; pour les acides ω-ph\u00e9nylval\u00e9rique et ω-ph\u00e9nylbutyrique les produits cataboliques \u00e9taient :<\/p>\n

acide ω-ph\u00e9nyl val\u00e9rique (C4) ➔ acide benzo\u00efque + glycine<\/p>\n

acide ω-ph\u00e9nyl butyrique (C3) ➔ acide ph\u00e9nylac\u00e9tique + glycine<\/p>\n

Knoop en tira la conclusion que la d\u00e9gradation m\u00e9tabolique des acides gras se fait par enl\u00e8vements successifs d\u2019une paire de C \u00e0 partir de l\u2019extr\u00e9mit\u00e9 carboxy-terminale.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Knoop F Der Abbau aromatischer Fetts\u00e4uren im Tierk\u00f6rper<\/i> (1904)<\/p>\n

Chez les \u00eatres vivants, la plupart des acides gras ont un nombre pair d\u2019atomes de carbone : acides laurique (C12), myristique (C14), palmitique (C16)\u2026 Ils sont synth\u00e9tis\u00e9s et catabolis\u00e9s par addition ou \u00e9lagage de compos\u00e9s en C2. La confirmation exp\u00e9rimentale de cette hypoth\u00e8se buta pendant des d\u00e9cennies sur la difficult\u00e9 \u00e0 obtenir un syst\u00e8me acellulaire fonctionnel d\u2019oxydation les acides gras. En 1943, Luis F. Leloir et Juan M. Munoz (Fundacion Instituto Campomar, Buenos Aires<\/i>) mirent au point un tel syst\u00e8me \u00e0 partir d\u2019un homog\u00e9nat de foie de rat. Ils observ\u00e8rent le ph\u00e9nom\u00e8ne d\u2019oxydation in vitro et not\u00e8rent qu\u2019il \u00e9tait labile et disparaissait rapidement. Albert Lehninger (Department of Biochemistry, University of Chicago<\/i>) montra qu\u2019on pouvait le stabiliser en pr\u00e9sence d\u2019ATP ; il en tira la conclusion que pour \u00eatre oxyd\u00e9s les acides gras doivent pr\u00e9alablement \u00eatre \u00ab activ\u00e9s \u00bb.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Leloir LF, Munoz JM Fatty Acid Oxidation in Liver<\/i> (1943)<\/p>\n

En 1950, Feodor Lynen (Max Planck f\u00fcr Zellchemie, M\u00fcnchen Universit\u00e4t<\/i>) et E. Reichart d\u00e9montr\u00e8rent que l\u2019activateur des acides gras est le coenzyme A, qui poss\u00e8de un groupe thiol (CoA-SH). Les acides gras sont activ\u00e9s dans le cytosol selon un m\u00e9canisme en deux \u00e9tapes dont l\u2019\u00e9quation globale est :<\/p>\n

acide gras + ATP + CoA-SH ➔ acyl CoA + AMP + PPi<\/p>\n

L\u2019acide gras activ\u00e9 se lie \u00e0 la carnitine d\u2019un transporteur de la membrane mitochondriale interne, la carnitine acyltransf\u00e9rase ; il est ainsi transf\u00e9r\u00e9 dans la matrice mitochondriale o\u00f9 se d\u00e9roule la d\u00e9gradation des acides gras. Lynen a d\u00e9montr\u00e9 que cette d\u00e9gradation se d\u00e9roule via un cycle de quatre r\u00e9actions r\u00e9currentes : d\u00e9shydrog\u00e9nation, hydratation, d\u00e9shydrog\u00e9nation, et thiolyse, et identifi\u00e9 les interm\u00e9diaires et les enzymes impliqu\u00e9s. Les trois principales acyl-CoA d\u00e9shydrog\u00e9nases \u2013 d\u00e9shydrog\u00e9nases \u00e0 cha\u00eene courte (Short-chain acyl-CoA dehydrogenase<\/i>), moyenne (Medium-chain acyl-CoA dehydrogenase<\/i>) ou longue (Long-chain acyl-CoA dehydrogenase<\/i>) \u2013 furent purifi\u00e9es et caract\u00e9ris\u00e9es \u00e0 partir de mitochondries de foie de rat par Yoshiaki Ikeda dans le laboratoire de Keiichiro Tanaka (Department of Human Genetics, Yale University School of Medicine, New Haven<\/i>). Le complexe enzymatique bi-fonctionnel \u00e9noyl-coenzyme A hydratase : 3-hydroxyacyl-coenzyme A d\u00e9shydrog\u00e9nase a \u00e9t\u00e9 purifi\u00e9 par Song-Yu Yang (Department of Pharmacology, New York State Institute for Basic Research in Developmental Disabilities, Staten Island<\/i>) \u00e0 partir de mitochondries de c\u0153ur de b\u0153uf.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Lynen F, Reichart E \u00dcber die Aktivierung der Essigs\u00e4ure und der h\u00f6heren Fetts\u00e4uren im Fettstoffwechsel<\/i> (1950)
\nLynen F, Ochoa S Enzymes of fatty acid metabolism<\/i> (1953)
\nIkeda, Y, Okamura-Ikeda K, Tanaka K Purification and characterization of short-chain, medium-chain, and long-chain acyl-CoA dehydrogenases from rat liver mitochondria. Isolation of the holo- and apoenzymes and conversion of the apoenzyme to the holoenzyme<\/i> (1985)
\nYang SY The large subunit of the pig heart mitochondrial membrane-bound beta-oxidation complex is a long-chain enoyl-CoA hydratase: 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase bifunctional enzyme<\/i> (1994)<\/p>\n

En l\u2019honneur de leur d\u00e9couvreur, on a donn\u00e9 aux r\u00e9actions de la β-oxydation des acides gras l\u2019appellation d\u2019\u00ab H\u00e9lice de Lynen \u00bb, une allusion au fait qu\u2019une mol\u00e9cule entrant dans cette voie m\u00e9tabolique subit une suite de quatre r\u00e9actions \u00e0 la suite desquelles on revient, non pas \u00e0 la mol\u00e9cule initiale comme dans un cycle, mais \u00e0 une mol\u00e9cule raccourcie de deux unit\u00e9s C ; en effet, \u00e0 chaque tour d’h\u00e9lice, les acides gras \u00e0 longue cha\u00eene sont d\u00e9coup\u00e9s en mol\u00e9cules \u00e0 deux carbones d’ac\u00e9tyl-CoA avec production d\u2019une mol\u00e9cule de NADH et une mol\u00e9cule de FADH2<\/SUB>. Pour donner un exemple, une mol\u00e9cule d\u2019acide st\u00e9arique (C18) est d\u00e9grad\u00e9e en huit tours de cycle en 9 mol\u00e9cules d\u2019ac\u00e9tyl-CoA, avec production de 8 FADH2<\/SUB> et 8 NADH, H+<\/SUP>. Les mol\u00e9cules d’ac\u00e9tyl-CoA seront oxyd\u00e9es dans le Cycle de Krebs de la matrice mitochondriale. Les coenzymes r\u00e9duits, NADH, H+<\/SUP> et FADH2<\/SUB>, produits dans la matrice mitochondriale par l\u2019H\u00e9lice de Lynen et le Cycle de Krebs c\u00e8deront leurs \u00e9lectrons \u00e0 la cha\u00eene respiratoire de la membrane mitochondriale interne. La d\u00e9gradation d\u2019une mol\u00e9cule d\u2019acide gras en C18 produit 147 mol\u00e9cules d’ATP, d\u00e9duction faite des \u00ab frais de transport \u00bb de l\u2019acide gras du cytosol dans la matrice mitochondriale. Lynen a re\u00e7u le prix Nobel de physiologie ou m\u00e9decine 1964. En 1948 et 1949, Lehninger et Eugene Kennedy montr\u00e8rent que la β-oxydation des acides gras se d\u00e9roule dans les mitochondries. L\u2019H\u00e9lice de Lynen, comme le Cycle de Krebs, sont localis\u00e9s dans la matrice mitochondriale.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Lynen F, Reichart E \u00dcber die Aktivierung der Essigs\u00e4ure und der h\u00f6heren Fetts\u00e4uren im Fettstoffwechsel<\/i> (1950)
\nLynen F, Ochoa S Enzymes of fatty acid metabolism<\/i> (1953)
\nKennedy EP, Lehninger AL Oxidation of fatty acids and tricarboxylic acid intermediates by isolated rat liver mitochondria<\/i> (1949)<\/p>\n

Membranes associ\u00e9es aux mitochondries<\/b><\/span><\/h3>\n

L\u2019existence de zones de contact entre mitochondries et reticulum endoplasmique a \u00e9t\u00e9 rapport\u00e9e en 1952 par Wilhelm Bernhard (Institut de Recherches Scientifiques sur le Cancer, Villejuif). En 1971, James D. Morr\u00e9 (Department of Botany and Plant Pathology, Purdue University, Lafayette, Indiana<\/i>) observa l\u2019existence de connections tubulaires, d\u2019un diam\u00e8tre de 15 \u00e0 30 nm, entre le reticulum endoplasmique lisse et la membrane mitochondriale externe des cellules animales (h\u00e9patocytes de rat) et v\u00e9g\u00e9tales (tige d\u2019oignon). Des zones de contacts similaires furent d\u00e9crites chez les champignons par Bracker et Grove, dans le laboratoire de James Morr\u00e9. Jean E. Vance (Department of Medicine University of Alberta, Edmonton<\/i>) confirma l\u2019existence de ces zones de contact en apportant une premi\u00e8re indication sur leur r\u00f4le : il d\u00e9tecta une synth\u00e8se de phospholipides – phosphatidyl-s\u00e9rine, phosphatidyl-\u00e9thanolamine, phosphatidyl-choline – dans une pr\u00e9paration de mitochondries de foie de rat. La synth\u00e8se des phospholipides se d\u00e9roule dans le reticulum endoplasmique, o\u00f9 se d\u00e9roulent les synth\u00e8ses de phosphatidylcholine \u2013 par la phosphatidyl\u00e9thanolamine N-m\u00e9thyltransf\u00e9rase \u2013 et de phosphatidyls\u00e9rine \u2013 par les phosphatidyls\u00e9rine synthases 1 et 2. Vance eut la surprise de constater qu\u2019une fraction mitochondriale port\u00e9e \u00e0 un degr\u00e9 de purification plus \u00e9lev\u00e9 avait perdu la capacit\u00e9 de synth\u00e9tiser des phospholipides. Il en conclut que la diff\u00e9rence entre les deux fractions mitochondriales s\u2019expliquait par l\u2019existence d\u2019une \u00ab fraction X \u00bb membranaire associ\u00e9e \u00e0 la fraction mitochondriale brute.<\/p>\n

Note : A deux reprises, j\u2019ai entendu mentionner l\u2019existence de zones de contact entre mitochondries et reticulum endoplasmique sans y pr\u00eater l\u2019attention que cela m\u00e9ritait. La premi\u00e8re fois, c\u2019\u00e9tait \u00e0 la fin des ann\u00e9es 1960 \u00e0 l\u2019issue d\u2019un expos\u00e9 \u00e0 l\u2019Institut de Recherches Scientifiques sur le Cancer, \u00e0 Villejuif, o\u00f9 Wilhelm Bernhard dirigeait un laboratoire de microscopie \u00e9lectronique dont la r\u00e9putation internationale attirait de nombreux chercheurs. Mon expos\u00e9 portait sur les travaux effectu\u00e9s avec le Groupe de Louvain sur la caract\u00e9risation des diff\u00e9rents types de membranes microsomiales, dont la principale est le reticulum endoplasmique. La seconde fois, c\u2019\u00e9tait lors de la visite faite par James D. Morr\u00e9 \u00e0 l\u2019Institut de Pathologie Cellulaire et Mol\u00e9culaire, \u00e0 Bruxelles.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Bernhard W, Haguenau F, Gautier A, Oberling C La structure submicroscopique des \u00e9l\u00e9ments basophiles cytoplasmiques dans le foie, le pancr\u00e9as et les glandes salivaires – \u00c9tude de coupes ultrafines au microscope \u00e9lectronique (1952)
\nVance JE Phospholipid synthesis in a membrane fraction associated with mitochondria<\/i> (1990)
\nMorr\u00e9 DJ, Merritt WD, Lembi CA. Connections between mitochondria and endoplasmic reticulum in rat liver and onion stem<\/i> (1971)
\nBracker CE, Grove SN Continuity between cytoplasmic endomembranes and outer mitochondrial membranes in fungi<\/i> (1971)<\/p>\n

La r\u00e9alit\u00e9 de l\u2019existence de Membranes du reticulum endoplasmique associ\u00e9es aux mitochondries (Mitochondria-Associated Endoplasmic Reticulum Membranes<\/i>) a d\u00e9finitivement \u00e9t\u00e9 \u00e9tablie, principalement sur la base de deux types de r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux : (i) l\u2019identification par la prot\u00e9omique d\u2019un certain nombres de prot\u00e9ines constitutives (Mfn2, VDAC, Grp75, PACS2) qui assurent le maintien de la stabilit\u00e9 de ces plateformes et participent \u00e0 leur fonction ; (ii) l\u2019observation directe de ces sites de contact par microscopie \u00e9lectronique \u00e0 super-r\u00e9solution (\u00e0 l\u2019\u00e9chelle nanom\u00e9trique). Selon leur origines, ces connexions ont \u00e9t\u00e9 nomm\u00e9es diff\u00e9remment : Mitochondria Associated Membranes, MAMs, Mitochondria-ER Contacts<\/i>, MERCs, chez les mammif\u00e8res, ER-Mitochondria Encounter Structures<\/i>, ERMES, chez la levure. Structurellement, ce sont des points de contact o\u00f9 la membrane mitochondriale externe et la membrane du r\u00e9ticulum endoplasmique sont juxtapos\u00e9es – pas fusionn\u00e9es – \u00e0 une distance de 10 \u00e0 50 nm l\u2019une de l\u2019autre. Fonctionnellement, ce sont des sous-domaines sp\u00e9cifiques o\u00f9 deux organites diff\u00e9rents, mitochondries et r\u00e9ticulum endoplasmique, interagissent l\u2019un avec l\u2019autre et coop\u00e8rent m\u00e9taboliquement.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Li Approaches toward super-resolution fluorescence imaging of mitochondrial proteins using PALM<\/i> (2010)
\nChen R, Tang X, Zhao Y, Shen Z, Zhang M, Shen Y, Li T, Ho Yin Chung C, Zhang L, Wang J, Cui B, Fei P, Guo Y, Du S, Yao S Single-frame deep-learning super-resolution microscopy for intracellular dynamics imaging<\/i> (2023)<\/p>\n

Les MAMs sont des zones de contact dynamiques, de nature prot\u00e9ique, entre le reticulum endoplasmique et les mitochondries ; elles occupent environ 20% de la surface de l\u2019enveloppe mitochondriale. Ce sont des zones o\u00f9 s\u2019accomplissent des transferts entre organites d\u2019ions Ca++<\/sup>, de lipides, de m\u00e9tabolites et de mol\u00e9cules de signalisation. Ce sont \u00e9galement des zones qui participent activement \u00e0 l\u2019hom\u00e9ostasie du Ca++<\/sup> et des lipides. Je vais, dans ce sous-chapitre, me limiter \u00e0 la description des transferts de Ca++<\/sup> et de lipides. Par rapport aux organites les plus volumineux de la cellule \u2013 noyau, mitochondries, chloroplastes, reticulum endoplasmique \u2013 les MAMs sont des composants mineurs ; leur purification, par les techniques classiques de fractionnement par centrifugation diff\u00e9rentielle ou en gradient de densit\u00e9 est probl\u00e9matiques. Cela explique en partie qu\u2019en mobilisant les ressources de la prot\u00e9omique pour \u00e9tablir leur composition, on a identifi\u00e9 un grand nombre de prot\u00e9ines \u2013 un millier ? \u2013 dont la moiti\u00e9 seulement venait des mitochondries ou du r\u00e9ticulum endoplasmique. Il semble que la composition en prot\u00e9ines des MAMs varie en fonction des organes, de l\u2019\u00e9tat nutritionnel ou de stress cellulaire. Un tri rigoureux des donn\u00e9es a permis d\u2019identifier un certain nombre de prot\u00e9ines de liaison qui, en \u00e9tablissant des interactions directes, ou en formant des complexes, assurent la stabilit\u00e9 de ces zones de contact. Je vais en donner un bref aper\u00e7u.<\/p>\n

Les mitochondries ne sont pas des organites statiques ; leur activit\u00e9 m\u00e9tabolique s\u2019accompagne d\u2019associations transitoires en structures ramifi\u00e9es. En relation avec ces ph\u00e9nom\u00e8nes de fusions et de scissions, Yuka Eura, Naotada Ishihara et coll. (Department of Molecular Biology, Graduate School of Medical Science, Kyushu University, Fukuoka<\/i>) ont caract\u00e9ris\u00e9, chez le rat, deux prot\u00e9ines isoformes : les mitofusines Mfn1 et Mfn2. Ces deux prot\u00e9ines pr\u00e9sentent des analogies de s\u00e9quence avec la GTPase transmembranaire Fzo (FuZzi Onion<\/i>) impliqu\u00e9e, chez la Drosophile, dans la fusion des mitochondries entre elles. L\u2019observation par immuno-microscopie \u00e9lectronique d\u2019un mutant de Mfn2 a r\u00e9v\u00e9l\u00e9 que cette prot\u00e9ine se concentre aux points de contact entre mitochondries sur le point de fusionner. Mfn1induit la formation de structures tubulaires en r\u00e9seau. Les r\u00e9sultats d\u2019exp\u00e9riences compl\u00e9mentaires ont \u00e9tabli que, dans les cellules de mammif\u00e8res, les deux mitofusines coop\u00e8rent dans la fusion des mitochondries. Ishihara, Eura et coll. ont compar\u00e9, par microscopie \u00e0 fluorescence, l\u2019importance de l\u2019ancrage (tethering<\/i>) d\u00e9pendant du GTP chez des mitochondries exprimant soit Mfn1 soit Mfn2. Pour diff\u00e9rencier les deux types de prot\u00e9ines, les auteurs ont marqu\u00e9 les mitofusines avec des prot\u00e9ines fluorescentes vertes ou rouges. Ils sont arriv\u00e9s \u00e0 la conclusion qu\u2019elles ont des r\u00f4les diff\u00e9rents et que seul Mfn1, en pr\u00e9sence de GTP, est responsable de l\u2019ancrage (tethering<\/i>) mitochondries-reticulum. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Eura Y, Ishihara N, Yokota S, Mihara K Two mitofusin proteins, mammalian homologues of fzo, with distinct functions are both required for mitochondrial fusion<\/i> (2003)
\nIshihara N, Eura Y, Mihara K Mitofusin 1 and 2 play distinct roles in mitochondrial fusionreactions via GTPase activity<\/i> (2004)<\/p>\n

Les mitofusines appartiennent \u00e0 la famille des \u00ab dynamin-related GTPases<\/i> \u00bb. Pour rappel, les dynamines \u2013 il en existe une vari\u00e9t\u00e9 – sont des GTPases pouvant s\u2019auto-assembler en h\u00e9lices ; elles jouent un r\u00f4le essentiel dans le transport v\u00e9siculaire entre organites ou dans l\u2019endocytose. Les mitofusines sont des prot\u00e9ines int\u00e9grales de la membrane mitochondriale externe (Mfn1) ou de la membrane du reticulum endoplasmique (Mfn2). Si le r\u00f4le de Mfn1 a \u00e9t\u00e9 rapidement \u00e9tabli, celui de Mfn2 – attache (tether<\/i>) ou espaceur (spacer<\/i>) ? – fut plus laborieux \u00e0 d\u00e9finir. Olga Martins de Brito et Luca Scorano (Dulbecco-Telethon Institute, Venetian Institute of Molecular Medicine, Padova<\/i>) ont montr\u00e9: (i) que Mfn2 est concentr\u00e9 \u00e0 l\u2019interface entre mitochondries et reticulum endoplasmique ; (ii) que chez les fibroblastes d\u2019embryon de souris ou dans les cellules HeLa, l\u2019absence de Mfn2 provoque une dislocation du reticulum endoplasmique et des plateformes de contact avec les mitochondries, ce qui a pour effet de diminuer le transfert d\u2019ions Ca++<\/sup> dans les mitochondries. Sur la base des r\u00e9sultats d\u2019exp\u00e9riences biochimiques et g\u00e9n\u00e9tiques in vitro, Brito et Scorano ont propos\u00e9 un mod\u00e8le dans lequel la Mfn2 du reticulum participe \u00e0 l\u2019ancrage des mitochondries en formant des interactions homotypiques Mfn2 – Mfn2 ou h\u00e9t\u00e9rotypiques Mfn2 \u2013 Mfn1. Cependant, la question du r\u00f4le de Mfn2 a encore \u00e9t\u00e9 d\u00e9battue. Nuno Santos Leal et coll. (Center for Alzheimer Research, Department of Neurobiology, Karolinska Institutet, Stockholm<\/i>) ont montr\u00e9 que le \u00ab silen\u00e7age \u00bb du g\u00e8ne de Mfn2 par un petit ARN interf\u00e9rent (siRNA knockdown<\/i>) augmente le nombre de points de contact entre mitochondries et reticulum endoplasmique ainsi que la longueur des zones de contact, avec augmentation du transfert de Ca++<\/sup> dans les mitochondries. Domenico Cieri et coll. (Department of Biology, University of Padova<\/i>) ont montr\u00e9 que l\u2019inhibition de Mfn2 influe sur la structure des MAMs : la proportion de MAMs \u00ab \u00e9troites \u00bb augmente et celle de MAMs \u00ab larges \u00bb diminue.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : de Brito OM, Scorrano L Mitofusin 2 tethers endoplasmic reticulum to mitochondria<\/i> (2008)
\nLeal NS, Schreiner B, Pinho CM, Filadi R, Wiehager B, Karlstr\u00f6m H, Pizzo P, Ankarcrona M Mitofusin-2 knockdown increases ER\u2013mitochondria contact and decreases amyloid \u03b2-peptide production<\/i> (2016)
\nCieri D, Vicario M, Giacomello M, Vallese F, Filadi R, Wagner T, Pozzan T, Pizzo P, Scorrano L, Brini M, Cali T SPLICS: a split green fluorescent protein-based contact site sensor for narrow and wide heterotypic organelle juxtaposition<\/i> (2017)
\nCosson P, Marchetti A, Ravazzola M, Orci L Mitofusin-2 Independent Juxtaposition of Endoplasmic Reticulum and Mitochondria: An Ultrastructural Study<\/i> (2012)
\nAinbinder A, Boncompagni S, Protasi F, Dirksen RT Role of Mitofusin-2 in mitochondrial localization and calcium uptake in skeletal muscle<\/i> (2015)
\nFiladi R, Greotti E, Turacchio G, Luini A, Pozzan T, Pizzo P. Mitofusin 2 ablation increases endoplasmic reticulum-mitochondria coupling<\/i> (2015)<\/p>\n

Note : De nombreuses publications sont consacr\u00e9es aux mitofusines, en particulier dans le cadre de leur implications dans un certain nombre de pathologies. Dans le cadre d\u2019un sous-chapitre consacr\u00e9 aux Membranes associ\u00e9es aux mitochondries, je me limiterai au texte ci-dessus.<\/p>\n

L\u2019adh\u00e9sion cellulaire au sein d\u2019un tissu est assur\u00e9e par un certain nombre de jonctions ; les prot\u00e9ines de la famille des cadh\u00e9rines en sont des constituants essentiels. Il s\u2019agit de glycoprot\u00e9ines membranaires Ca++<\/sup>-d\u00e9pendantes (d\u2019o\u00f9 leur nom), de grande taille (120 – 140 kDa), localis\u00e9es dans la membrane plasmique. Leur extr\u00e9mit\u00e9 carboxy-terminale entre en interaction avec le cytosquelette d\u2019actine par l\u2019interm\u00e9diaire des cat\u00e9nines. Cette association est r\u00e9gul\u00e9e par la phosphorylation de r\u00e9sidus tyrosine. Janne Balsamo et coll. (Department of Biological Sciences, Wayne State University, Detroit<\/i>) ont clon\u00e9 une phosphatase de prot\u00e9ine-tyrosine (Protein Tyrosine Phosphatase<\/i>) nomm\u00e9e PTP1B, associ\u00e9e au domaine cytoplasmique des cadh\u00e9rines, et qui r\u00e9gule le r\u00f4le des N-cadh\u00e9rines dans l\u2019adh\u00e9sion cellulaire.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Balsamo J, Arregui C, Leung T, Lilien J The nonreceptor protein tyrosine phosphatase PTP1B binds to the cytoplasmic domain of N-cadherin and regulates the cadherin-actin linkage<\/i> (1998)
\nXu G, Arregui C, Lilien J, Balsamo J PTP1B modulates the association of beta-catenin with N-cadherin through binding to an adjacent and partially overlapping target site<\/i> (2002)<\/p>\n

Les phosphatases de prot\u00e9ines-tyrosine sont, avec les prot\u00e9ines kinases, des acteurs importants de la signalisation cellulaire et de la r\u00e9gulation des fonctions m\u00e9taboliques. Elles sont principalement localis\u00e9es dans le cytosol, le noyau ou la membrane plasmique. En 1999, St\u00f6ger et coll. ont montr\u00e9 que PTP1B, un nouveau membre de la famille des phosphatases de prot\u00e9ine-tyrosine, est localis\u00e9e dans les mitochondries, ce qui sugg\u00e8re que cette phosphatase joue un r\u00f4le dans un m\u00e9canisme de r\u00e9gulation des fonctions mitochondriales par signalisation tyrosine. En utilisant le syst\u00e8me de double hybride bas\u00e9 sur l\u2019emploi du facteur de transcription LexA, Porsche A. Allensbach, doctorant \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 de Constance, a mis en \u00e9vidence l\u2019interaction in vitro<\/i> entre une prot\u00e9ine transmembranaire et les phosphatases de prot\u00e9ine-tyrosine PTP1B et TcPTP (T-cell protein tyrosine phosphatase<\/i>). Cette prot\u00e9ine transmembranaire, de la famille des prot\u00e9ines RMDN (Regulator of Microtubule DyNamics<\/i>), fut nomm\u00e9e PTPIP51 (Protein Tyrosine Phosphatase-Interacting Protein 51<\/i>).<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : St\u00f6ger C, O\u2019Connor V, Miller CC, Ackerley S, Lau KF, Miller JB Human and mouse PTPB (protein tyrosine phosphatase-like protein) 51 is a novel mitochondrial protein tyrosine phosphatase<\/i> (1999)
\nPorsche A. Allensbach Identifikation von Interaktion-spartnern der T-Zell Protein-Tyrosin-Phosphatase durch das Lex-A Two Hybrid System thesis<\/i> (2001)<\/p>\n

Albrecht Stenzinger et coll. (Institute of Anatomy and Cell Biology, Justus-Liebig-University Giessen<\/i>) ont men\u00e9 une vaste \u00e9tude sur la distribution de PTPIP51 (ARNm et prot\u00e9ine) dans les organes du cobaye, du rat, de la souris, du porc et de l\u2019homme. Leurs r\u00e9sultats sugg\u00e8rent que PTPIP51 est impliqu\u00e9e dans les m\u00e9canismes de r\u00e9gulation de la diff\u00e9rentiation, du mouvement des cellules, ou de l\u2019organisation du cytosquelette. Sa localisation dans les mitochondries des cellules d\u2019origine humaine HEK293T et HeLa fut \u00e9tablie par Bingfeng Lv et coll. (Laboratory of Medical Immunology, School of Basic Medical Science, Peking University Health Science Center<\/i>), au cours de l\u2019\u00e9tude qu\u2019ils menaient sur le m\u00e9canisme de l\u2019apoptose, dans lequel les mitochondries jouent un r\u00f4le central. Ils montr\u00e8rent que PTPIP51 est une prot\u00e9ine transmembranaire et que son adressage dans les mitochondries est dirig\u00e9 par un signal situ\u00e9 \u00e0 proximit\u00e9 de son extr\u00e9mit\u00e9 N-terminale. PTPIP51 \u2013 en particulier son domaine N-terminal – pourrait \u00eatre impliqu\u00e9e dans la voie de l\u2019apoptose m\u00e9di\u00e9e par le cytochrome c mitochondrial. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Stenzinger A, Kajosch T, Tag C, Porsche A, Welte I, Hofer HW, Steger K, Wimmer M The novel protein PTPIP51 exhibits tissue- and cell-specific expression<\/i> (2005)
\nLv BF, Yu CF, Chen YY, Lu Y, Guo JH, Song QS, Ma DL, Shi TP, Wang L Protein tyrosine phosphatase interacting protein 51 (PTPIP51) is a novel mitochondria protein with an N-terminal mitochondrial targeting sequence and induces apoptosis<\/i> (2006)<\/p>\n

Les prot\u00e9ines de la famille VAP (Vesicle-Associated membrane Proteins<\/i>) sont des prot\u00e9ines homologues pr\u00e9sentes chez l\u2019homme, la drosophile et Cenorhabditis elegans<\/i>. C\u2019est par leur interaction avec la synaptobr\u00e9vine membranaire des v\u00e9sicules synaptiques, qu\u2019elles ont \u00e9t\u00e9 identifi\u00e9es, d\u2019o\u00f9 les appellations : Synaptobrevine\/VAP Vesicle-Associated Membrane Protein<\/i> ou VAMP-Associated Protein<\/i>. Elles poss\u00e8dent un domaine transmembranaire – ins\u00e9r\u00e9 dans la membrane du reticulum endoplasmique pour VABP – et un domaine amino-terminal MSP (Major Sperm Protein<\/i>) ; ce motif est analogue aux structures en sandwich des immunoglobulines – deux feuillets β antiparall\u00e8les. Les prot\u00e9ines VAP interagissent par leur domaine N-terminal avec lesmicrotubules et interviennent dans la motilit\u00e9, le transport membranaire, la signalisation extracellulaire et diff\u00e9rentes interactions prot\u00e9ine-prot\u00e9ine. Leur \u00e9tude ne suscitait qu\u2019un int\u00e9r\u00eat mod\u00e9r\u00e9 jusqu\u2019au jour o\u00f9 Agnes L. Nishimura et coll. (Human Genome Research Center, Department of Biology, Biosciences Institute, S\u00e3o Paulo University<\/i>) et d\u2019autres groupes ont d\u00e9montr\u00e9 l\u2019implication de l\u2019une d\u2019entre elle, VABPB (Vesicle-Associated membrane Protein associated protein B<\/i>), dans les maladies affectant les neurones moteurs qui transmettent aux muscles les signaux venant du cortex c\u00e9r\u00e9bral. L\u2019une des mieux connues et des plus anciennement \u00e9tudi\u00e9es de ces pathologies est la maladie d\u00e9crite en 1869 par Jean-Martin Charcot (H\u00f4pital de la Salp\u00eatri\u00e8re, Paris) : la scl\u00e9rose lat\u00e9rale amyotrophique.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Nishimura AL, Mitne-Neto M, Silva HCA, Richieri-Costa A, Middlleton S, Dulio C, Kok F, Oliveira JRM, Gillingwater T, Webb, J, Skehel P, Zatz M A mutation in the vesicle-trafficking protein VAPB causes late-onset spinal muscular atrophy and amyotrophic lateral sclerosis<\/i> (2004)
\nBlair K, Martinez-Serra R, Gosset P, Mart\u00edn-Guerrero SM, M\u00f3rotz GM, Atherton J, Mitchell JC, Markovinovic A, Miller CCJ Structural and functional studies of the VAPB-PTPIP51 ER-mitochondria tethering proteins in neurodegenerative diseases<\/i> (2025)<\/p>\n

Aux sites de contact MAM (Mitochondria-Associated Membranes<\/i>), la prot\u00e9ine PTPIP51 (Protein Tyrosine Phosphatase Interacting Protein 51<\/i>), de la membrane mitochondriale externe, et la prot\u00e9ine VAPB (Vesicle-Associated Membrane Protein B<\/i>), de la membrane du reticulum endoplasmique, interagissent pour former un complexe d\u2019attache (tether<\/i>) entre ces deux membranes ; cette attache est aussi un \u00e9l\u00e9ment de la stabilit\u00e9 des MAM. La formation du complexe d’attache se fait par interaction directe et sp\u00e9cifique entre deux domaines des prot\u00e9ines impliqu\u00e9es : le domaine MSP de VAPB lie directement le motif cytosolique FFAT-like<\/i> de PTPIP51, riche en ph\u00e9nylalanine et en tyrosine. Le domaine coiled-coil<\/i> de PTPIP51 participerait aussi \u00e0 l\u2019interaction. La communication entre les deux organites est \u00e9tablie quand la distance s\u00e9parant les deux membranes est de l\u2019ordre de 10 \u00e0 80 nm. Kurt J. De Vos et coll. (Department of Neuroscience, MRC Centre for Neurodegeneration Research, Institute of Psychiatry, King\u2019s College London<\/i>) ont d\u00e9montr\u00e9 l\u2019importance de l\u2019interaction PTPIP51 \u2013 VABP dans l\u2019hom\u00e9ostasie du Ca++<\/sup>.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : De Vos K, M\u00f3rotz GM, Stoica R, Tudor EL VAPB interacts with the mitochondrial protein PTPIP51 to regulate calcium homeostasis<\/i> (2011)
\nDe Vos K, M\u00f3rotz GM, Stoica R, Tudor EL, Lau KF, Ackerley S, Warley A, Shaw CE, Miller CCJ VAPB interacts with the mitochondrial protein PTPIP51 to regulate calcium homeostasis<\/i> (2012)<\/p>\n

Je vais d\u00e9crire un autre complexe prot\u00e9ique de contact dans le sous-chapitre consacr\u00e9 \u00e0 l\u2019hom\u00e9ostasie du calcium.<\/p>\n

Hom\u00e9ostasie du calcium<\/b><\/span><\/h3>\n

Le r\u00e9ticulum endoplasmique est l\u2019organite central du m\u00e9tabolisme du Ca++<\/sup> et de son hom\u00e9ostasie cellulaire ; il est le site de stockage de ce cation essentiel. La concentration en Ca++<\/sup> du cytosol est de l\u2019ordre de la nanomole ; il atteint un niveau voisin de la micromole dans le lumen du reticulum. Le Ca++<\/sup> est un facteur essentiel de la signalisation cellulaire ; il entre et sort continuellement du reticulum ; sa concentration active dans le lumen ou le sarcoplasme est assur\u00e9e par les ATPases Ca++<\/sup> (Sarcoplasmic\/Endoplasmic Reticulum Ca2+-ATPase<\/i>, SERCA). Ces pompes transmembranaires ont \u00e9t\u00e9 d\u00e9couvertes dans le laboratoire de Fritz A. Lipmann (Rockefeller Institute, New York<\/i>). Les SERCA maintiennent la concentration cytosolique au niveau nanomolaire. Dans le lumen, le Ca++<\/sup> est li\u00e9 coop\u00e9rativement \u00e0 la cals\u00e9questrine, une prot\u00e9ine d\u00e9couverte, isol\u00e9e et purifi\u00e9e par David H. MacLennan et Peter R. Wong (Banting and Best Department of Medical Research, University of Toronto<\/i>). Cette prot\u00e9ine acide, dot\u00e9e de \u00ab mains EF (EF hand) \u00bb, peut capturer jusqu\u2019\u00e0 50 Ca++<\/sup> par mol\u00e9cule. Le motif EF consiste en deux h\u00e9lices α reli\u00e9es par une boucle d\u2019une douzaine d\u2019acides amin\u00e9s ; chaque main peut ch\u00e9later un ion Ca++<\/sup>.<\/p>\n

Note : Fritz A. Lipmann, le d\u00e9couvreur du coenzyme A, a partag\u00e9 avec Hans A. Krebs le prix Nobel de physiologie ou m\u00e9decine 1953.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Ebashi S, Lipmann F Adenosine-Triphosphate-linked Concentration of Calcium Ions in a Particulate Fraction of Rabbit Muscle<\/i> (1962)
\nHasselbach W ATP-driven active transport of calcium in the membranes of the sarcoplasmic reticulum<\/i> (1964)
\nMacLennan DH, Wong PRS Isolation of an Acidic Protein from Rabbit Skeletal Muscle Sarcoplasmic Reticulum Which Binds Calcium and Is Released by High Salt Concentration<\/i> (1971)<\/p>\n

Lorsque le besoin de Ca++<\/sup> dans le cytosol se fait sentir, le stock accumul\u00e9 dans le lumen est lib\u00e9r\u00e9 par des canaux ioniques transmembranaires du reticulum endoplasmique. Katsuhiko Mikoshiba et son \u00e9quipe (Laboratory of Cell Calcium Signaling, Shanghai Institute for Advanced Immunochemical Studies<\/i>) ont identifi\u00e9 ces canaux en montrant que la prot\u00e9ine P400, pr\u00e9sente dans le cervelet, est en r\u00e9alit\u00e9 le r\u00e9cepteur de l’Inositol-1,4,5-triphosphate ; on en a identifi\u00e9 trois types : IP3R1, IP3R2, IP3R3. Leur activit\u00e9 est r\u00e9gul\u00e9e par l\u2019inositol triphosphate, un messager intracellulaire, pr\u00e9sent dans le cytosol ; c\u2019est le produit d’hydrolyse, par la phospholipase C, d\u2019un phospholipide de la membrane plasmique des cellules eucaryotes, le phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate. Le r\u00e9cepteur \u00e0 IP3 a \u00e9t\u00e9 purifi\u00e9 \u00e0 partir de cerveaux de rats par Solomon Snyder et son \u00e9quipe (Department of Neuroscience, Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore<\/i>). Gregory A. Mignery et coll. (Howard Hughes Medical Institute, University of Texas Southwestern Medical Center, Dallas<\/i>) ont d\u00e9montr\u00e9 la similarit\u00e9 de structure entre le r\u00e9cepteur de l\u2019IP3 et le r\u00e9cepteur de la ryanodine \u2013 un alcalo\u00efde d\u2019origine v\u00e9g\u00e9tale \u2013 du reticulum sarcoplasmique des fibres musculaires. Dans le cytosol, les ions Ca++<\/sup> sont pris en charge par la calmoduline (Calcium-modulated Protein<\/i>, CaM). Cette prot\u00e9ine de petite taille (148 r\u00e9sidus d\u2019acides amin\u00e9s) a \u00e9t\u00e9 d\u00e9couverte par Wai Yiu Cheung au cours d\u2019une \u00e9tude sur la phosphodiest\u00e9rase de l’AMP 3′,5′ cyclique dans le cerveau de b\u0153uf et le venin de serpent ; cet enzyme ne fonctionne qu’en pr\u00e9sence d\u2019un activateur. Shiro Kakiuchi et son \u00e9quipe arriv\u00e8rent \u00e0 la m\u00eame conclusion et \u00e0 la d\u00e9pendance de la phosphodiest\u00e9rase au Ca++<\/sup>. Wai Yiu Cheung proposa de nommer l\u2019activateur de la phosphodiest\u00e9rase : calmodulin<\/i> (CALcium MODULated proteIN). En changeant de conformation apr\u00e8s ch\u00e9lation d\u2019un atome de Ca++<\/sup> par l\u2019une de ses quatre mains EF, la calmoduline se comporte comme un senseur du Ca++<\/sup> intra-cellulaire. Le complexe Ca++<\/sup>– calmoduline r\u00e9gule l\u2019activit\u00e9 de kinases s\u00e9rine-thr\u00e9onine-d\u00e9pendantes, les prot\u00e9ines kinases Ca++<\/sup>\/calmoduline d\u00e9pendantes qui interviennent dans la contraction musculaire et la lib\u00e9ration de neurotransmetteurs par le syst\u00e8me nerveux. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Furuichi T, Yoshikawa S, Miyawaki A, Wada K, Maeda N, Mikoshiba K Primary structure and functional expression of the inositol 1,4,5-trisphosphate-binding protein P400 <\/i> (1989)
\nSupattapone S, Worley PF, Baraban J M, Snyder SH Solubilization, purification, and characterization of an inositol trisphosphate receptor<\/i> (1988)
\nMignery GA, S\u00fcdhof TC, Takei K, De Camilli P Putative receptor for inositol 1,4,5-trisphosphate similar to ryanodine receptor<\/i> (1989)
\nCheung WY Cyclic 3′,5′-nucleotide phosphodiesterase. Demonstration of an activator<\/i> (1970)
\nKakiuchi S, Yamazaki R Calcium dependent phosphodiesterase activity and its activating factor (PAF) from brain studies on cyclic 3′,5′-nucleotide phosphodiesterase<\/i> (1970)<\/p>\n

Article de revue : Stokes DL, Wagenknecht T Calcium transport across the sarcoplasmic reticulum: structure and function of Ca2+-ATPase and the ryanodine receptor<\/i> (2000)<\/p>\n

Les besoins en Ca++<\/sup> de la mitochondrie sont constants. Pour les satisfaire, le Ca++<\/sup> stock\u00e9 dans le lumen du r\u00e9ticulum endoplasmique est import\u00e9 dans les mitochondries au niveau de la zone de contact des MAMs. Ce transfert se fait par une s\u00e9rie de canaux faisant partie d\u2019un complexe macromol\u00e9culaire : le premier canal est le r\u00e9cepteur de l\u2019inositol triphosphate ins\u00e9r\u00e9 dans la membrane du r\u00e9ticulum ; son ouverture est command\u00e9e par la liaison du ligand, l’inositol triphosphate cytosolique ; au niveau des MAMs, le domaine du r\u00e9cepteur qui \u00e9merge dans le cytosol lie une chaperonne cytosolique : la GRP75 (Glucose-Regulated Protein 75<\/i>) qui, elle-m\u00eame, se lie \u00e0 un canal ins\u00e9r\u00e9 dans la membrane mitochondriale externe : le canal VDAC (Voltage-Dependent Anion Channel<\/i>). Le pont mol\u00e9culaire \u00e9tabli par la GRP75 permet au Ca++<\/sup>, qui a travers\u00e9 successivement les deux canaux du complexe VDAC-GRP75-IP3R, de p\u00e9n\u00e9trer dans l’espace inter-membranaire mitochondrial. Pour franchir la membrane mitochondriale interne et parvenir dans la matrice mitochondriale \u2013 o\u00f9 se d\u00e9roulent le cycle de Krebs et la synth\u00e8se d\u2019ATP – le Ca++<\/sup> traverse un troisi\u00e8me canal transmembranaire : le complexe de l’Uniporteur de calcium mitochondrial (Mitochondrial Calcium Uniporter<\/i>) ; le potentiel n\u00e9gatif de la membrane mitochondriale interne favorise le transfert \u00e9lectrophor\u00e9tique du Ca++<\/sup>. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : De Stefani D, Patron M, Rizzuto R Structure and function of the Mitochondrial Calcium Uniporter complex<\/i> (2015)<\/p>\n

Hom\u00e9ostasie des lipides<\/b><\/span><\/h3>\n

En 1952, Arthur Kornberg et W.E. Pricer junior (Department of Microbiology, Washington University, Saint Louis<\/i>) montr\u00e8rent que des enzymes pr\u00e9sents dans des fractions subcellulaires de foie catalysent, in vitro<\/i>, l\u2019incorporation de phosphocholine marqu\u00e9e au 32<\/sup>P, en pr\u00e9sence d\u2019ATP, dans un lipide, qu\u2019ils identifi\u00e8rent ult\u00e9rieurement \u00e0 la l\u00e9cithine. Ils propos\u00e8rent la r\u00e9action suivante :<\/p>\n

Phosphatidic acid + [32<\/sup>P] phosphocholine ➔ [32<\/sup>P] phosphatidylcholine + Pi<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Kornberg A, Pricer W E Jr Enzymatic Synthesis of Phosphorus-Containing Lipides<\/i> (1952)<\/p>\n

Eugene P. Kennedy (Department of Biochemistry, University of Chicago<\/i>) s\u2019\u00e9tait fix\u00e9 pour but d\u2019\u00e9lucider le m\u00e9canisme de formation de la liaison phosphodiester de la l\u00e9cithine (phosphatidylcholine).. Dans le laboratoire d\u2019Albert Lehninger (Department of Biochemistry, University of Chicago<\/i>), Kennedy, encore \u00e9tudiant, avait eu l\u2019occasion de pr\u00e9parer des mitochondries par centrifugation dans le saccharose 0,88M, la m\u00e9thode mise au point par George Palade au Rockefeller Institute<\/i>. Il adopta une approche biochimique in vitro<\/i> en utilisant une fraction subcellulaire de foie de rat – dont le composant principal \u00e9tait des mitochondries – et le double marquage au 32<\/sup>P et au 14<\/sup>C pour suivre le sort de la choline dans les produits de r\u00e9action. Il d\u00e9couvrit que la 14<\/sup>C-choline \u2013 mais pas la 32<\/sup>P-phosphocholine – \u00e9tait incorpor\u00e9e dans une fraction lipidique qu\u2019il identifia \u00e0 la l\u00e9cithine (phosphatidylcholine) ; l\u2019incorporation \u00e9tait stimul\u00e9e par l\u2019addition de coenzyme A et d\u2019AMP, que les phosphorylations oxydatives mitochondriales transformaient en ATP. Dans des exp\u00e9riences ult\u00e9rieures, il identifia et isola les enzymes impliqu\u00e9s dans l\u2019incorporation de la choline dans la l\u00e9cithine : la choline kinase et la CTP: phosphocholine cytidylyltransf\u00e9rase.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Kennedy EP The Synthesis of Lecithin in Isolated Mitochondria<\/i> (1953)<\/p>\n

En 1954, Clark Bublitz et Eugene Kennedy identifi\u00e8rent, dans une fraction mitochondriale de foie de rat, l\u2019enzyme qui catalyse la phosphorylation du glyc\u00e9rol – la r\u00e9action initiale de la biosynth\u00e8se de la l\u00e9cithine :<\/p>\n

Glyc\u00e9rol kinase + Mg2+<\/sup>
\nGlyc\u00e9rol + ATP ➔ L-\u03b1-Glyc\u00e9rophosphate + ADP<\/p>\n

Le glyc\u00e9rol-3-phosphate provient du glyc\u00e9rol ou de la dihydroxyac\u00e9tone phosphate ; son est\u00e9rification par un premier acide gras conduit \u00e0 l\u2019acide lysophosphatidique, puis par un second acide gras, \u00e0 l’acide phosphatidique, le pr\u00e9curseur commun des triglyc\u00e9rides et des glyc\u00e9rophospholipides. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Bublitz C, Kennedy EP Synthesis of phosphatides in isolated mitochondria. III. The enzymatic phosphorylation of glycerol<\/i> (1954)<\/p>\n

Les r\u00e9sultats de Kennedy et ceux de Kornberg & Pricer divergeaient sur un point important : la possibilit\u00e9 ou pas d\u2019incorporer de la phosphocholine dans un lipide. Avant de comparer les conditions exp\u00e9rimentales utilis\u00e9es par les deux groupes Samuel B. Weiss, un \u00e9tudiant post-doctoral, commen\u00e7a par v\u00e9rifier que le syst\u00e8me d\u2019incubation in vitro<\/i> utilis\u00e9 par Kennedy g\u00e9n\u00e9rait bien de l\u2019ATP \u00e0 partir d\u2019AMP. Le fait que ce nucl\u00e9otide est le produit des phosphorylation oxydatives ne faisait que renforcer Kennedy dans sa conviction que la biosynth\u00e8se des phospholipides se d\u00e9roule dans les mitochondries. Le Groupe de Louvain a d\u00e9montr\u00e9 que les mitochondries, si elles sont le composant principal des fractions mitochondriales pr\u00e9par\u00e9es par centrifugation, elles ne sont pas le seul. Reprenant les conditions exp\u00e9rimentales de Kornberg & Pricer, Weiss rempla\u00e7a l\u2019ATP produit in vitro<\/i> par une pr\u00e9paration commerciale ; il eut la surprise de constater qu\u2019il pouvait alors reproduire leur r\u00e9sultat : la phosphocholine \u00e9tait incorpor\u00e9e dans un la l\u00e9cithine \u00e0 la condition d\u2019ajouter des quantit\u00e9s importantes d\u2019ATP. Par contre, avec une pr\u00e9paration cristallis\u00e9e d\u2019ATP, il n\u2019y avait pas d\u2019incorporation. Une conclusion s\u2019imposait : le facteurs stimulant l\u2019incorporation n\u2019\u00e9tait pas l\u2019ATP mais un contaminant ; plut\u00f4t que d\u2019essayer de l\u2019identifier au prix d\u2019une laborieuse purification, Weiss et Kennedy essay\u00e8rent d\u2019autres nucl\u00e9otides : le contaminant actif \u00e9tait la cytidine triphosphate. Ils \u00e9mirent l\u2019hypoth\u00e8se que la cytidine diphosphocholine est un interm\u00e9diaire \u00e0 haute \u00e9nergie de la synth\u00e8se des lipides. Pour le prouver, ils isol\u00e8rent et caract\u00e9ris\u00e8rent la CDP-choline et la CDP-\u00e9thanolamine \u00e0 partir de foie de rat et de levure. Apr\u00e8s marquage au 14<\/sup>C, ils montr\u00e8rent qu\u2019elles sont les pr\u00e9curseurs activ\u00e9s de la phosphorylcholine et de la phosphoryl\u00e9thanolamine dans la synth\u00e8se de la l\u00e9cithine et de la phosphatidyl\u00e9thanolamine, les phospholipides membranaires les plus abondants chez les mammif\u00e8res. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Kennedy EP, Weiss SB The function of cytidine coenzymes in the biosynthesis of phospholipides<\/i> (1956)<\/p>\n

Avant les travaux de Kennedy, le processus exact par lequel les acides gras, le glyc\u00e9rol et les bases azot\u00e9es (comme la choline) \u00e9taient assembl\u00e9s pour former des phospholipides restait un myst\u00e8re. Dans un article publi\u00e9 en 1956, Kennedy a propos\u00e9 une s\u00e9quence des r\u00e9actions enzymatiques de la synth\u00e8se de phosphatidylcholine et de phosphatidyl\u00e9thanolamine. En hommage \u00e0 leur d\u00e9couvreur, on les appelle \u00ab Voie de Kennedy pour la synth\u00e8se des phospholipides \u00bb (Kennedy Pathway for phospholipid biosynthesis<\/i>) ou voie CDP-choline\/CDP-\u00e9thanolamine. Le tableau suivant en donne un r\u00e9sum\u00e9 :<\/p>\n

\n
\n

Choline kinase
\ncholine + ATP ➔ phosphocholine + ADP<\/p>\n

CDP-choline synthase
\nphosphocholine + CTP ➔ CDP-choline + PPi<\/p>\n

CTP: phosphocholine cytidyltransf\u00e9rase
\nCDP-choline + diacylglyc\u00e9rol ➔ phosphatidylcholine + CMP<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

Voie de Kennedy. La CTP: phosphocholine cytidyl transferase
\nest l\u2019enzyme r\u00e9gulateur de l\u2019\u00e9tape limitante de la synth\u00e8se de
\nla phosphatidylcholine<\/p>\n

La synth\u00e8se de la phosphatidyl\u00e9thanolamine se d\u00e9roule selon un m\u00e9canisme similaire, en trois \u00e9tapes, catalys\u00e9es par l\u2019\u00e9thanolamine kinase, la CTP : \u00e9thanolamine-phospho cytidyl transf\u00e9rase et l\u2019\u00e9thanolamine-phosphotransf\u00e9rase. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Kennedy EP The Biological Synthesis of Pospholipids<\/i> (1956)<\/p>\n

Reticulum endoplasmique et mitochondries des h\u00e9patocytes sont les deux organites au centre de l\u2019hom\u00e9ostasie lipidique. L\u2019essentiel des lipides de la cellule – triglyc\u00e9rides, phospholipides, st\u00e9ro\u00efdes – sont synth\u00e9tis\u00e9s par des enzymes situ\u00e9s sur la face cytosolique du domaine lisse du reticulum endoplasmique ; il est le seul organite dans lequel s\u2019effectue la synth\u00e8se de la phosphatidylcholine, des sphingolipides et du cholest\u00e9rol. Les mitochondries ne synth\u00e9tisent que certains lipides, comme la cardiolipine et les st\u00e9ro\u00efdes. Le renouvellement constant de leurs phospholipides membranaires, particuli\u00e8rement de ceux de la membrane interne o\u00f9 se d\u00e9roule la synth\u00e8se d\u2019ATP, est une n\u00e9cessit\u00e9 pour le maintien de leur int\u00e9grit\u00e9 fonctionnelle ; il d\u00e9pend d\u2019un transfert constant de phospholipides \u00e0 partir du reticulum endoplasmique. Les Membranes du reticulum endoplasmique associ\u00e9es aux mitochondries (MAMs) sont le site de ces \u00e9changes. Les complexes PTPIP51-VAPB exercent une double fonction : (i) ils servent d\u2019attaches (tethers<\/i>) pour maintenir les deux membranes \u00e0 proximit\u00e9 l\u2019une de l\u2019autre ; (ii) ils captent et transf\u00e8rent des phospholipides parmi lesquels l’acide phosphatidique, un pr\u00e9curseur dans la synth\u00e8se de la cardiolipine de la membrane mitochondriale interne. Dans les cellules d\u00e9ficientes en PTPIP51, on observe des teneurs r\u00e9duites en cardiolipine mitochondriale. <\/p>\n

D\u2019autres prot\u00e9ines contribuent \u00e0 la diffusion passive des phospholipides vers les mitochondries : les Prot\u00e9ines de transfert lipidique (Lipid Transfer Proteins<\/i>) sont des tunnels hydrophobes entre les membranes du reticulum et des mitochondries. Ce sont de longues prot\u00e9ines, en forme de tiges, dot\u00e9es d\u2019un canal hydrophobe interne (Rainure Hydrophobe) dans lequel s’ins\u00e8rent les queues hydrophobes des acides gras des phospholipides, tandis que les t\u00eate polaires sont stabilis\u00e9es. Les lipides, ainsi pr\u00e9serv\u00e9s du contact avec la phase aqueuse, coulissent d’une membrane \u00e0 l’autre en empruntant le tunnel. Un certain nombre de ces les Prot\u00e9ines de transfert lipidique ont \u00e9t\u00e9 caract\u00e9ris\u00e9es : les Multiple Co-enzyme A binding proteins<\/i>, les prot\u00e9ines interagissant avec la choline (dites \u00e0 domaine choline) : la prot\u00e9ine Vps13 de Saccharomyces cerevisiae<\/i> et la prot\u00e9ine d\u2019autophagie Atg2. Toutes sont de longues mol\u00e9cules \u00e9tablissant des ponts entre les membranes de deux organites et s\u2019associant pour former un canal hydrophobe. Chez la levure, le transfert de l’acide phosphatidique est assur\u00e9 par les prot\u00e9ines – Mmm1, Mdm10, Mdm12, Mdm34 – du complexe ERMES (ER-Mitochondria Encounter Structure<\/i>).<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Engel C, Wieringa R The diverse world of coenzyme A binding proteins<\/i> (1996)
\nUgur B, Hancock-Cerutti W, Leonzino M, De Camilli P Role of VPS13, a protein with similarity to ATG2, in physiology and disease<\/i> (2020)
\nDziurdzik SK, Conibear E The Vps13 Family of Lipid Transporters and Its Role at Membrane Contact Sites<\/i> (2021)<\/p>\n

<\/a>ATP et respiration cellulaire<\/b><\/span><\/h4>\n

Dans les ann\u00e9es 1930 et 1940, la mise en \u00e9vidence du lien entre respiration cellulaire et production d\u2019\u00e9nergie – sous forme d\u2019ATP \u2013 fut une avanc\u00e9e majeure. J\u2019en rappelle bri\u00e8vement les \u00e9tapes : en 1929, H. Karl A.H. Lohmann, assistant du biochimiste Otto F. Meyerhof (Kaiser Wilhelm Institute f\u00fcr Biologie, Berlin-Dahlem<\/i>, prix Nobel de physiologie ou m\u00e9decine 1922), d\u00e9couvrit l\u2019ad\u00e9nosine triphosphate (ATP). Il crut d\u2019abord que ce nucl\u00e9otide \u00e9tait sp\u00e9cifique des muscles ; des \u00e9tudes ult\u00e9rieures montr\u00e8rent que cette mol\u00e9cule \u00e9tait pr\u00e9sente dans toutes les cellules et qu\u2019elle intervenait dans pratiquement tous les processus cellulaires n\u00e9cessitant un apport d\u2019\u00e9nergie. Il fut \u00e9tabli que de l\u2019ATP \u00e9tait synth\u00e9tis\u00e9 au cours de la glycolyse ana\u00e9robie. Cette voie \u2013 la premi\u00e8re voie m\u00e9tabolique \u00e9lucid\u00e9e \u2013 ne repr\u00e9sente pas chez les cellules eucaryotes, qui vivent en a\u00e9robiose, un moyen efficace de produire de l\u2019\u00e9nergie : les trois premi\u00e8res r\u00e9actions de la glycolyse consomment autant de mol\u00e9cules d\u2019ATP qu\u2019elles en produise (deux).<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Lohmann K The pyrophosphate fraction in muscle<\/i> (1929)<\/p>\n

J\u2019ai mentionn\u00e9 plus haut que l\u2019emploi de la coloration au Vert Janus de Leonor Michaelis avait r\u00e9v\u00e9l\u00e9 l\u2019existence de r\u00e9actions d\u2019oxydor\u00e9duction au sein des mitochondries. En 1933, Herman M. Kalckar commen\u00e7a une th\u00e8se de doctorat dans le laboratoire de physiologie d\u2019Ejnar Lundsgaard, \u00e0 l\u2019universit\u00e9 de Copenhague, sous la direction de Fritz A. Lipman, r\u00e9cemment \u00e9migr\u00e9 d\u2019Allemagne. En 1937, Kalckar montra que dans un milieu r\u00e9actionnel contenant un extrait acellulaire de cortex r\u00e9nal et du fluorure de sodium (pour inhiber la glycolyse ana\u00e9robie et les phosphatases cellulaires susceptibles de d\u00e9truire l\u2019ATP), l\u2019addition d\u2019interm\u00e9diaires du cycle des acides tricarboxyliques provoquait une synth\u00e8se d\u2019ATP avec r\u00e9duction d\u2019oxyg\u00e8ne. La r\u00e9action ne se produisait pas en ana\u00e9robiose ou en pr\u00e9sence de cyanure (un inhibiteur de la respiration cellulaire). Le lien entre respiration cellulaire et synth\u00e8se d\u2019ATP fut confirm\u00e9 par les r\u00e9sultats des travaux de V.A. Belitzer et E.T. Tsybakova (Instytut Biokhimyi, Kiev<\/i>), qui montr\u00e8rent que l’oxydation de certains substrats ne se d\u00e9roulait qu\u2019en pr\u00e9sence d’ADP et de phosphate inorganique, et par ceux de Severo Ochoa (Washington University, St Louis<\/i>, prix Nobel de physiologie ou m\u00e9decine 1959), qui \u00e9tudia le m\u00e9tabolisme de la cr\u00e9atine dans le laboratoire de D. No\u00ebl Paton, \u00e0 Glasgow, et chez Otto Meyerhof. Kalckar et Lipman, ind\u00e9pendamment l\u2019un de l\u2019autre, cr\u00e9\u00e8rent le concept de \u00ab liaison riche en \u00e9nergie \u00bb par r\u00e9f\u00e9rence au caract\u00e8re tr\u00e8s exergonique de de la liaison anhydride d\u2019acide phosphorique de l\u2019ATP ; dans les conditions pr\u00e9valant dans le milieu cellulaire, la variation d\u2019enthalpie libre lors de l\u2019hydrolyse de l\u2019ATP en ADP vaut :<\/p>\n

ΔG = – 51,8 kJ\/mole<\/p>\n

Plut\u00f4t que le joule \u2013 appartenant au Syst\u00e8me International d\u2019Unit\u00e9s -, les biochimistes pr\u00e9f\u00e8rent exprimer l\u2019\u00e9nergie en calories, une unit\u00e9 introduite en 1824 par le physico-chimiste Nicolas Cl\u00e9ment. Le transfert du groupe phosphate terminal de l\u2019ATP s\u2019accompagne de la lib\u00e9ration d\u2019une \u00e9nergie libre standard d\u2019hydrolyse de 7,3 kilocalories par mole. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Kalckar HM Phosphorylation in Kidney Tissue<\/i> (1937)
\nBelitzer VA, Tsybakova ET Biokhimiya On the Respiration and Phosphorylation of Muscle Tissue<\/i> (1941)
\nOchoa S \u201dCoupling\u201d of Phosphorylation with Oxidation of Pyruvic Acid in Brain Tissue<\/i> (1940)<\/p>\n

Malgr\u00e9 cette richesse en \u00e9nergie chimique, et contrairement \u00e0 ce qui est parfois enseign\u00e9 dans les manuels de biochimie, l\u2019ATP n\u2019est pas une forme de stockage de l\u2019\u00e9nergie ; son existence est trop br\u00e8ve, sa demi-vie dans la cellule \u00e9tant de l\u2019ordre de la minute. Il faut plut\u00f4t consid\u00e9rer l\u2019ATP comme le transporteur universel d\u2019\u00e9nergie et le couple ADP\/ATP, comme une batterie chimique constamment recharg\u00e9e par phosphorylation. En 1941, Fritz A. Lipmann (Massachusetts General Hospital, Boston<\/i>, prix Nobel de m\u00e9decine ou physiologie 1953), le d\u00e9couvreur du coenzyme A, d\u00e9montra le r\u00f4le central jou\u00e9 par l\u2019ATP dans les transferts d\u2019\u00e9nergie chimique au sein de la cellule. On estime que la consommation d\u2019un individu en ATP par 24 heures est \u00e9quivalente \u00e0 sa masse corporelle.<\/p>\n

Mettant \u00e0 profit l\u2019avanc\u00e9e technologique du fractionnement subcellulaire quantitatif<\/b> par centrifugation diff\u00e9rentielle, codifi\u00e9 par Albert Claude (Rockefeller Institute<\/i>), un groupe de chercheurs incluant Walter C. Schneider et Van Rensselaer Potter (McArdle Laboratory for Cancer Research, University of Wisconsin, Madison<\/i>), George H. Hogeboom et Rollin D. Hotchkiss (National Institutes of Health, Bethesda<\/i>) montr\u00e8rent que le cytochrome c et les enzymes de la respiration cellulaire (cytochrome oxydase, succinate d\u00e9shydrog\u00e9nase) et de l\u2019oxydation des acides gras, s\u00e9dimentent dans la fraction mitochondriale. Albert L. Lehninger et son graduate student<\/i> Eugene P. Kennedy (University of Chicago<\/i>) observ\u00e8rent que, dans une fraction subcellulaire de foie de rat, les phosphorylations oxydatives et la β-oxydation des acides gras sont localis\u00e9s dans un m\u00eame organite entour\u00e9 d\u2019une membrane, imperm\u00e9able \u00e0 certains solut\u00e9. Ils \u00e9mirent l\u2019hypoth\u00e8se que cet organite \u00e9tait la mitochondrie, o\u00f9 se d\u00e9roule le Cycle de Krebs.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Claude A Fractionation of mammalian liver cells by differential centrifugation I. Problems, methods, and preparation of extract<\/i> (1946)
\nClaude A Fractionation of mammalian liver cells by differential centrifugation II. Experimental procedures and results<\/i> (1946)
\nPotter VR The assay of animal tissues for respiratory enzymes; cell structure in relation to fatty acid oxidation<\/i> (1946)
\nHogeboom GH, Claude A, Hotchkiss RD The distribution of cytochrome oxidase and succinoxidase in the cytoplasm of the mammalian liver cell<\/i> (1946)
\nSchneider WC, Claude A, Hogeboom GH The distribution of cytochrome c and succinoxidase in rat liver fractions<\/i> (1948)
\nKennedy EP, Lehninger AL Oxidation of fatty acids and tricarboxylic acid cycle intermediates by isolated rat liver mitochondria<\/i> (1949)
\nPotter VR, Lyle GG, Schneider WC Oxidative phosphorylation in whole homogenates and in cell particles<\/i> (1951)<\/p>\n

<\/a>Des \u00e9lectrons en cascades<\/b><\/span><\/h4>\n

Avec ses quatre compartiments (membrane externe, espace inter-membranaire, membrane interne, matrice) associ\u00e9s \u00e0 des fonctions diff\u00e9rentes, la mitochondrie est un organite complexe. La membrane interne est le site d\u2019un transport d\u2019\u00e9lectrons et de production d\u2019\u00e9nergie chimique. Cette \u00ab cha\u00eene \u00bb respiratoire fournit \u00e0 certaines bact\u00e9ries a\u00e9robies et aux cellules des plantes et des animaux l\u2019essentiel de leur \u00e9nergie sous forme de mol\u00e9cules d\u2019ATP. La notion de complexes impliqu\u00e9s dans ces processus \u00e9mergea de la constatation que l\u2019int\u00e9grit\u00e9 de la membrane n\u2019est pas n\u00e9cessaire au maintien d\u2019un transport d\u2019\u00e9lectrons coupl\u00e9 \u00e0 une synth\u00e8se d\u2019ATP. Des fragments de membrane, des pr\u00e9parations membranaires et v\u00e9siculaires (Electrons Transfer Particles, ETP<\/i>) sont capables d\u2019accomplir ces fonctions. Ces complexes sont au nombre de quatre et ils agissent successivement et de mani\u00e8re coordonn\u00e9e (\u00ab coop\u00e9rative \u00bb). Ils sont form\u00e9s par l\u2019assemblage d\u2019environ 80 polypeptides, presque tous diff\u00e9rents les uns des autres. La masse mol\u00e9culaire de l\u2019ensemble d\u00e9passe 2.000.000 de daltons. Les sous-unit\u00e9s prot\u00e9iques des complexes I, III, IV (et de l\u2019ATP synthase dont il sera question plus loin) sont cod\u00e9es par les g\u00e9nomes nucl\u00e9aire et mitochondrial ; les sous-unit\u00e9s du complexe II, par le g\u00e9nome nucl\u00e9aire. Au sein des complexes, une ch\u00fbte de potentiel d\u2019\u00e9lectrons \u00e0 haute \u00e9nergie est coupl\u00e9e \u00e0 un pompage de protons de la matrice mitochondriale vers l\u2019espace intermembranaire, raison pour laquelle ces machines mol\u00e9culaires sont appell\u00e9es \u00ab oxydo-r\u00e9ductases-pompes \u00e0 protons \u00bb. Au nombre de quatre, elles sont num\u00e9rot\u00e9es de I \u00e0 IV. Il existe un complexe V dont je parlerai plus loin. Avant de les examiner dans l\u2019ordre, il faut rendre hommage au travail accompli par les chimistes et les physiciens qui ont \u00e9tabli les structures tridimensionnelles des complexes par diffraction des rayons X. Jusque dans les ann\u00e9es 1980, cette technique n\u2019avait \u00e9t\u00e9 appliqu\u00e9e qu\u2019\u00e0 des prot\u00e9ines solubles (myoglobine, h\u00e9moglobine, lysozyme) pour lesquelles il est relativement ais\u00e9 d\u2019obtenir des cristaux. Le d\u00e9fi \u00e9tait tout autre avec des complexes membranaires essentiellement hydrophobes ; il fut r\u00e9solu par la pr\u00e9paration de \u00ab cristaux bidimensionnels \u00bb r\u00e9guliers, en s\u2019inspirant des travaux effectu\u00e9s sur la rhodopsine, une prot\u00e9ine membranaire des cellules photo-r\u00e9ceptrices de la r\u00e9tine (les \u00ab b\u00e2tonnets \u00bb). Pour \u00e9tablir la s\u00e9quence en acides amin\u00e9s des polypeptides constitutifs des complexes il fallut: (i) pr\u00e9parer des quantit\u00e9s substantielles de mitochondries de c\u0153ur de b\u0153uf ; (ii) \u00e9liminer la membrane mitochondriale externe par traitement \u00e0 la digitonine, et la matrice par traitement osmotique ; (iii) isoler la membrane interne par centrifugation ; (iv) solubiliser les complexes membranaires avec des d\u00e9tergents et des agents \u00ab chaotropiques \u00bb (qui dissocient les structures tertiaire et quaternaire des prot\u00e9ines) ; (v) s\u00e9parer les polypeptides par chromatographie ; (vi) les s\u00e9quencer. Il fallut ensuite isoler s\u00e9paremment chacun des complexes et obtentir des structures suffisamment r\u00e9guli\u00e8res et ordonn\u00e9es. Dans les premiers diagrammes de diffraction \u00e0 faible r\u00e9solution (6,5 Angstr\u00f6m), les d\u00e9tails des structures \u00e9taient peu visibles. L\u2019utilisation de sources intenses de rayons X \u00e9manant des synchrotrons permit d’obtenir des diagrammes plus lisibles (r\u00e9solution de 2,8 Angstr\u00f6m). La premi\u00e8re structure connue fut celle du centre r\u00e9actionnel photosynth\u00e9tique de la bact\u00e9rie pourpre Rhodopseudomonas viridis<\/i>.<\/p>\n

Le point d\u2019entr\u00e9e dans la cha\u00eene respiratoire des \u00e9lectrons fournis par le coenzyme NADH,H+<\/sup> est le complexe I pompe \u00e0 protons (NADH-CoQ r\u00e9ductase, NADH : ubiquinone oxydor\u00e9ductase). C\u2019est le plus volumineux des quatre complexes ; chez les mammif\u00e8res, il est compos\u00e9 de 46 sous-unit\u00e9s \u2013 dont 14 sont cod\u00e9es par le g\u00e9nome mitochondrial \u2013 pour une masse d\u2019environ 1 700 kDa. Sa structure par cristallographie aux rayons X fut \u00e9tablie \u00e0 partir de diff\u00e9rentes sources : mitochondries de c\u0153ur de b\u0153uf, Escherichia coli<\/i> (Ekaterina A. Baranova, Peter J. Holt, Leonid A. Sazanov, Institute of Science and Technology Austria, Klosterneuburg<\/i>), Thermus thermophilus<\/i> (Leonid A. Sazanov et Philip Hinchliffe, Medical Research Council, Dunn Human Nutrition Unit, Cambridge<\/i>), la levure Yarrowia lipolytica<\/i> (Volker Zickermann et coll. Institute of Biochemistry II, Medical School, Goethe Universit\u00e4t, Frankfurth<\/i>). Les 2 e\u2013<\/sup> fournis par le NADH sont transport\u00e9s par une flavine ad\u00e9nine mononucl\u00e9otide (FMN) dont le groupement prosth\u00e9tique est la riboflavine (vitamine B2<\/sub>), un transporteur d\u2019hydrog\u00e8ne (deux e\u2013<\/sup> associ\u00e9s \u00e0 deux H+<\/sup>) :<\/p>\n

H2<\/sub> ➔ 2H+<\/sup> + 2e–<\/sup><\/p>\n

En acceptant la mol\u00e9cule d\u2019hydrog\u00e8ne fournie par le NADH, le FMN passe successivement de la forme oxyd\u00e9e \u00e0 la forme semiquinone (FMNH\u2022<\/sup>) puis \u00e0 la forme r\u00e9duite (FMNH2<\/sub>). Les e\u2013 <\/sup>sont ensuite transf\u00e9r\u00e9s \u00e0 une s\u00e9rie de prot\u00e9ines \u00e0 Fe-S de types [2Fe-2S] et [4Fe-4S], puis \u00e0 l\u2019ubiquinone (coenzyme Q), un transporteur liposoluble \u00e0 longue cha\u00eene isopr\u00e9no\u00efde, localis\u00e9 \u00e0 l\u2019interface entre le complexe et la membrane mitochondriale interne. Un compos\u00e9 poss\u00e9dant les propri\u00e9t\u00e9s chimiques d\u2019une quinone fut isol\u00e9 en 1957 \u00e0 partir de mitochondries de c\u0153ur de b\u0153uf par Frederick L. Crane, un collaborateur de David E. Green (Institute for Enzyme Research, The University of Wisconsin<\/i>) ; il le baptisa \u00ab coenzyme Q \u00bb. La m\u00eame ann\u00e9e, et ind\u00e9pendamment, Richard A. Morton (Johnston Chair of Biochemistry, University of Liverpool<\/i>) caract\u00e9risa l\u2019ubiquinone (quinone ubiquitaire) dans le foie de rats carenc\u00e9s en vitamines. L\u2019ubiquinone est hydrophobe ; elle fixe deux e\u2013 et passe de la forme oxyd\u00e9e \u00e0 la forme r\u00e9duite ubiquinol (QH2<\/sub>) en acceptant deux protons issus de la matrice. Le complexe I-pompe \u00e0 protons transfert 4 H+<\/sup> de la matrice (mat) dans l\u2019espace intermembranaire (inter).<\/p>\n

NADH + Q10<\/sub> + H+<\/sup>mat<\/sub> ➔ NAD+<\/sup> + Q10<\/sub>H2<\/sub>
\n4 H+<\/sup>mat<\/sub> ➔ 4 H+<\/sup>inter<\/sub><\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Hinchliffe P, Sazanov LA Organization of iron-sulfur clusters in respiratory complex I<\/i> (2005)
\nSazanov LA, Hinchliffe P Structure of the Hydrophilic Domain of Respiratory Complex I from Thermus thermophilus<\/i> (2006)
\nBaranova EA, Holt PJ, Sazanov LA Projection Structure of the Membrane Domain of Escherichia coli Respiratory Complex I at 8 \u00c5 Resolution<\/i> (2007)
\nZickermann V, Wirth C, Nasiri H, Siegmund K, Schwalbe H, Hunte C, Brandt U Structural biology. Mechanistic insight from the crystal structure of mitochondrial complex I<\/i> (2015)
\nCrane FL, Hatefi Y, Lester RL, Widmer C Isolation of a quinone from beef heart mitochondria<\/i> (1957)<\/span><\/p>\n

Rappelons que la membrane mitochondriale interne est imperm\u00e9able aux protons. Avant de quitter le complexe I, disons quelques mots des \u00ab prot\u00e9ines \u00e0 fer-soufre \u00bb (prot\u00e9ines \u00e0 Fe-S), d\u00e9couvertes par Helmut Beinert, un autre collaborateur de David Green. Elles poss\u00e8dent au sein de leur structure deux, trois ou quatre atomes de fer li\u00e9s \u00e0 des anions sulfure (S2-<\/sup>) appartenant au groupe thiolate de la cyst\u00e9ine, et non \u00e0 un groupe h\u00e8me comme dans les cytochromes. En accord avec la vari\u00e9t\u00e9 de leurs structures, leurs potentiels redox sont vari\u00e9s. En 1964, John S. Rieske (Institute for Enzyme Research, University of Wisconsin, Madison<\/i>) montra que les complexes bc1<\/sub> et b6<\/sub>f de la cha\u00eene respiratoire renferment une prot\u00e9ine \u00e0 Fe-S (2Fe-2S) dont un atome de fer est li\u00e9 \u00e0 deux r\u00e9sidus histidines. Chaque atome de fer est dans un \u00e9tat d\u2019oxydation qui lui est propre. Les prot\u00e9ines \u00e0 Fe-S ont la capacit\u00e9 de transporter des \u00e9lectrons (un \u00e9lectron par transfert) et participent \u00e0 des r\u00e9actions d\u2019oxydo-r\u00e9duction dans les mitochondries et les chloroplastes chez les animaux, les plantes et les bact\u00e9ries.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Rieske JS, MacLennan DH, Coleman R Isolation and properties of an iron-protein from the (reduced coenzyme Q)-cytochrome C reductase complex of the respiratory chain<\/i> (1964)<\/span><\/p>\n

 <\/p>\n\n\n\n\n
\"chap4-21\"<\/a><\/td>\n<\/tr>\n
Repr\u00e9sentation simplifi\u00e9e de la cha\u00eene respiratoire. <\/b>Les complexes I, III, et IV de la membrane interne des mitochondries sont des oxydor\u00e9ductases\u2013pompes \u00e0 protons. Le complexe V est l\u2019ATP synthase. Dans ce sch\u00e9ma, les \u00e9lectrons (deux points noirs) fournis par le NADH, c\u2019est-\u00e0-dire par le cycle de Krebs et la \u03b2-oxydation des acides gras, lib\u00e8rent leur \u00e9nergie en suivant le trajet: complexe I – coenzyme Q (Q) – complexe III – cytochrome c (C) – complexe IV. Chaque saut d\u2019\u00e9nergie d\u2019ampleur suffisante entra\u00eene un pompage protons de la matrice vers l\u2019espace intermembranaire par les oxydases\u2013pompes \u00e0 protons I, III, et IV. Les \u00e9lectrons fournis par une mol\u00e9cule de NADH permettent le pompage de dix protons. L\u2019accepteur final des \u00e9lectrons dans le complexe IV est l\u2019oxyg\u00e8ne mol\u00e9culaire. Le potentiel des protons stock\u00e9s dans l\u2019espace intermembranaire est consomm\u00e9 par le complexe V (ATP synthase) avec synth\u00e8se d\u2019ATP. Dans cette figure, la stoechiom\u00e9trie des r\u00e9actions n\u2019est pas prise en compte.<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

 <\/p>\n

Le complexe II (succinate coenzyme Q r\u00e9ductase) est constitu\u00e9 de quatre sous-unit\u00e9s : (i) la succinate d\u00e9shydrog\u00e9nase, le seul enzyme du cycle de Krebs \u00e0 \u00eatre localis\u00e9 dans la membrane mitochondriale interne (les autres sont localis\u00e9s dans la matrice) ; (ii) une flavoprot\u00e9ine ; (iii) des prot\u00e9ines \u00e0 Fe : S ; (iv) une ubiquinone r\u00e9ductase. Le groupe de Douglas C. Rees (Howard Hughes Medical Institute, California Institute of Technology(<\/i>) a d\u00e9duit la structure du complexe II par cristallographie aux rayons X de la fumarate r\u00e9ductase d\u2019Escherichia coli<\/i>. Cet enzyme catalyse un transfert d\u2019\u00e9lectrons vers le fumarate, l\u2019accepteur final des \u00e9lectrons chez les organismes ana\u00e9robies. La structure cristallographique du complexe II de c\u0153ur de porc a \u00e9t\u00e9 \u00e9tablie \u00e0 une r\u00e9solution de 2,4 angstr\u0153m par Fei Sun et ses associ\u00e9s (Institute of Biophysics, Joint Research Group for Structural Biology, Tsinghua University and National Laboratory of Biomacromolecules, Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing<\/i>).<\/p>\n

succinate + FAD ➔ fumarate + FADH + H+<\/sup><\/p>\n

Le FADH2<\/sub> d\u00e9livre au coenzyme Q une paire d\u2019e\u2013<\/sup>, fournie par le succinate, et un H+<\/sup>, via trois centres \u00e0 Fe-S :<\/p>\n

FADH + H+<\/sup> + Q10<\/sub> ➔ FAD + Q10<\/sub>H2<\/sub> <\/p>\n

Le complexe II est le second point d\u2019entr\u00e9e des \u00e9lectrons (fournis par le FADH2<\/sub>) dans la cha\u00eene respiratoire. Le potentiel du couple redox FAD \/ FADH2<\/sub> est de -0,20 V contre -0,32V pour le couple NAD+<\/sup>\/NADH. Le complexe II ne contribue pas \u00e0 la formation du gradient de concentration d\u2019ions H+<\/sup>.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Iverson TM, Luna-Chavez C, Cecchini G, Rees DC Structure of the Escherichia Coli Fumarate Reductase Respiratory Complex<\/i> (1999)
\nIverson TM, Luna-Chavez C, Schr\u00f6der I, Cecchini G, Rees DC Analyzing your complexes: structure of the quinol fumarate reductase respiratory complex<\/i> (1999)
\nSun F, Huo X, Zhai Y, Wang A, Xu J, Su D, Bartlam M, Rao Z Crystal structure of mitochondrial respiratory membrane protein complex II<\/i> (2005)<\/span><\/p>\n

 <\/p>\n\n\n\n\n
\"chap4-3\"<\/a><\/td>\n<\/tr>\n
\n

Repr\u00e9sentation simplifi\u00e9e de la cha\u00eene respiratoire. <\/b>Les \u00e9lectrons fournis par le FADH2<\/sub> (non repr\u00e9sent\u00e9 sur la Fig.) entrent dans la cha\u00eene respiratoire au niveau du complexe II. Ils proviennent de la conversion de succinate (SUCC) en fumarate (FUM) par la succinate : ubiquinone oxydor\u00e9ductase, le seul enzyme du cycle de Krebs localis\u00e9 dans la membrane mitochondriale interne. Les \u00e9lectrons sont transf\u00e9r\u00e9s successivement au coenzyme Q (Q), au complexe III, au cytochrome c (C) et au complexe IV. Les protons sont pomp\u00e9s dans l\u2019espace intermembranaire par les complexes III et IV.<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

 <\/p>\n

Dans le complexe III (Coenzyme QH2<\/sub>-Cytochrome c<\/i> r\u00e9ductase), comme dans le complexe IV, le transport des e\u2013<\/sup> est assur\u00e9, non plus par des flavines comme dans les complexes I et II, mais par des cytochromes. Historiquement, les cytochromes furent les premiers transporteurs d\u2019e\u2013<\/sup> identifi\u00e9s ; les cytochromes (a<\/i>, a3<\/i> et c<\/i>) Ils furent d\u00e9couverts par un m\u00e9decin f\u00e9ru d\u2019exp\u00e9rimentation, Charles A. MacMunn, en observant au spectroscope divers organismes et tissus (notamment des muscles). Les r\u00e9sultats de cet \u00ab amateur \u00bb furent soumis \u00e0 une virulente critique de la part d\u2019un grand \u00ab professionnel \u00bb, Felix Hoppe-Seyler, fondateur et r\u00e9dacteur en chef du Zeitschrift f\u00fbr Physiologische Chemie<\/i> et pionnier de l\u2019\u00e9tude de l\u2019h\u00e9moglobine et de la chlorophylle. C\u2019est ainsi que la d\u00e9couverte des cytochromes tomba aux oubliettes pendant pr\u00e8s de quarante ans. Lorsque David Keilin (Molteno Institute for Research in Parasitology, University of Cambridge<\/i>) d\u00e9couvrit les cytochromes, il eut l\u2019\u00e9l\u00e9gance de reconna\u00eetre l\u2019ant\u00e9riorit\u00e9 de MacMunn. Ce dernier avait d\u00e9couvert les cytochromes a<\/i>, a3<\/i> et c<\/i> ; dans les ann\u00e9es 40 et 50, Ichiro Y. Sekuzu et Kazuo Okuniki (Department of Biology, University of Osaka<\/i>) d\u00e9couvrirent les cytochromes c1<\/sub><\/i> et b<\/i>. Le groupe h\u00e8me de ces h\u00e9moprot\u00e9ines, constitu\u00e9 d\u2019une porphyrine et d\u2019un atome de fer ionis\u00e9, leur conf\u00e8re la capacit\u00e9 d\u2019accepter ou de donner un e\u2013<\/sup> avec passage r\u00e9versible de l\u2019\u00e9tat ferreux \u00e0 l\u2019\u00e9tat ferrique.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : MacMunn CA VI. Researches on myohamatin and the histohaematins<\/i> (1886)
\nKeilin D. On cytochrome, a respiratory pigment, common to animals, yeast and higher plants<\/i> (1925)
\nKeilin D A comparative study of turacin and haematin and its bearing on cytochrome<\/i> (1926)
\nKeilin D Le cytochrome pigment respiratoire intracellulaire commun aux micro-organismes, aux plantes et aux animaux<\/i> (1927)
\nSekuzu I, Takemori S, Orii Y, Okunuki K Studies on cytochrome a: IV. Reaction of cytochrome a with cytochromes c and c1<\/i> (1960)
\nTakemori S, Sekuzu I, Okunuki K Studies on cytochrome a VII. Physico-chemical properties of purified cytochrome a<\/i> (1961)<\/span><\/p>\n

La structure cristallographique de la CoQH2<\/sub>-Cytochrome c<\/i> r\u00e9ductase a \u00e9t\u00e9 \u00e9lucid\u00e9e chez la levure Saccharomyces cerevisiae<\/i> et dans les mitochondries de c\u0153ur de b\u0153uf par les groupes de Hartmut Michel (Molecular Membrane Biology Department, Max Planck Institute for Biophysics, Frankfurt am Main<\/i>, prix Nobel de chimie 1988) et de Johann Deisenhofer (Department of Biophysics, The University of Texas Southwestern Medical Center, Dallas<\/i>, prix Nobel de chimie 1988). Chez les mammif\u00e8res, c\u2019est un volumineux dim\u00e8re dont les monom\u00e8res comportent 11 sous-unit\u00e9s diff\u00e9rentes. Les cofacteurs (deux cytochromes b<\/i>, un cytochrome c1<\/sub><\/i>, une prot\u00e9ine de Rieske \u00e0 2Fe-2S) sont associ\u00e9s \u00e0 3 sous-unit\u00e9s cod\u00e9es par le g\u00e9nome mitochondrial. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Hunte C, Koepke J, Lange C, Rossmanith T, Michel H Structure at 2.3 A resolution of the cytochrome bc(1) complex from the yeast Saccharomyces cerevisiae co-crystallized with an antibody Fv fragment<\/i> (2000)
\nLange C, Hunte C Crystal structure of the yeast cytochrome bc1 complex with its bound substrate cytochrome c<\/i> (2002)
\nZara V, De Blasi G, Ferramosca A Assembly of the Multi-Subunit Cytochrome bc1 Complex in the Yeast Saccharomyces cerevisiae<\/i> (2022)
\nXia D, Yu CA, Kim H, Xia JZ, Kachurin AM, Zhang L, Yu L, Deisenhofer J Crystal structure of the cytochrome bc1 complex from bovine heart mitochondria<\/i> (1997)
\nIwata S, Lee JW, Okada K, Lee JK, Iwata M, Rasmussen B, Link TA, Ramaswamy S, Jap BK Complete structure of the 11-subunit bovine mitochondrial cytochrome bc1 complex<\/i> (1998)
\nSolmaz SR, Hunte C Structure of complex III with bound cytochrome c in reduced state and definition of a minimal core interface for electron transfer<\/i> (2008)<\/span><\/p>\n

Marten Wikstr\u00f6m (Department of Medical Chemistry, University of Helsinki<\/i>) et Gerald T. Babcock (Department of Chemistry, Michigan State University, East Lansing<\/i>) ont \u00e9lucid\u00e9 le trajet des e\u2013<\/sup> au sein du complexe III, du CoQH2<\/sub> au cytochrome c<\/i>. Dans une revue publi\u00e9e en 1990, Bernard L. Trumpower (Geisel School of Medicine, Dartmouth<\/i>) a d\u00e9crit dans le d\u00e9tail le r\u00f4le jou\u00e9 par la navette Q\/QH2<\/sub> dans le transfert d\u2019\u00e9lectrons, des complexes I et II vers le complexe III. Pr\u00e9sent chez une vari\u00e9t\u00e9 d\u2019organismes, le \u00ab protonmotive Q cycle<\/i> \u00bb est le plus important m\u00e9canisme de transduction d\u2019\u00e9nergie. J\u2019ai rappel\u00e9, dans un paragraphe pr\u00e9c\u00e9dent, les circonstances de la d\u00e9couverte de l\u2019ubiquinone (1,4 benzoquinone), connue aussi sous l\u2019appellation de coenzyme Q, ou CoQ10<\/sub>, par r\u00e9f\u00e9rence au dix unit\u00e9s isopr\u00e8ne de la cha\u00eene lat\u00e9rale, qui ancre le coenzyme dans la bicouche phospholipidique. Le CoQH2<\/sub> porte 2H+<\/sup> et 2e– <\/sup>; au sein du complexe III, il lib\u00e8re 2 H+<\/sup> dans l\u2019espace inter-membranaire et fournit un e–<\/sup> au cytochrome c<\/i> par l\u2019interm\u00e9diaire d\u2019une prot\u00e9ine \u00e0 Fe :S ; il fournit un autre e–<\/sup> au cytochrome b<\/i> et charge 2H+<\/sup> venant de la matrice. Le cytochrome c<\/i> est une prot\u00e9ine soluble de 12.500 daltons dont le cofacteur est un h\u00e8me de type c<\/i> ; il est localis\u00e9 dans l\u2019espace inter-membranaire et transfert un e\u2013<\/sup> vers le complexe IV et l\u2019accepteur final, l\u2019O2<\/sub>. Au total, le complexe III injecte quatre H+<\/sup> dans l\u2019espace inter-membranaire et r\u00e9duit deux mol\u00e9cules de cytochrome c<\/i>.<\/p>\n

Q10<\/sub>H2<\/sub> + 2 Cc<\/i>ox<\/sub> + 2 H+<\/sup>mat<\/sub> ➔ Q10<\/sub> + 2 Cc<\/i>red<\/sub> + 4 H+<\/sup>inter<\/sub><\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Wikstr\u00f6m M, Babcock GT Cell Respiration. Catalytic Intermediates<\/i> (1990)
\nTrumpower BL The protonmotive Q cycle. Energy transduction by coupling of proton translocation to electron transfer by the cytochrome bc1 complex<\/i> (1990)
\nCrane F L, Sun IL, Sun EE The essential functions of coenzyme Q<\/i> (1993)
\nDing H, Daldal F, DuttonPL Ion pair formation between basic residues at 144 of the Cyt b polypeptide and the ubiquinones at the Qo<\/sub> site of the Cyt bc1<\/sub> complex<\/i> (1995)
\nTurunen M, Olsson J, Dallner G Metabolism and function of coenzyme Q<\/i> (2004)
\nDarrouzet E, Moser CC, Dutton PL, Daldal F Large scale domain movement in cytochrome bc(1): a new device for electron transfer in proteins<\/i> (2001)<\/span><\/p>\n

Le complexe IV (Cytochrome c<\/i> Oxydase) appartient \u00e0 la superfamille des oxydases \u00e0 h\u00e8me-cuivre. C\u2019est par lui que tout a commenc\u00e9 ! Je parle de la \u00ab saga \u00bb des travaux sur la respiration cellulaire et la production d\u2019\u00e9nergie, qui se sont \u00e9tal\u00e9es sur des d\u00e9cennies. Le complexe IV est l\u2019Atmungsferment<\/i>, d\u00e9couvert en 1925 par Otto H. Warburg (prix Nobel de physiologie ou m\u00e9decine 1931), rebaptis\u00e9 \u00ab cytochrome oxydase \u00bb en 1929, partiellement purifi\u00e9 a\u0300 partir de c\u0153ur de b\u0153uf, en 1941, par von Eijiro Yakushiji et Kazuo Okunuki (Iwata Institut f\u00fbr Pflanzenbiochemie<\/i>). Sa structure \u00e0 l\u2019\u00e9chelle atomique fut \u00e9tablie par Tomitake Tsukihara et coll. (Institute for Protein Research, Osaka University<\/i>) ; le complexe IV comporte 13 sous-unit\u00e9s polypeptidiques, dont trois pour la partie catalytique. Le groupe de Hartmut Michel (Molecular Membrane Biology Department, Max Planck Institute for Biophysics, Frankfurt am Main<\/i>, prix Nobel de chimie 1988) a \u00e9tabli la structure tridimensionnelle du complexe IV (trois sous-unit\u00e9s) de Paracoccus denitrificans<\/i>. Le complexe IV re\u00e7oit quatre e–<\/sup>, transf\u00e9r\u00e9s depuis le complexe III par le transporteur soluble cytochrome c<\/i> ; quatre mol\u00e9cules de cytochrome c<\/i> d\u00e9livrent, successivement, un e–<\/sup> \u00e0 une paire d\u2019ions cuivre (Cu2+<\/sup>) puis \u00e0 l\u2019h\u00e8me du cytochrome a<\/i> et enfin au centre catalytique : ions Cu2+<\/sup> et cytochrome a3<\/i>. Les quatre e\u2013<\/sup> sont transf\u00e9r\u00e9s \u00e0 l\u2019accepteur final O2<\/sub> ; la chute de potentiel redox entre le cytochrome c<\/i> et l\u2019O2<\/sub> est coupl\u00e9e au pompage dans l\u2019espace inter-membranaire de quatre H+<\/sup> ; quatre autres H+<\/sup> sont consomm\u00e9s pour former deux mol\u00e9cules de H2<\/sub>O) :<\/p>\n

4 Cc<\/i>red<\/sub> + 8 H+<\/sup>mat<\/sub> + O2<\/sub> ➔ 4 Cc<\/i>ox<\/sub> + 2 H2<\/sub>O + 4 H+<\/sup>inter<\/sub><\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Warburg OH \u00dcber Eisen, den sauerstoff-\u00fcbertragenden Bestandteil des Atmungsferments<\/i> (1925)
\nYakushiji E, Okunuki K Isolierung der a-Komponente des Cytochroms und ihre Eigenschaften<\/i> (1941)
\nTsukihara T, Aoyama H, Yamashita E, Tomizaki T, Yamaguchi H, Shinzawa-Itoh K, Nakashima R, Yaono R, Yoshikawa S Structures of metal sites of oxidized bovine heart cytochrome c oxidase at 2.8 \u00c5<\/i> (1995)
\nTsukihara T, Aoyama H, Yamashita E, Tomizaki T, Yamaguchi H, Shinzawa-Itoh K, Nakashima R, Yaono R, Yoshikawa S The Whole Structure of the 13-Subunit Oxidized Cytochrome c Oxidase at 2.8 A<\/i> (1996)
\nIwata S, Ostermeier C, Ludwig B, Michel H Structure at 2.8 \u00c5 resolution of cytochrome c oxidase from Paracoccus denitrificans<\/i> (1995)<\/span><\/p>\n

L\u2019analyse chimique de pr\u00e9parations purifi\u00e9es a r\u00e9v\u00e9l\u00e9 que le rapport prot\u00e9ines\/phospholipides de la membrane mitochondriale interne est \u00e9lev\u00e9 \u2013 le plus \u00e9lev\u00e9 des membranes cellulaires – ce qui laissait entrevoir des contacts \u00e9troits entre complexes respiratoires individuels. En 1955, Britton Chance et Graham R. Williams (Johnson Foundation for Research in Medical Physics, School of Medicine, University of Pennsylvania<\/i>) \u00e9mirent l\u2019hypoth\u00e8se que la cha\u00eene respiratoire est form\u00e9e de super-complexes. Bernard L Trumpower (Department of Biochemistry, Darmouth Medical School, Hanover<\/i>) fut l\u2019un des premiers \u00e0 caract\u00e9riser un super-complexe chez Paracoccus denitrificans<\/i>.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Chance B, Williams GR A Method for the Localization of Sites for Oxidative Phosphorylation<\/i> (1955)
\nBerry EA, Trumpower BL Isolation of ubiquinol oxidase from Paracoccus denitrificans and resolution into cytochrome bc1 and cytochrome c-aa3 complexes<\/i> (1985)
\nSone N, Sekimachi M, Kutoh E Identification and properties of a quinol oxidase super-complex composed of a bc1 complex and cytochrome oxidase in the thermophilic bacterium PS3<\/i> (1987)<\/span><\/p>\n

Les progr\u00e8s techniques dans la s\u00e9paration et la visualisation des ensembles supramol\u00e9culaires ont fait progresser nos connaissances dans le domaine des supercomplexes mitochondriaux. Pour pouvoir les \u00e9tudier, il faut : (i) pr\u00e9server les fragiles interactions prot\u00e9ines-prot\u00e9ines ; (ii) \u00e9viter les dommages inflig\u00e9s aux structures subcellulaires par les faisceaux d\u2019\u00e9lectrons \u00e0 haute intensit\u00e9 utilis\u00e9s en diffraction aux rayons X. La premi\u00e8re difficult\u00e9 a \u00e9t\u00e9 r\u00e9solue par l\u2019emploi de l\u2019\u00e9lectrophor\u00e8se en gel de polyacrylamide dite \u00ab Blue Native<\/i> \u00bb. Alexanne Cuillerier et Yan Burelle (Faculty of Health science, University of Ottawa<\/i>) ont mis au point une technique combinant les avantages des \u00ab Clear Native<\/i> \u00bb et \u00ab Blue Native<\/i> \u00bb Polyacrylamide Gel Electrophoresis<\/i>. Les supercomplexes de la membrane mitochondriale interne sont solubilis\u00e9s avec un d\u00e9tergent non ionique (digitonine) ; ils sont color\u00e9s en bleu par un bref contact avec le colorant anionique Bleu de Comassie (Comassie Brillant Blue<\/i>). L\u2019\u00e9lectrophor\u00e8se est conduite en conditions non d\u00e9naturantes (en l\u2019absence de Sodium dod\u00e9cyl sulfate). La s\u00e9paration peut \u00eatre compl\u00e9t\u00e9e par une \u00e9lectrophor\u00e8se bidimensionnelle. Runyu Guo et coll. (Advanced Innovation Center for Structural Biology, School of Life Sciences, Tsinghua University, Beijing<\/i>) ont utilis\u00e9 la centrifugation en gradient de densit\u00e9 pour isoler un supercomplexe de mitochondries de cellules humaines en culture.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Jha P, Wang X, Auwerx J Analysis of Mitochondrial Respiratory Chain Supercomplexes Using Blue Native Polyacrylamide Gel Electrophoresis (BN-PAGE) <\/i> (2016)
\nCuillerier A, Burelle Y Hybrid Clear\/Blue Native Electrophoresis for the Separation and Analysis of Mitochondrial Respiratory Chain Supercomplexes<\/i> (2019)
\nGuo R, Zong S, Wu M, Gu J, Yang M Architecture of Human Mitochondrial Respiratory Megacomplex I(2)III(2)IV(2)<\/i> (2017)<\/span><\/p>\n

La seconde difficult\u00e9 a \u00e9t\u00e9 r\u00e9solue par l\u2019usage de la cryomicroscopie \u00e9lectronique (avec une r\u00e9solution inf\u00e9rieure \u00e0 4 \u00c5). Les structures supramol\u00e9culaires (respirasomes) ont \u00e9t\u00e9 \u00e9tudi\u00e9es chez les mammif\u00e8res (homme, b\u0153uf, rat), dans divers organes (cerveau, foie, rein, muscle, c\u0153ur, fibroblastes), chez les v\u00e9g\u00e9taux, les champignons, les levures, les bact\u00e9ries et le n\u00e9matode Caenorhabditis elegans<\/i>. Pour r\u00e9pondre dans les plus brefs d\u00e9lais aux besoins \u00e9nerg\u00e9tiques de la cellule, la cha\u00eene respiratoire mitochondriale adopte l\u2019organisation des complexes I \u00e0 IV en supercomplexes, ce qui limiterait les ph\u00e9nom\u00e8nes de diffusion. La coh\u00e9sion au sein de ces structures supramol\u00e9culaires est assur\u00e9e par les interactions fortes entre prot\u00e9ines, et par la pr\u00e9sence d\u2019un phospholipide particulier, la cardiolipine. D\u00e9couverte en 1941 dans le muscle cardiaque par Mary C. Pangborn (Division of Laboratories and Research, New York State Department of Health, Albany<\/i>), la cardiolipine (glyc\u00e9rol bisphosphatidyl) repr\u00e9sente pr\u00e8s de 20% des phospholipides de la membrane mitochondriale interne, dont elle assure l\u2019imperm\u00e9abilit\u00e9 aux protons.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Iwasaki T, Matsuura K, Oshima T Resolution of the aerobic respiratory system of the thermoacidophilic archeon, Sulfolobus sp. Strain 7. I. The archeal terminal oxidase supercomplex is a functional fusion of respiratory complexes III and IV with no c-type cytochrome<\/i> (1995)
\nruel C, Brasseur R, Trumpower BL Subunit 8 of the Saccharomyces cerevisiae cytochrome bc1 complex interacts with succinate-ubiquinone reductase complex<\/i> (1996)
\nBoumans H, Grivell LA, Berden JA The respiratory chain in yeast behaves as a single functional unit<\/i> (1998)
\nSchagger H, Pfeiffer K Supercomplexes in the respiratory chains of yeast and mammalian mitochondria (2000)
\nEubel H, Heinemeyer J, Sunderhaus S, Braun HP Respiratory chain supercomplexes in plant mitochondria<\/i> (2004)
\nReifschneider NH, Goto S, Nakamoto H, Takahashi R, Sugawa M, Dencher NA, Krause F Defining the Mitochondrial Proteomes from Five Rat Organs in a Physiologically Significant Context Using 2D Blue-Native\/SDS-PAGE<\/i> (2006)
\nKrause F OXPHOS Supercomplexes: Respiration and Life-Span Control in the Aging Model Podospora anserine (2006)
\nSch\u00e4fer E, Dencher NA, Vonck J, Parcej DN Three-dimensional structure of the respiratory chain supercomplex I1II2IV1 from bovine heart mitochondria<\/i> (2007)
\nAcin-Perez R, Fernandez-Silva P, Peleato ML, Perez-Martos A, Enriquez JA Respiratory active mitochondrial supercomplexes<\/i> (2008)
\nLombardi A, Silvestri E, Cioffi F, Senese R, Lanni A, Goglia F, de Lange P, Moreno M Defining the transcriptomic and proteomic profiles of rat ageing skeletal muscle by the use of a cDNA array, 2D- and Blue native-PAGE approach<\/i> (2009)
\nSunderhaus S, Klodmann J, Lenz C, Braun HP Supramolecular structure of the OXPHOS system in highly thermogenic tissue of Arum maculatum<\/i> (2010)
\nAlthoff T, Mills DJ, Popot JL, K\u00fchlbrandt W Arrangement of electron transport chain components in bovine mitochondrial supercomplex I1II2IV1<\/i> (2011)
\nSch\u00e4fer E, Seelert H, Reifschneider NH, Krause F, Dencher NA, Vonck J Architecture of active mammalian respiratory chain supercomplexes<\/i> (2017)
\nPangborn M Isolation and purification of a serologically active phospholipid from beef heart<\/i> (1942)<\/span><\/p>\n

Ci-dessus, j\u2019ai \u00e9num\u00e9r\u00e9 les complexes dans l\u2019ordre dans lequel ils interviennent entre le point d\u2019entr\u00e9e dans la cha\u00eene respiratoire (NADH) et le point de sortie (l\u2019oxyg\u00e8ne apport\u00e9 par la respiration pulmonaire). Pour d\u00e9terminer cet ordre, on a utilis\u00e9 deux approches exp\u00e9rimentales: (i) la mesure des potentiels redox des groupes prosth\u00e9tiques ; le r\u00e9sultat a permis le classement des complexes par ordre de potentiel d\u00e9croissant; (ii) l’utilisation d’agents d\u00e9couplants (antimicyne A, rot\u00e9none, cyanure, amytal) qui permet de dissocier le transfert d\u2019\u00e9lectrons de la synth\u00e8se d\u2019ATP; ils interrompent le transfert des \u00e9lectrons en un point d\u00e9fini de la cha\u00eene respiratoire (l\u2019antimicyne A, par exemple, interrompt le flux d\u2019\u00e9lectrons entre le NADH et l\u2019ubiquinone). Le grand sp\u00e9cialiste de la mesure des proportions de forme oxyd\u00e9e et de forme r\u00e9duite des transporteurs \u00e9tait le physico-chimiste Britton Chance (E. R. Johnson Foundation, The University of Pennsylvania<\/i>). Dans les ann\u00e9es 1960, il perfectionna les techniques d\u2019analyse non invasives de mat\u00e9riel biologique (r\u00e9sonance magn\u00e9tique nucl\u00e9aire, spectroscopie et fluorom\u00e9trie) et mit au point d\u2019\u00e9l\u00e9gantes techniques spectroscopiques de mesure des formes oxyd\u00e9es et r\u00e9duites. L\u2019addition d\u2019inhibiteurs modifiait ces proportions. Accessoirement, Chance, qui \u00e9tait un passionn\u00e9 de navigation \u00e0 voile, remporta une m\u00e9daille d\u2019or aux Jeux olympiques d\u2019Helsinki, en 1952.<\/p>\n

La liaison fonctionnelle entre complexes est assur\u00e9e par des transporteurs d’\u00e9lectrons mobiles : le coenzyme Q entre les complexes I et III ; le cytochrome c<\/i>, dans l’espace intermembranaire, entre les complexe III et IV. Le passage des \u00e9lectrons d\u2019un complexe au suivant s’accompagne d’une diminution graduelle de l’\u00e9nergie libre stock\u00e9e, ce qui correspond \u00e0 une augmentation du potentiel redox E\u00b0. Si la diminution de E\u00b0 d\u00e9passe le seuil de 300 millivolts, l’\u00e9nergie lib\u00e9r\u00e9e permet le pompage de protons de la matrice vers l’espace intermembranaire (les complexes I, III et IV sont des oxydo r\u00e9ductases-pompes \u00e0 protons).<\/p>\n

<\/a>Bilan<\/b><\/span><\/h4>\n

Etablissons le bilan \u00e9nerg\u00e9tique de la cha\u00eene respiratoire. Au point d\u2019entr\u00e9e de la cha\u00eene respiratoire, le complexe I catalyse la r\u00e9action redox :<\/p>\n

NADH + H+<\/sup> ➔ NAD+<\/sup> + 2 H+<\/sup> + 2 e–<\/sup> (E0<\/sup> = -0,32V)<\/p>\n

A la sortie de la cha\u00eene respiratoire, le complexe IV catalyse la r\u00e9action redox :<\/p>\n

1\/2 O2<\/sub> + 2 H+<\/sup> + 2 e–<\/sup> ➔ H2<\/sub>O (E0<\/sup> = +0,82V)<\/p>\n

soit, en additionant les deux r\u00e9actions :<\/p>\n

NADH + H+<\/sup> + 1\/2 O2<\/sub> ➔ NAD+<\/sup> + H2<\/sub>O<\/p>\n

avec une diff\u00e9rence de potentiel de r\u00e9duction standard :<\/p>\n

ΔE0<\/sup> = +1,14V<\/p>\n

ce qui correspond \u00e0 une variation d\u2019\u00e9nergie libre standard :<\/p>\n

ΔG0<\/sup> = -220kJ.mol-1<\/sup><\/p>\n

Cette quantit\u00e9 d’\u00e9nergie est th\u00e9oriquement suffisante pour synth\u00e9tiser 7 mol\u00e9cules d\u2019ATP (par l’ATP synthase). Chaque fois qu’au sein d’une oxydase-pompe \u00e0 protons le saut d\u2019\u00e9nergie \u00e9lectrique est sup\u00e9rieur ou \u00e9gal \u00e0 300 millivolts, des protons sont transf\u00e9r\u00e9s de la matrice vers l\u2019espace intermembranaire. C\u2019est ainsi que pour chaque mol\u00e9cule de NADH entrant dans la cha\u00eene respiratoire, dix protons sont pomp\u00e9s, cr\u00e9ant un potentiel de membrane.<\/p>\n

<\/a>Synth\u00e9tiser de l\u2019ATP<\/b><\/span><\/h4>\n

La d\u00e9couverte de la relation entre la cha\u00eene respiratoire et les oxydations phosphorylantes date de la fin des ann\u00e9es 1940. Dans les mitochondries, les chloroplastes et chez certaines bact\u00e9ries, l\u2019\u00e9nergie d\u2019\u00e9lectrons extraits des nutriments est utilis\u00e9e pour synth\u00e9tiser de l\u2019ATP. Lorsque la cha\u00eene respiratoire est aliment\u00e9e en \u00e9lectrons, de l\u2019ATP est synth\u00e9tis\u00e9. Au c\u0153ur de ce processus, il y a un complexe membranaire, l\u2019ATP synthase, une \u00ab Splendid Molecular Machine<\/i> \u00bb, comme l\u2019appelait Paul D. Boyer. Il fallut plus d\u2019un demi si\u00e8cle pour comprendre comment fonctionne ce syst\u00e8me de conversion d\u2019\u00e9nergie osmotique en \u00e9nergie chimique, comment l\u2019ATP synthase utilise la force proton-motrice pour faire de l\u2019ATP. La synth\u00e8se d\u2019ATP \u00e0 partir d\u2019ADP et de phosphate inorganique (Pi ou P)<\/p>\n

ADP + P ➔ ATP + H2<\/sub>O<\/p>\n

est une r\u00e9action thermodynamiquement d\u00e9favorable. On dit qu\u2019elle est endergonique ; la variation d\u2019\u00e9nergie libre \u0394G > 0 est positive. Elle ne devient possible que si elle est coupl\u00e9e \u00e0 une r\u00e9action thermodynamiquement favorable :<\/p>\n

X~P + H2<\/sub>O ➔ X + P<\/p>\n

La liaison riche en \u00e9nergie d\u2019hydrolyse est symbolis\u00e9e par le signe ~. La r\u00e9action ci-dessus est exergonique ; sa variation d\u2019\u00e9nergie libre est n\u00e9gative : \u0394G < 0. Lorsque les deux r\u00e9actions sont coupl\u00e9es, la mol\u00e9cule d\u2019eau n\u2019apparait plus dans l\u2019\u00e9change :<\/p>\n

X~P + ADP ➔ X + ATP<\/p>\n

Si la variation d\u2019\u00e9nergie libre \u0394G des deux r\u00e9actions est n\u00e9gative et d\u2019ampleur suffisante, de l\u2019ATP est synth\u00e9tis\u00e9. Les compos\u00e9s X~P du m\u00e9tabolisme interm\u00e9diaire sont le plus souvent les produits d\u2019est\u00e9rification d\u2019un thiol (R-SH) et d\u2019un acide carboxylique (R-COOH). Le compos\u00e9 r\u00e9sultant poss\u00e9de une liaison thioester (-CO-S-) \u00ab riche en \u00e9nergie \u00bb dont l\u2019hydrolyse lib\u00e8re 14 kcal par mol\u00e9cule-gramme, la m\u00eame quantit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie que l\u2019hydrolyse de la liaison pyrophosphate terminale de l\u2019ATP. Un \u00ab interm\u00e9diaire riche en \u00e9nergie \u00bb fut identifi\u00e9 par Efra\u00efm Racker (New York University Medical School<\/i>) dans la r\u00e9action de conversion d\u2019un diald\u00e9hyde, le glyoxal ou \u00e9thanedial : CHO-CHO en acide glycolique (acide hydroxy ac\u00e9tique) : CHOH-COOH, catalys\u00e9e par la glyoxalase. Il s\u2019agissait d\u2019un d\u00e9riv\u00e9 carboxyl\u00e9 du pseudo-tripeptide glutathion (glutamyl-cyst\u00e9inyl-glycine) poss\u00e8dant une liaison thioester :<\/p>\n

R-SH + COOH-CHOH ➔ R-S-COO-CHOH<\/p>\n

Dans la r\u00e9action ci-dessus (non \u00e9quilibr\u00e9e) R-SH est le glutathion. Des d\u00e9riv\u00e9s de thiols et d\u2019acides carboxyliques interviennent dans d\u2019autres voies m\u00e9taboliques comme la glycolyse, le cycle de l\u2019acide citrique, le cycle du glyoxylate\u2026<\/p>\n

En 1897, Hans E.A. Buchner proposa d\u2019ajouter du saccharose \u00e0 des broyats de levure, pr\u00e9par\u00e9s par le chimiste Martin Hahn, pour am\u00e9liorer leur conservation. Eduard Buchner, le fr\u00e8re de Hans, observa que l\u2019addition de sucre provoquait une fermentation qu\u2019il attribua \u00e0 la pr\u00e9sence d\u2019un \u00ab ferment actif \u00bb, baptis\u00e9 \u00ab zymase \u00bb. C\u2019\u00e9tait le premier jalon dans la d\u00e9couverte de la glycolyse ana\u00e9robie, la premi\u00e8re voie m\u00e9tabolique \u00e0 \u00eatre \u00e9lucid\u00e9e. Au cours de ce processus, pr\u00e9sent chez les bact\u00e9ries, les myc\u00e8tes, les v\u00e9g\u00e9taux et les animaux, du sucre est transform\u00e9 en alcool ou en acide lactique et de l\u2019ATP est synth\u00e9tis\u00e9 sans intervention (apparente) d\u2019oxyg\u00e8ne. Les travaux d\u2019Eduard Buchner (prix Nobel de chimie en 1907), de Carl F. et Gerty T. Cori, de Gustav G. Embden, d\u2019Otto H. Meyerhof, de Jacob K. Parnas, de Carl Neuberg et d\u2019Otto Warburg aboutirent \u00e0 l\u2019\u00e9lucidation des dix \u00e9tapes de ce processus fondamental chez tous les \u00eatres vivants. Le produit final de la glycolyse varie selon les conditions pr\u00e9valant dans le cytosol des cellules eucaryotes : en a\u00e9robiose, le produit final est une mol\u00e9cule de pyruvate (en r\u00e9alit\u00e9 deux par mol\u00e9cule de glucose) qui entre dans le cycle de Krebs sous forme d\u2019ac\u00e9tyl-CoA ; en ana\u00e9robiose, le pyruvate est transform\u00e9 en lactate (fermentation lactique dans les muscles), ou en alcool (fermentation alcoolique chez les levures).<\/p>\n

C\u2019est en \u00e9tudiant le mode de r\u00e9cup\u00e9ration de l\u2019\u00e9nergie dans la glycolyse que Paul D. Boyer (Molecular Biology Institute, University of California, Los Angeles<\/i>) et Efra\u00efm Racker et Isidore Krimsky mirent en \u00e9vidence, en 1952, l\u2019intervention d\u2019un interm\u00e9diaire enzymatique acyl\u00e9. Au cours de l\u2019\u00e9tape VI, le groupe ald\u00e9hyde du glyc\u00e9rald\u00e9hyde 3-phosphate est oxyd\u00e9 en groupe carboxylate du 3-phosphoglyc\u00e9rate, catalys\u00e9e par la glyc\u00e9rald\u00e9hyde-3-phosphate d\u00e9shydrog\u00e9nase, la seule oxydo-r\u00e9ductase (ou transf\u00e9rase d\u2019\u00e9lectrons) de la voie m\u00e9tabolique. La r\u00e9action se d\u00e9roule en deux \u00e9tapes au cours desquelles deux interm\u00e9diaires r\u00e9actionnels covalents interviennent : (i) un premier interm\u00e9diaire se forme lorsque le groupe sulfidryl d\u2019un r\u00e9sidu cyst\u00e9ine du site catalytique de de la glyc\u00e9rald\u00e9hyde 3-phosphate d\u00e9shydrog\u00e9nase est acyl\u00e9 par le groupe carbonyl du glyc\u00e9rald\u00e9hyde 3-phosphate (catalyse covalente) ; cet interm\u00e9diaire enzymatique acyl\u00e9 est attaqu\u00e9 par une mol\u00e9cule de phosphate inorganique avec formation de 1,3-bis-phosphoglyc\u00e9rate. C\u2019\u00e9tait la premi\u00e8re fois que l\u2019on mettait en \u00e9vidence le r\u00f4le jou\u00e9 par une liaison thiol-ester. (ii) un second interm\u00e9diaire phosphoryl\u00e9 se forme lors du tranfert d\u2019un groupe phosphoryl sur l\u2019ADP. La synth\u00e8se d\u2019ATP est rendue possible gr\u00e2ce \u00e0 l\u2019\u00e9nergie lib\u00e9r\u00e9e par l\u2019hydrolyse de la liaison anhydride mixte d\u2019acide phosphorique et d\u2019acide carboxylique sur le carbone C1<\/sub> du 1,3-bis-phosphoglyc\u00e9rate. La diff\u00e9rence de potentiel entre le couple redox glyc\u00e9rald\u00e9hyde phosphate\/acide phosphoglyc\u00e9rique et le couple redox :<\/p>\n

NAD+<\/sup> + 2H+<\/sup> + 2e–<\/sup> ↔ NADH + H+<\/sup><\/p>\n

sup\u00e9rieure \u00e0 300 millivolts, permet la synth\u00e8se \u00e9lectrochimique d\u2019une mol\u00e9cule d\u2019ATP (deux par mol\u00e9cule de glucose). En 1953, Edward C. Slater (Department van Biochemie, Universiteit van Amsterdam<\/i>), Boyer et d\u2019autres biochimistes se tourn\u00e8rent vers un m\u00e9canisme similaire mettant en jeu deux interm\u00e9diaires covalents pour la synth\u00e8se d\u2019ATP dans les mitochondries. L\u2019hypoth\u00e8se du couplage chimique avec un interm\u00e9diaire riche en \u00e9nergie, ou hypoth\u00e8se \u00ab chimio-chimique \u00bb orienta les recherches des biochimistes pendant deux d\u00e9cades.<\/p>\n

 <\/p>\n\n\n\n\n
\"chap4-4\"<\/a><\/td>\n<\/tr>\n
Phosphorylation au niveau du substrat dans la glycolyse.<\/b> La glyc\u00e9rald\u00e9hyde 3-phosphate d\u00e9shydrog\u00e9nase (G3PDH) catalyse l\u2019oxydation du glyc\u00e9rald\u00e9hyde 3-phosphate (G3P) en 1,3-bis-phosphoglyc\u00e9rate (mol\u00e9cule de gauche). La phosphoglyc\u00e9rate kinase catalyse le transfert du groupe phosphoryl du carbone C1 sur une mol\u00e9cule d\u2019ADP, avec r\u00e9cup\u00e9ration de l\u2019\u00e9nergie de la liaison anhydride mixte d\u2019acide, et formation d\u2019une mol\u00e9cule d\u2019ATP et de 3-phosphoglyc\u00e9rate (mol\u00e9cule de droite). Les deux r\u00e9actions sont coupl\u00e9es.<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

 <\/p>\n

Dans le laboratoire de Carl et Gerty Cori (Washington University School of Medicine<\/i>), Mildred Cohn, pionni\u00e8re de l\u2019emploi des radioisotopes en biologie, montra en 1963 qu\u2019en pr\u00e9sence de mitochondries s\u2019op\u00e8re un \u00e9change rapide d\u2019oxyg\u00e8ne (18<\/sup>O) entre le phosphate inorganique et l\u2019eau. Boyer s\u2019inspira d\u2019un protocole exp\u00e9rimental similaire avec 18<\/sup>O et 32<\/sup>P et montra que l\u2019ensemble des oxydations phosphorylantes \u00e9tait r\u00e9versible. Il attribua l\u2019\u00e9change rapide d\u2019oxyg\u00e8ne \u00e0 l\u2019hydrolyse d\u2019un interm\u00e9diaire covalent riche en \u00e9nergie par du phosphate inorganique. Le domaine F1<\/sub> de l\u2019ATP synthase catalyse la r\u00e9action r\u00e9versible :<\/p>\n

ADP + Pi ↔ ATP + H2<\/sub>O<\/p>\n

comme le montre le calcul des constantes d\u2019\u00e9quilibre des vitesses de synth\u00e8se et d\u2019hydrolyse. Lorsque la r\u00e9action ci-dessus fonctionne dans le sens de l\u2019hydrolyse d\u2019ATP en pr\u00e9sence d\u2019oxyg\u00e8ne, le Pi peut incorporer jusqu\u2019\u00e0 quatre atome d\u201918<\/sup>O. En faisant abstraction des nucl\u00e9otides, dans la r\u00e9action :<\/p>\n

Pi ↔ HOH<\/p>\n

l’\u00e9change d\u201918<\/sup>O refl\u00e9te quantitativement la vitesse de formation et d\u2019hydrolyse de l\u2019ATP. Avec le complexe F1<\/sub>, l’\u00e9change se d\u00e9roule sans apport d\u2019\u00e9nergie. Avec des particules submitochondriales (complexe Fo<\/sub>F1<\/sub>), l’\u00e9change se d\u00e9roule en pr\u00e9sence d\u2019agents d\u00e9couplants. L\u2019incorporation de plusieurs atomes d\u201918<\/sup>O dans Pi r\u00e9v\u00e8le que la liaison \u03b3\u2212pyrophosphate a \u00e9t\u00e9 hydrolys\u00e9e et reform\u00e9e plusieurs fois. D\u2019autre part, la vitesse d\u2019\u00e9change d\u201918<\/sup>O est plus \u00e9lev\u00e9e que la vitesse de r\u00e9versibilit\u00e9 de la r\u00e9action, ce qui est compatible avec l\u2019intervention d\u2019un interm\u00e9diaire covalent dont le clivage par une mol\u00e9cule de Pi donnerait de l\u2019ATP. Il fallut plus d\u2019une d\u00e9cennie pour comprendre que cette interpr\u00e9tation n’\u00e9tait pas la bonne et que l\u2019\u00e9change d\u2019oxyg\u00e8ne \u00e9tait d\u00fb au relargage d\u2019une mol\u00e9cule d\u2019ATP fix\u00e9e sur un site catalytique de l\u2019ATP synthase.<\/p>\n

Dans les ann\u00e9es 1960, Boyer poursuivi sa qu\u00eate infructueuse en caract\u00e9risant une prot\u00e9ine mitochondriale fixant du 32<\/sup>P sur un r\u00e9sidu histidine et servant d\u2019interm\u00e9diaire entre le phosphate inorganique et l\u2019ATP. Il ne s\u2019agissait pas de l\u2019interm\u00e9diaire des oxydations phosphorylantes recherch\u00e9 mais d\u2019un interm\u00e9diaire de la succinyl CoA synthetase qui, dans le cycle de Krebs, synth\u00e9tise de l\u2019ATP (ou du GTP) \u00e0 partir d\u2019un nucl\u00e9otide diphosphate et de Pi.<\/p>\n

<\/a>Hypoth\u00e8se chimio-osmotique<\/b><\/span><\/h4>\n

\u00ab Max Planck (\u2026) remarked that a new scientific idea does not triumph by convincing its opponents, but rather because its opponents eventually die. \u00bb<\/i><\/p>\n

Peter Mitchell<\/i><\/i><\/p>\n

Le ton vengeur de la phrase de Peter Mitchell cit\u00e9e en exergue est une cons\u00e9quence de l\u2019opposition qu\u2019il dut affronter lorsqu\u2019il pr\u00e9senta son hypoth\u00e8se chimio-osmotique. En biologie, de grandes d\u00e9couvertes qui ont radicalement chang\u00e9 le cours de nos connaissances ont souvent fait l\u2019objet de publications de taille modeste. En 1953, la description de la structure en double h\u00e9lice de l\u2019ADN par James Watson et Francis Crick fit l\u2019objet d\u2019un article de deux pages dans la revue Nature. Ce fut \u00e9galement le cas pour l\u2019article de Peter D. Mitchell, dans lequel il critiquait l\u2019hypoth\u00e8se chimio-chimique en faisant remarquer que les enzymes de la glycolyse ana\u00e9robie sont des prot\u00e9ines cytosoliques, donc solubles alors que les complexes de la voie respiratoire d\u00e9pendent pour leur fonctionnement de l\u2019int\u00e9grit\u00e9 de la membrane ; toute alt\u00e9ration m\u00e9canique ou chimique (d\u00e9tergents) de la membrane mitochondriale interne supprime le transport des \u00e9lectrons et la synth\u00e8se d\u2019ATP. Mitchell mettait en doute l\u2019intervention d\u2019un interm\u00e9diaire chimique. D\u00e9passant le stade de la critique, il proposa une \u00e9l\u00e9gante hypoth\u00e8se m\u00e9canistique. L\u2019\u00e9nergie n\u00e9cessaire \u00e0 la synth\u00e8se d\u2019ATP proviendrait d\u2019une force proton-motrice cr\u00e9\u00e9e par un gradient de concentration en protons de part et d\u2019autre de la membrane interne ; un m\u00e9canisme analogue \u00e0 la chimio-osmose (diffusion de mol\u00e9cules d\u2019eau \u00e0 travers une membrane) utiliserait l\u2019\u00e9nergie cin\u00e9tique du passage de protons \u00e0 travers la membrane ; ce passage se ferait \u00e0 travers le complexe de l\u2019ATP synthase et l\u2019\u00e9nergie lib\u00e9r\u00e9e par le flux des protons vers la matrice mitochondriale serait coupl\u00e9e \u00e0 la synth\u00e8se d\u2019ATP. L\u2019hypoth\u00e8se chimio-osmotique provoqua un scepticisme g\u00e9n\u00e9ral dans la communaut\u00e9 des \u00ab mitochondriaques \u00bb. Ceux-ci consid\u00e9raient avec suspicion tout ce qui venait de Mitchell, ce franc-tireur de la biochimie qui finan\u00e7ait lui-m\u00eame ses recherches (avec l\u2019argent de sa femme) sans recourir \u00e0 l\u2019argent public. Avec sa collaboratrice Jennifer Moyle, ce scientifique hors normes avait fond\u00e9 une structure de recherche priv\u00e9e : les Glynn Research Laboratories<\/i>. Au fil du temps, des r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux \u00e9tayant l\u2019hypoth\u00e8se chimio-osmotique furent publi\u00e9s. Mitchell et Moyle d\u00e9montr\u00e8rent une corr\u00e9lation entre le d\u00e9placement des \u00e9lectrons le long de la cha\u00eene de respiratoire et le pompage de protons de la matrice vers l\u2019espace intermembranaire.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences: Mitchell PD Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism<\/i> (1961)
\nMitchell PD, Moyle J Stoichiometry of proton translocation through the respiratory chain and adenosine triphosphatase systems of rat liver mitochondria<\/i> (1965)<\/span><\/p>\n

L\u2019appellation \u00ab ad\u00e9nosine triphosphatase \u00bb dans le titre de l\u2019article de Mitchell et Moyle rappelle que le fonctionnement du complexe est r\u00e9versible ; il fonctionne comme une ATP synthase lorsque les protons passent de l\u2019espace intermembranaire vers la matrice, et comme une ATPase lorsque les protons suivent le chemin inverse.<\/p>\n

Alors qu\u2019il s\u00e9journait dans le laboratoire d\u2019Efra\u00efm Racker (Biochemistry Department, Cornell University<\/i>), Andr\u00e9 T. Jagendorf (College of Agriculture and Life Sciences, Cornell University<\/i>) prit connaissance de l\u2019hypoth\u00e8se de Mitchell. Il la transposa au cas de la photophosphorylation avec synth\u00e8se d\u2019ATP dans les chloroplastes (voir le chapitre \u00ab Chloroplastes \u00bb). En 1966, Jagendorf et Ernest G. Uribe purifi\u00e8rent des thylako\u00efdes de feuilles d\u2019\u00e9pinard et les incub\u00e8rent \u00e0 l\u2019obscurit\u00e9 dans une solution de pH acide ; les protons franchirent la membrane par diffusion passive et s\u2019accumul\u00e8rent dans les disques jusqu\u2019\u00e0 l\u2019\u00e9quilibre avec le milieu. Lorsque les thylako\u00efdes charg\u00e9s en protons furent incub\u00e9s dans l\u2019obscurit\u00e9, dans une solution de pH plus \u00e9lev\u00e9, en pr\u00e9sence d\u2019ADP et de 32<\/sup>Pi, Jagendorf et Uribe observ\u00e8rent une accumulation d\u2019AT32<\/sup>P dans le stroma ; le rel\u00e2chement des protons s\u2019accompagnait d\u2019une synth\u00e8se d\u2019ATP. Walther Stoeckenius (University of California, San Francisco<\/i>) et Ephra\u00efm Racker s\u2019associ\u00e8rent pour pr\u00e9parer des liposomes dans la membrane desquels ils ins\u00e9r\u00e8rent de la bact\u00e9riorhodopsine et la F1<\/sub>Fo<\/sub>-ATPase. Racker et ses collaborateurs ma\u00eetrisaient les techniques de purification de l\u2019ATPase de c\u0153ur de b\u0153uf et de pr\u00e9paration des liposomes. Le succ\u00e8s de l\u2019exp\u00e9rience reposait sur le bon vouloir des deux prot\u00e9ines \u00e0 adopter l\u2019orientation correcte au moment de leur insertion in vitro dans la membrane liposomiale. Et le miracle se produisit ! Apr\u00e8s \u00e9clairement, des protons furent pomp\u00e9s dans les liposomes ; en pr\u00e9sence d\u2019ADP et de Pi dans le milieu, de l\u2019ATP fut synth\u00e9tis\u00e9 !<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences: Jagendorf AT, Uribe EG ATP formation caused by acid-base transition of spinach chloroplasts<\/i> (1966)
\nRacker E, Stoeckenius W Reconstitution of purple membrane vesicle catalyzing light-driven proton uptake and adenosine triphosphate formation<\/i> (1974)<\/span><\/p>\n

En 1977, le mod\u00e8le chimio-osmotique de Peter Mitchell \u00e9tait \u00e0 peu pr\u00e8s unanimement accept\u00e9. L’\u00e9nergie lib\u00e9r\u00e9e par le transport d\u2019\u00e9lectrons dans la cha\u00eene respiratoire mitochondriale, dans les photosyst\u00e8mes chloroplastiques ou par la bact\u00e9riorhodopsine membranaire est utilis\u00e9e pour pomper des protons \u00e0 travers une membrane (imperm\u00e9able aux protons) avec g\u00e9n\u00e9ration d’un potentiel \u00e9lectrostatique. L\u2019\u00e9nergie g\u00e9n\u00e9r\u00e9e par le retour des protons \u00e0 travers le complexe membranaire de l\u2019ATP synthase produit de l’ATP. Le vainqueur de la \u00ab Great Chemi-osmotic War<\/i> \u00bb (selon l\u2019expression d\u2019un concurent malheureux) re\u00e7ut le prix Nobel de Chimie en 1978. Restait \u00e0 \u00e9lucider le m\u00e9canisme de fonctionnement de l\u2019ATP synthase. Mitchell proposa une interaction directe entre le flux de protons et le site catalytique de l\u2019enzyme ; la r\u00e9alit\u00e9 allait se r\u00e9v\u00e9ler bien plus sophistiqu\u00e9e.<\/p>\n

Avec le concept de la catalyse rotationnelle, Paul D. Boyer proposa un mod\u00e8le tr\u00e8s diff\u00e9rent de celui de Mitchell. L\u2019\u00e9nergie d\u00e9livr\u00e9e par le flux de protons provoquerait un changement de conformation du site catalytique de l\u2019ATP synthase, d\u00e9tachant ainsi une mol\u00e9cule d\u2019ATP fermement li\u00e9e \u00e0 ce site. Cette hypoth\u00e8se lui fut inspir\u00e9e par le mod\u00e8le de la myosine. Les mouvements cellulaires sont rendus possible par l’interaction de deux prot\u00e9ines filamenteuses : l’actine et la myosine. La myosine est un complexe prot\u00e9ique abondant dans le cytoplasme des cellules contractiles des muscles lisses et des muscles stri\u00e9s. Elle est form\u00e9e de deux cha\u00eenes lourdes (2.000 r\u00e9sidus d\u2019acides amin\u00e9s) comprenant, de l’extr\u00e9mit\u00e9 carboxy-terminale \u00e0 l’extr\u00e9mit\u00e9 amino-terminale, la queue – des h\u00e9lices \u03b1 surenroul\u00e9es, sauf \u00e0 leurs extr\u00e9mit\u00e9s carboxy-terminales -, le cou – deux cha\u00eenes l\u00e9g\u00e8res associ\u00e9es \u00e0 chacune des deux cha\u00eenes lourdes -, et la t\u00eate – deux domaines globulaires. L\u2019ensemble a la forme d’un b\u00e2tonnet de 180 nanom\u00e8tres de long. Le domaine globulaire est un moteur mol\u00e9culaire poss\u00e9dant un \u00ab site nucl\u00e9otides \u00bb (ATP ou ADP + Pi) et un \u00ab site actine \u00bb. L\u2019actine globulaire (actine G) est associ\u00e9e \u00e0 un cation divalent (Ca2+<\/sup> ou Mg2+<\/sup>) et \u00e0 une mol\u00e9cule d\u2019ATP dont l\u2019hydrolyse d\u00e9clenche l\u2019association des mol\u00e9cules d’actine G en ploym\u00e8re h\u00e9lico\u00efdal d\u2019actine filamenteuse (actine F). La progression de la myosine le long des filaments d’actine se fait par l’interm\u00e9diaire de ses domaines globulaires. Les t\u00eates de myosine ayant fix\u00e9 une mol\u00e9cule d’ADP + Pi sont en \u00ab configuration haute \u00e9nergie \u00bb, li\u00e9es au filament d\u2019actine. Apr\u00e8s relarge d\u2019ADP + Pi la t\u00eate revient en \u00ab configuration basse \u00e9nergie \u00bb et le filament d\u2019actine coulisse par rapport \u00e0 celui de myosine. La fixation d’une mol\u00e9cule d\u2019ATP par les domaines globulaires de la myosine entra\u00eene un changement conformationnel qui les d\u00e9tache du filament d’actine. Les cin\u00e9tiques de la r\u00e9action d\u2019\u00e9change<\/p>\n

Pi ↔ HOH<\/p>\n

dans l\u2019ATPase des t\u00eates de la myosine et l\u2019ATP synthase pr\u00e9sentent des analogies. Boyer en d\u00e9duisit que l’ATP synthase devait avoir un \u00ab site nucl\u00e9otide \u00bb analogue \u00e0 celui de la myosine. Il proposa un concept catalytique dans lequel l\u2019\u00e9nergie d\u00e9livr\u00e9e par le flux de protons provoquerait un changement de conformation du site catalytique de l\u2019ATP synthase, ce qui aurait pour effet de d\u00e9tacher une mol\u00e9cule d\u2019ATP fermement li\u00e9e au site nucl\u00e9otide.<\/p>\n

L’hypoth\u00e8se de la catalyse conformationnelle, publi\u00e9e en 1973 par Paul Boyer, Richard L. Cross et William Momsen, rencontra d\u2019embl\u00e9e une certaine opposition ; elle fut r\u00e9fut\u00e9e par Peter Mitchell et l\u2019article fut refus\u00e9 par le Journal of Biological Chemistry<\/i> ! Boyer \u00e9tant membre de la National Academy of Sciences<\/i>, il r\u00e9ussit \u00e0 le faire accepter par les Proceedings<\/i> de cette soci\u00e9t\u00e9 sous le titre : \u00ab A New Concept for Energy Coupling in Oxidative Phosphorylation Based on a Molecular Explanation of the Oxygen Exchange<\/i> \u00bb. Tenant compte des critiques formul\u00e9es par Mitchell, Boyer publia en 1975 une version plus \u00e9labor\u00e9e de son hypoth\u00e8se. Je n\u2019entrerai pas dans le d\u00e9tail des exp\u00e9riences de cin\u00e9tique enzymatique r\u00e9alis\u00e9es par les collaborateurs de Boyer. Ce qui finit par imposer son hypoth\u00e8se, c’est qu\u2019un certain nombre d\u2019anomalies \u00e9taient difficilement explicables dans le cadre de la cin\u00e9tique classique des enzymes solubles. Par exemple : (i) en absence d\u2019ADP dans le milieu d\u2019incubation, l\u2019ATP ne se d\u00e9tachait pas ; (ii) en absence d\u2019ATP dans le milieu d\u2019incubation, la r\u00e9action :<\/p>\n

ADP + P ➔ ATP + H2<\/sub>O<\/p>\n

s\u2019arr\u00eatait. Celik Kayalar, dans le laboratoire de Paul Boyer, proposa d\u2019expliquer l\u2019une de ces anomalies en faisant appel au concept de coop\u00e9rativit\u00e9, c\u2019est-\u00e0-dire en supposant que le comportement du site ATP \u00e9tait influenc\u00e9 par un site ADP + Pi voisin. Le concept de r\u00e9gulation allost\u00e9rique de l’activit\u00e9 enzymatique, propos\u00e9 au milieu des ann\u00e9es 1960 par Jacques Monod, Jean-Pierre Changeux et Jeffries Wyman (Institut Pasteur, Paris), met en jeu des prot\u00e9ines oligom\u00e9riques form\u00e9es de protom\u00e8res symm\u00e9triquement semblables. Chaque protom\u00e8re poss\u00e9de un site catalytique fixant le substrat, un site allost\u00e9rique fixant un agoniste et un cycle inhibiteur ; la fixation de l\u2019agoniste sur le site allost\u00e9rique provoque un changement de conformation du protom\u00e8re dont le site actif peut fixer le substrat. Nous verrons plus loin que le changement de conformation subi par le site catalytique de l\u2019ATP synthase ne r\u00e9pond pas exactement \u00e0 ce mod\u00e8le. En 1977, Celik Kayalar et Jan Rosing propos\u00e8rent un mod\u00e8le pour l\u2019ATP synthase de particules sub-mitochondriales \u00e0 (au moins) deux sites catalytiques agissant de mani\u00e8re s\u00e9quentielle et coop\u00e9rative. En 1981, Boyer pr\u00e9senta le postulat de la catalyse conformationnelle aux Gordon Research Conferences<\/i>. Le mod\u00e8le \u00e0 trois sites catalytiques fut propos\u00e9 l\u2019ann\u00e9e suivante par Paul Boyer, Michael J. Gresser et Jill A. Myers dans un article intitul\u00e9 \u00ab Catalytic site cooperativity of beef heart mitochondrial F1 adenosine triphosphatase. Correlations of initial velocity, bound intermediate, and oxygen exchange measurements with an alternating three-site mode<\/i> \u00bb. Les trois sites, dispos\u00e9s en cercle, subissent des changements successifs de conformation (nous verrons plus loin comment). L\u2019apport \u00e9nerg\u00e9tique du flux de protons permet la fixation d\u2019ADP+Pi sur un site et le relargage d\u2019ATP fortement fix\u00e9 sur un autre site.<\/p>\n

<\/a>Le mod\u00e8le exp\u00e9rimental de la bact\u00e9riorhodopsine<\/b><\/span><\/h4>\n

Halobacterium<\/i> est une Arch\u00e9e vivant dans les milieux \u00e0 forte concentration en sels. Elle tire son \u00e9nergie de la capture de photons solaires par la bact\u00e9riorhopsine, une prot\u00e9ine de 26 kilodaltons comportant 7 h\u00e9lices \u03b1 transmembranaires. En 1971, Walther Stoeckenius et Dieter Oesterhelt (Universit\u00e9 de Californie, San diego) montr\u00e8rent que la bact\u00e9riorhodopsine est une pompe \u00e0 protons. Elle poss\u00e8de un chromophore, le r\u00e9tinal, qui conf\u00e8re \u00e0 la membrane d’Halobacterium<\/i> sa couleur pourpre. L’absorbtion d’un photon de couleur verte fait passer le r\u00e9tinal \u00e0 l’\u00e9tat excit\u00e9 (isom\u00e9risation cis\/trans<\/i>). La bact\u00e9riorhopsine prend alors la conformation d’une pompe \u00e0 protons active. Lorsqu\u2019il est \u00e9clair\u00e9, Halobacterium halobium<\/i> \u00e9jecte des protons dans le milieu, cr\u00e9ant ainsi un gradient \u00e9lectrochimique pouvant atteindre 300 millivolts. Les protons \u00e9ject\u00e9s reviennent dans la cellule en empruntant un canal traversant une ATP synthase membranaire. L’\u00e9nergie lib\u00e9r\u00e9e par le passage des protons est coupl\u00e9e \u00e0 une synth\u00e8se d\u2019ATP.<\/p>\n

La bact\u00e9riorhopsine forme, dans la membrane plasmique d\u2019Halobacterium<\/i>, des amas de mol\u00e9cules compact\u00e9es en cristal bidimensionnel. Cet arrangement est suffisamment ordonn\u00e9 pour permettre l’\u00e9tude de la structure cristallographique aux rayons X. L’\u00e9tude d’Halobacterium halobium<\/i> a fourni des \u00e9claircissements sur le m\u00e9canisme de conservation de l’\u00e9nergie coupl\u00e9 \u00e0 un transport unidirectionnel de protons, \u00e0 travers une membrane, contre un gradient \u00e9lectrostatique. Les m\u00e9canismes chez Halobacterium<\/i> et dans la membrane mitochondriale interne pr\u00e9sentent des diff\u00e9rences : (i) dans le cas de la bact\u00e9riorhopsine l\u2019\u00e9nergie n\u00e9cessaire au transfert de protons est fournie par l\u2019isom\u00e9risation cis\/trans<\/i> du r\u00e9tinal ayant absorb\u00e9 un photon ; pour les oxydor\u00e9ductases mitochondriales, l\u2019\u00e9nergie est lib\u00e9r\u00e9e par les ch\u00fbtes de potentiels entre deux transporteurs d\u2019\u00e9lectrons. Les transporteurs sont assembl\u00e9s dans la cha\u00eene respiratoire par ordre de potentiel redox d\u00e9croissant. (ii) La bact\u00e9riorhodopsine est une mol\u00e9cule de taille modeste (26 kilodaltons) ; les oxydor\u00e9ductases mitochondriales sont des complexes de grande taille : 240 kilodaltons pour le monom\u00e8re du complexe des cytochromes bc<\/i>1<\/sub> ou de la cytochrome oxydase. En d\u00e9pit de ces diff\u00e9rences, le m\u00e9canisme du pompage des protons reste essentiellement le m\u00eame. Dans la bact\u00e9riorhodopsine, les r\u00e9sidus d\u2019acides amin\u00e9s impliqu\u00e9s ont \u00e9t\u00e9 identifi\u00e9s : deux aspartates, deux glutamates, une arginine et une base de Schiff au niveau du r\u00e9tinal. Ils oscillent de l\u2019\u00e9tat proton\u00e9 \u00e0 l\u2019\u00e9tat d\u00e9proton\u00e9, v\u00e9hiculant ainsi le proton d\u2019un r\u00e9sidu \u00e0 l\u2019autre, selon une s\u00e9quence d\u00e9termin\u00e9e. Dans les complexes I et IV, comme pour la bact\u00e9riorhodopsine, le pompage unidirectionnel de protons implique des changements de conformations.<\/p>\n

<\/a>\u00ab The Fundamental Particles of Biology \u00bb<\/i><\/b><\/span><\/h4>\n

En 1961, Takuzo Oda et David E. Green (Institute for Enzyme Research, University of Wisconsin<\/i>) demand\u00e8rent \u00e0 Humberto Fernandez-Moran (Mixter Laboratories for Electron Microscopy, Massachusetts General Hospital, Boston<\/i>) d\u2019examiner au microscope \u00e9lectronique des membranes internes de mitochondries de c\u0153ur de b\u0153uf color\u00e9es n\u00e9gativement \u00e0 l\u2019acide phosphotungstique. Les clich\u00e9s r\u00e9v\u00e9l\u00e8rent la pr\u00e9sence de particules \u00e9l\u00e9mentaires (inner membrane spheres<\/i>) de 9 \u00e0 10 nm de diam\u00e8tre, rattach\u00e9es \u00e0 la membrane par une courte tige. Cette observation fut confirm\u00e9e par D. F. Parsons et par Walther Stoeckenius (The Rockefeller University<\/i>). Des particules semblables furent observ\u00e9es dans les membranes de chloroplastes et chez Escherichia coli<\/i>. Green supposa qu\u2019elles repr\u00e9sentaient les unit\u00e9s, jusque-l\u00e0 hypoth\u00e9tiques, du syst\u00e8me mitochondrial de transduction de l\u2019\u00e9nergie ; pour souligner leur importance, il les baptisa \u00ab The Fundamental Particles of Biology<\/i> \u00bb. L\u2019\u00e9lucidation de leur structure atomique tridimensionnelle et de leur mode de fonctionnement repr\u00e9sente une avanc\u00e9e majeure en biologie. Parmi ceux qui y contribu\u00e8rent, je placerai sur le devant de la sc\u00e8ne les groupes d\u2019Efra\u00efm Racker (Biochemistry Department, Cornell University<\/i>), Peter Mitchell (Glynn Research Ltd, Bodmin, Cornwall<\/i>), Paul D. Boyer (Molecular Biology Institute, University of California, Los Angeles<\/i>), et John E. Walker (Medical Research Council, Laboratory of Molecular Biology, Cambridge<\/i>). Mitchell re\u00e7ut le prix Nobel de chimie en 1978, Boyer et Walker furent colaur\u00e9ats de ce prix en 1997. Malgr\u00e9 l\u2019importance de l\u2019ensemble ses contributions (dont la d\u00e9couverte de la voie des pentoses phosphate), Racker ne figure pas parmi les laur\u00e9ats ; faut-il y voir une cons\u00e9quence de son retard \u00e0 d\u00e9tecter les fraudes scientifiques de son collaborateur, Max Spector ?<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences: Fernandez-Moran H, Oda T, Blair PV, Green DE A macromolecular repeating unit of mitochondrial structure and function. Correlated electron microscopic and biochemical studies of isolated mitochondria and submitochondrial particles of beef heart muscle<\/i> (1964)<\/span><\/p>\n

Efra\u00efm Racker et Yasuo Kagawa firent le rapprochement entre les particules de Fernandez-Moran et l\u2019enzyme purifi\u00e9 en 1960 par Maynard E. Pullman et coll ; apr\u00e8s traitement de la membrane mitochondriale interne par des prot\u00e9ases, ils avaient isol\u00e9 une ATPase. Les prot\u00e9ases avaient coup\u00e9 le lien r\u00e9unissant le complexe enzymatique F1<\/sub> (Fraction 1), au domaine Fo<\/sub> (Fraction oligomycine ; un antibiotique inhibant l\u2019ATP synthase) int\u00e9gr\u00e9 dans la membrane mitochondriale interne. Depuis les travaux de Pullman, la fonction du domaine F1<\/sub> a \u00e9t\u00e9 \u00e9lucid\u00e9e : sous la pression du potentiel de membrane provoqu\u00e9 par l\u2019accumulation de protons pomp\u00e9s dans l\u2019espace inter-membranaire par les complexes de la cha\u00eene respiratoire, le domaine F1<\/sub> laisse \u00e9chapper des protons vers la matrice et fonctionne comme une synthase, catalysant la phosphorylation d\u2019ADP en ATP. Dans le cas d\u2019une inversion de la force proton-motrice, le domaine F1<\/sub> fonctionnerait comme une ATPase, pompant des protons avec consommation d\u2019ATP, comme c\u2019est le cas chez les organismes chimiotrophes. Une \u00e9tape de solubilisation par le cholate (un sel d\u2019acide biliaire) fut n\u00e9cessaire pour lib\u00e9rer le domaine polaire Fo<\/sub> de la membrane mitochondriale interne ; sa structure partielle fut \u00e9tablie par Yasuo Kagawa et Racker en 1966 ; ce domaine est form\u00e9 d\u2019un anneau de sous-unit\u00e9s c (10 \u00e0 15).<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences: Pullman ME, Penefsky HS, Datta A, Racker E Partial Resolution of the Enzymes Catalyzing Oxidative Phosphorylation. I. Purification and Properties of Soluble, Dinitrophenol-stimulated Adenosine Triphosphatase<\/i> (1960)
\nKagawa Y, Racker E Partial Resolution of the Enzymes Catalyzing Oxidative Phosphorylation. X. Correlation of morphology and function in submitochondrial particles<\/i> (1966)<\/span><\/p>\n

 <\/p>\n\n\n\n\n
\"chap4-5\"<\/a><\/td>\n<\/tr>\n
Particules \u00e9l\u00e9mentaires. <\/b>Apr\u00e8s gonflement des mitochondries dans une solution hypotonique et coloration n\u00e9gative au phosphotungstate, les particules \u00e9l\u00e9mentaires, ou sph\u00e8res p\u00e9doncul\u00e9es, sont visibles au microscope \u00e9lectronique. Elles sont reli\u00e9es \u00e0 la membrane interne par une tige. La partie sph\u00e9rique, en contact avec la matrice, est le domaine catalytique F1<\/sub> de l\u2019ATP synthase. Les sph\u00e8res p\u00e9doncul\u00e9es repr\u00e9sentent 15 % de la masse des prot\u00e9ines de la membrane mitochondriale.<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

 <\/p>\n

Les donn\u00e9es exp\u00e9rimentales, notamment de microscopie \u00e9lectronique, avaient r\u00e9v\u00e9l\u00e9 que l\u2019ATP synthase F1<\/sub>Fo<\/sub> est compos\u00e9e d\u2019une partie F1<\/sub> faisant saillie dans la matrice mitochondriale et contenant les sites catalytiques, et d\u2019une partie Fo<\/sub>, membranaire, contenant le canal \u00e0 protons. L\u2019ATPase F1<\/sub>Fo<\/sub> de mitochondries de c\u0153ur de b\u0153uf fut purifi\u00e9e par Alan E. Senior (Department of Biochemistry and Biophysics, University of Rochester Medical Center<\/i>) et Harvey S. Penefsky (Department of Biochemistry and Molecular Biology, State University of New York, Syracuse<\/i>); cinq polypeptides furent caract\u00e9ris\u00e9s : a (55.250 daltons), b (51.700), g (30.140), d (15.000), e (5.630). Les premi\u00e8res images de ce moteur nano-mol\u00e9culaire, qui fournit l\u2019essentiel des besoins en ATP de la cellule, furent obtenues dans le groupe d\u2019Egbert Boekema (Rijksuniversiteit Groningen, Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute<\/i>) au prix d\u2019un fastidieux travail d\u2019analyse statistique des donn\u00e9es de centaines de clich\u00e9s de microscopie \u00e9lectronique de particules color\u00e9es n\u00e9gativement. Boekema et coll. obtinrent ult\u00e9rieurement une repr\u00e9sentation tridimensionnelle de l\u2019ATPase F1<\/sub>Fo<\/sub> en utilisant la cryo-microscopie \u00e9lectronique d\u2019\u00e9chantillons congel\u00e9s dans l\u2019azote ou l\u2019h\u00e9lium liquides, combin\u00e9e \u00e0 la tomographie. <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Senior AE, Brooks JC Studies on the mitochondrial oligomycin-insensitive ATPase. I. An improved method of purification and the behavior of the enzyme in solutions of various depolymerizing agents<\/i> (1970)
\nBrooks JC, Senior AE Methods for purification of each subunit of the mitochondrial oligomycin-insensitive adenosine triphosphatase<\/i> (1970)
\nPenefsky HS Preparation of beef heart mitochondrial ATPase<\/i> (1979)
\nBoekema E, Berden JA, van Heel M Structure of mitochondrial F1-ATPase studied by electron microscopy and image processing<\/i> (1986)<\/span><\/p>\n

Jan Pieter Abrahams et coll. \u00e9tablirent la structure cristallographique de la F1-ATPase de mitochondries de b\u0153uf \u00e0 une r\u00e9solution de 2.8 \u212b. Les trois sous-unit\u00e9s catalytiques \u03b2 ont des conformations et un contenu en nucl\u00e9otide diff\u00e9rents. Ces observations sont en accord avec un mod\u00e8le catalytique de l\u2019ATP synthase dans lequel les trois sous-unit\u00e9s \u03b2 changent de conformation \u00e0 chaque \u00e9tape du cycle catalytique. Le passage d\u2019une conformation \u00e0 l\u2019autre pourrait \u00eatre provoqu\u00e9 par la rotation du bloc \u03b13 \u03b23 autour du domaine en h\u00e9lice \u03b1 de la sous-unit\u00e9 \u03b3. Les biochimistes avaient montr\u00e9 que les parties F1<\/sub> et Fo<\/sub> sont reli\u00e9es par un filament, long de 45 \u00c5, constitu\u00e9 des sous-unit\u00e9s \u03b3 et \u03f5. Les sous-unit\u00e9s \u03b4 et b participent aussi \u00e0 cette liaison. En 1997, Stephen Wilkens et coll. d\u00e9termin\u00e8rent la structure en h\u00e9lices \u03b1 d\u2019un fragment de la sous-unit\u00e9 \u03b4, par spectroscopie par r\u00e9sonance magn\u00e9tique nucl\u00e9aire. Les premi\u00e8res structures cristallographiques obtenues par diffraction des rayons X dans le groupe de John E. Walker (Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology, Cambridge<\/i>), et dans d\u2019autres laboratoires, ne concernaient que des fragments de la partie catalytique (F1<\/sub>-ATPase) : sous-complexes a3b3gde-c10 de Saccharomyces cerevisiae<\/i> (Stock et coll.) ; a3b3gde de mitochondries de c\u0153ur de b\u0153uf (Gibbons et coll.), a3b3g de chloroplastes d\u2019\u00e9pinards (Groth et Pohl). Une structure cristallographique de l\u2019ATPase F1<\/sub>Fo<\/sub> partiel (7 cha\u00eenes polypeptidiques, 22.722 atomes) de Saccharomyces cerevisiae<\/i> fut publi\u00e9e en 1999. La structure de l\u2019ATPase F1<\/sub>, associ\u00e9e \u00e0 une prot\u00e9ine r\u00e9gulatrice inhibant l\u2019activit\u00e9 ATPase, fut r\u00e9alis\u00e9e par Elena Cabezon en 2003.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Abrahams P, Leslie AG, Lutter R, Walker JE Structure at 2.8 A resolution of F1-ATPase from bovine heart mitochondria<\/i> (1994)
\nWilkens S, Rodgers A, Ogilvie I, Capaldi RA Structure and arrangement of the \u03b4 subunit in the E. coli ATP synthase (ECF1<\/sub>Fo<\/sub>) <\/i> (1997)
\nStock D, Leslie AG, Walker JE (1999) Molecular architecture of the rotary motor in ATP synthase<\/i> (1999)
\nGibbons C, Montgomery MG, Leslie AG, Walker JE (2000) The Structure of the central stalk in bovine F1-ATPase at 2.4 A resolution<\/i> (2000)
\nGroth G, Pohl E The structure of the chloroplast F1-ATPase at 3.2 A resolution<\/i> (2001)
\nCabezon E, Montgomery MG, Leslie AGWL, Walker JE The structure of bovine F1-ATPase complexed with its regulatory protein, IF1<\/i> (2003)<\/span><\/p>\n

En r\u00e9unissant les donn\u00e9es obtenues par l\u2019analyse de deux structures tridimensionnelles, John L. Rubinstein, dans le laboratoire de John E. Walker, utilisa la cryo-microscopie \u00e9lectronique de particules isol\u00e9es de mitochondries de coeur de b\u0153uf pour d\u00e9terminer la disposition des diff\u00e9rents composants au sein de l\u2019ATPase F1<\/sub>, \u00e0 une r\u00e9solution de 32 \u212b. Le sous-complexe F1<\/sub>-c10<\/sub> contient les tige centrale et p\u00e9riph\u00e9rique ; le sous-complexe Fo<\/sub> est compos\u00e9 de deux domaines : l\u2019un correspondant \u00e0 l\u2019anneau des sous-unit\u00e9s c et l\u2019autre, \u00e0 la sous-unit\u00e9 a, la portion transmembranaire de la sous-unit\u00e9 b et des prot\u00e9ines membranaires int\u00e9grales. La flexibilit\u00e9 de la tige p\u00e9riph\u00e9rique selon qu\u2019elle interagit ou pas avec la partie \u03b1\u2013\u03b2 de F1<\/sub> sugg\u00e8re qu\u2019elle pourrait jouer le r\u00f4le de stator au cours de la synth\u00e8se ou de l\u2019hydrolyse de l\u2019ATP. John E. Walker re\u00e7ut le prix Nobel de chimie 1997.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Rubinstein JL, Walker JE, Henderson R Structure of the mitochondrial ATP synthase by electron cryomicroscopy<\/i> (2003)<\/span><\/p>\n

La notion que les nano-moteurs rotatoires existent dans la membrane sous forme de super-complexes \u00e9mergea avec la mise \u00e0 la disposition des chercheurs de l\u2019\u00e9lectrophor\u00e8se sur gel de polyacrylamide en conditions non d\u00e9naturantes – natives (blue-native polyacrylamide gel electrophoresis<\/i>, \u00ab native PAGE<\/i> \u00bb). On a \u00e9tabli, par examen au microscope \u00e9lectronique de particules isol\u00e9es, la structure des complexes I monom\u00e9rique et II dim\u00e9rique d\u2019Arabidopsis<\/i>, et du complexe dim\u00e9rique de l\u2019algue Polytomella<\/i>. Pour Alexander Hahn et coll. et Karen M. Davies et coll. (Department of Structural Biology, Max Planck Institute of Biophysics, Frankfurt am Main<\/i>), la courbure de la membrane mitochondriale interne (cristae) au niveau des dim\u00e8res d\u2019ATP synthase est impos\u00e9e par la pliure particuli\u00e8re de la portion membranaire de l\u2019ATP synthase.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Hahn A, Parey K, Bublitz M, Mills DJ, Zickermann V, Vonck J, K\u00fchlbrandt W, Meier T Structure of a Complete ATP Synthase Dimer Reveals the Molecular Basis of Inner Mitochondrial Membrane Morphology<\/i> (2006)
\nDavies KM, Anselmi C, Wittig I, K\u00fchlbrandt Structure of the yeast F1<\/sub>Fo<\/sub>-ATP synthase dimer and its role in shaping the mitochondrial cristae<\/i> (2012)<\/span><\/p>\n

 <\/p>\n\n\n\n\n
\"chap4-6\"<\/a><\/td>\n<\/tr>\n
ATP synthase. <\/b>Ce convertisseur d\u2019\u00e9nergie est form\u00e9 de deux moteurs. Le moteur Fo<\/sub> comporte une partie fixe compos\u00e9e des sous-unit\u00e9s membranaires: a (travers\u00e9e par le canal \u00e0 protons), 2 b et \u03b4 ; et une partie mobile constitu\u00e9e d\u2019un anneau de sous-unit\u00e9s c<\/i> (\u223c10 copies) ins\u00e9r\u00e9 dans la membrane interne. Le moteur F1<\/sub> comporte les sous-unit\u00e9s \u03b3 (un cylindre de 16 nanom\u00e8tres de long), \u03b5 et l\u2019hexam\u00e8re 3\u03b1 3\u03b2, une sph\u00e8re aplatie de 8 x 10 nm. Les sous-unit\u00e9s \u03b2 renferment le site catalytique o\u00f9 s\u2019op\u00e8re la conversion d\u2019ADP en ATP.<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

 <\/p>\n

La th\u00e9orie chimio-osmotique formul\u00e9e par Peter Mitchell en 1961 repose sur l\u2019existence d\u2019un gradient \u00e9lectrochimique de protons de part et d\u2019autre de la membrane mitochondriale interne. Les chutes de potentiel entre complexes transporteurs d\u2019\u00e9lectrons de la membrane mitochondriale interne actionnent le pompage de protons dans l\u2019espace inter-membranaire ; d\u2019autre part, \u00e0 la diff\u00e9rence de la membrane interne, imperm\u00e9able aux protons (elle est riche en cardiolipines), la membrane mitochondriale externe est perm\u00e9able aux protons lib\u00e9r\u00e9s dans le cytoplasme par le m\u00e9tabolisme interm\u00e9diaire ; leur accumulation dans l\u2019espace inter-membranaire cr\u00e9e un gradient \u00e9lectrochimique d\u00fb \u00e0 l\u2019addition de deux facteurs : (i) la polarit\u00e9 de la membrane : la face en contact avec l\u2019espace inter-membranaire est n\u00e9gative ; celle tourn\u00e9e vers la matrice est positive (diff\u00e9rence de charge : environ 80 mV) ; (ii) la concentration en H+<\/sup> dans l\u2019espace inter-membranaire par rapport \u00e0 la matrice (environ 2 unit\u00e9s de pH). L\u2019hypoth\u00e8se de Mitchell implique que pour diffuser de l\u2019espace inter-membranaire vers la matrice, les ions H+<\/sup> traversent l\u2019ATP synthase. D\u2019abord rejet\u00e9e par ses pairs, l\u2019hypoth\u00e8se de Mitchell re\u00e7ut une premi\u00e8re validation exp\u00e9rimentale lorsque John E. Walker et ses collaborateurs du Laboratory of Molecular Biology \u00e0 Cambridge<\/i>, \u00e9tablirent la structure atomique tridimensionnelle de l\u2019ATP synthase \u00e0 une r\u00e9solution de 2.8 \u212b. En 1999, ce fut le tour de la structure de l\u2019ATP synthase de Saccharomyces cerevisiae<\/i>, un assemblage de 13 sous unit\u00e9s (masse mol\u00e9culaire : environ 600 000 daltons) r\u00e9parties en domaines structurels et fonctionnels : la F1<\/sub>ATPase comporte une t\u00eate globulaire catalytique \u03b1(3) \u03b2(3) travers\u00e9e par la tige centrale asym\u00e9trique \u03b3(1) ; la Fo<\/sub> ATPase est form\u00e9e principalement de prot\u00e9ines membranaires ; elle comporte en particulier le domaine a, solidaire de la tige p\u00e9riph\u00e9rique b(2), \u03b4(1), en contact avec les protom\u00e8res \u03b1 et \u03b2 du domaine F1<\/sub> et orient\u00e9e vers la matrice mitochondriale, le stroma des chloroplastes ou le cytosol des bact\u00e9ries. L\u2019ATP synthase est un moteur mol\u00e9culaire compos\u00e9 d\u2019un stator, avec les sous-unit\u00e9s a<\/i>(1) de Fo<\/sub>, b<\/i>(2), \u03b4(1), \u03b1(3) \u03b2(3) de F1<\/sub>, et un rotor compos\u00e9 de l\u2019anneau des sous-unit\u00e9s c(9-12) et de la tige \u03b3(1), \u03b4(1), \u03b5(1).<\/p>\n

Un autre r\u00e9sultat exp\u00e9rimental \u00e9taya de fa\u00e7on convaincante l\u2019hypoth\u00e8se de Mitchell ; il fut obtenu par Andr\u00e9 T. Jagendorf dans le laboratoire d\u2019Efra\u00efm Racker, \u00e0 Cornell University<\/i> (voir \u00ab Hypoth\u00e8se chimio-osmotique \u00bb) ; en 1966, Jagendorf et Uribe ont mis en \u00e9vidence une synth\u00e8se d\u2019ATP in vitro par des chloroplastes charg\u00e9s en protons.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences: Abrahams JP, Leslie AG, Lutter R, Walker JE Structure at 2.8 \u212b resolution of F1-ATPase from bovine heart mitochondria<\/i> (1994)
\nStock D, Leslie AGW, Walker JE Molecular Architecture of the Rotary Motor in ATP Synthase<\/i> (1999)
\nDickson VK, Silvester JA, Fearnley IM, Leslie AG, Walker JE On the structure of the stator of the mitochondrial ATP synthase<\/i> (2006)
\nRees DM, Leslie AG, Walker JE The structure of the membrane extrinsic region of bovine ATP synthase<\/i> (2009)
\nRubinstein JL, Walker JE, Henderson R Structure of the mitochondrial ATP synthase by electron cryomicroscopy<\/i> (2003)
\nLau WC, Baker LA, Rubinstein JL Cryo-EM structure of the yeast ATP synthase<\/i> (2008)<\/span><\/p>\n

\u00ab A splendid molecular machine \u00bb<\/i><\/b><\/span><\/h4>\n

En 1974, Paul D. Boyer proposa la th\u00e9orie du m\u00e9canisme de changement de liaison (Binding Change Mechanism<\/i>), plus connue sous l\u2019appellation de catalyse rotationnelle. Les trois postulats qu\u2019il avan\u00e7a pour expliquer le fonctionnement de l\u2019ATP synthase furent valid\u00e9s par la mise en \u00e9vidence de la \u00ab turbine mol\u00e9culaire rotatoire \u00bb qui, chez les mitochondries, les chloroplastes et certaines bact\u00e9ries, est au c\u0153ur du syst\u00e8me de conversion d\u2019\u00e9nergie osmotique en \u00e9nergie chimique. Le fonctionnement de l\u2019ATP synthase est d\u00e9clench\u00e9 par la rotation du cylindre des sous-unit\u00e9s c<\/i>, entra\u00eenant dans son mouvement la sous-unit\u00e9 assym\u00e9trique \u03b3. Les polypeptides du cylindre c<\/i>, ench\u00e2ss\u00e9 dans la membrane, comportent deux h\u00e9lices \u03b1 constitu\u00e9es d\u2019acides amin\u00e9s hydrophobes \u00e0 l\u2019exception d\u2019un r\u00e9sidus aspartate (Asp) en position 61. L\u2019ensemble des Asp 61 forme un anneau situ\u00e9 vers le milieu de la bicouche phospholipidique, ce qui emp\u00eache la rotation spontan\u00e9e du cylindre. Lorsqu\u2019un proton traverse le canal (en r\u00e9alit\u00e9 les deux demi-canaux) de la sous-unit\u00e9 a, il neutralise la charge d\u2019un Asp 61. L\u2019aspartate proton\u00e9 entre en contact avec la bicouche hydrophobe et la rotation de l\u2019anneau c est enclench\u00e9e entrainant la sous-unit\u00e9 \u03b3 qui lui est attach\u00e9e ; celle-ci p\u00e9n\u00e8tre dans l\u2019hexam\u00e8re \u03b1(3) \u03b2(3) maintenu en position fixe par l\u2019ensemble des sous-unit\u00e9s du stator, l\u2019emp\u00eachant ainsi de suivre le mouvement de rotation. Il se produit une conversion d\u2019\u00e9nergie osmotique du gradient \u00e9lectrochimique en \u00e9nergie m\u00e9canique de transconformation des sous-unit\u00e9s \u03b2 ; elles passent par trois conformations qui se succ\u00e8dent dans l\u2019ordre : l\u00e2che (fixation d\u2019ADP + Pi), serr\u00e9e (condensation en ATP), ouverte (lib\u00e9ration de l\u2019ATP) ; il y a en permanence une sous-unit\u00e9 \u03b2 dans chacune de ces trois conformations et une mol\u00e9cule d\u2019ATP est synth\u00e9tis\u00e9e \u00e0 chaque rotation du rotor de 120\u00b0 (3 ATP par rotation de 360\u00b0). De l\u2019\u00e9nergie m\u00e9canique est consomm\u00e9e pour charger en \u00e9nergie chimique une mol\u00e9cule d\u2019ATP, le seul organophosphate rechargeable par couplage chimio-osmotique. Dans les conditions qui pr\u00e9valent dans la cellule, la variation d\u2019enthalpie libre lors de l\u2019hydrolyse de l\u2019ATP en ADP est \u0394G = -51,8 kJ\/mole<\/p>\n

En 1997, Hiroyuki Noji, Ryohei Yasuda, Masasuke Yoshida et Kazuhiko Kinoshita Jr. (Research Laboratory of Resources Utilization, Tokyo Institute of Technology, Yokohama<\/i>) firent la d\u00e9monstration visuelle directe que la F1<\/sub>-ATPase est un moteur mol\u00e9culaire rotatoire – comme l\u2019\u00e9norme complexe (plus de 100 polypeptides) du flagelle bact\u00e9rien. Ils fix\u00e8rent sur une surface plane recouverte d\u2019une couche de nickel les sous-unit\u00e9s \u03b2 du sph\u00e9ro\u00efde \u03b1(3) \u03b2(3) par une queue poly-histidine. Ils attach\u00e8rent par une liaison covalente un long filament d\u2019actine fluorescente \u00e0 la sous-unit\u00e9 \u03b3 \u00e9mergent du sph\u00e9ro\u00efde. Les mouvements rotatoires du bras d\u2019actine purent \u00eatre directement observ\u00e9s au microscope \u00e0 fluorescence. On estime que le rotor effectue 130 r\u00e9volutions par seconde.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences: Dahms AS, Boyer PD Occurrence and Characterisation of 18<\/sup>O-exchange Reactions Catalyzed by Sodium-and Potassium-dependent Adenosine Triphosphatases<\/i> (1972)
\nBoyer PD The ATP synthase\u2013a splendid molecular machine<\/i> (1997)
\nNoji H, Yasuda R, Yoshida M, Kinoshita Jr. K Direct observation of the rotation of F1<\/sub>-ATPase<\/i> (1997)
\nBoyer PD What makes ATP synthase spin ?<\/i> (1999)
\nSchnitzer MJ Doing a rotary two-step (2001)<\/i><\/span><\/p>\n

<\/a>Bilan<\/b><\/span><\/h4>\n

Etablissons le bilan \u00e9nerg\u00e9tique en partant de l\u2019oxydation du glucose. Apr\u00e8s passage par la glycolyse (+ 2 ATP), le cycle de Krebs (+ 2 ATP) et la cha\u00eene respiratoire (+ 34 ATP) une mol\u00e9cule de glucose produit th\u00e9oriquement 38 mol\u00e9cules d\u2019ATP. Le bilan doit \u00eatre minor\u00e9 (30 \u00e0 32 mol\u00e9cules d\u2019ATP) pour tenir compte du co\u00fbt \u00e9nerg\u00e9tique du transport de certaines mol\u00e9cules du cytosol vers la matrice mitochondriale (pyruvate).<\/p>\n

<\/a>Cytochrome c mitochondrial et apoptose<\/b><\/span><\/h4>\n

Sous ses diff\u00e9rentes formes, la n\u00e9crose cellulaire et tissulaire est un ph\u00e9nom\u00e8ne connu de longue date. Elle est le plus souvent cons\u00e9cutive \u00e0 un \u00e9pisode traumatique et se traduit par le gonflement et l\u2019\u00e9clatement des cellules. Le cytoplasme r\u00e9pandu affecte les cellules voisines, ce qui entra\u00eene une inflammation et une r\u00e9action immunitaire. L\u2019apoptose fut identifi\u00e9e comme un ph\u00e9nom\u00e8ne de mort cellulaire diff\u00e9rent de la n\u00e9crose \u00e0 la suite des travaux des embryologistes et des pathologistes. En 1951, le biologiste Alfred Gl\u00fccksmann (Strangeways Research Laboratory, Cambridge<\/i>) fit para\u00eetre un article de revue dans les Biological Reviews of the Cambridge Philosophy Society<\/i>. La diffusion de ce journal \u00e9tant restreinte, cet article passa largement inaper\u00e7u aux yeux des non-sp\u00e9cialistes de la biologie du d\u00e9veloppement des vert\u00e9br\u00e9s. Gl\u00fccksmann y proposait l\u2019id\u00e9e qu\u2019au m\u00eame titre que la mitose et \u00e0 l\u2019oppos\u00e9, la mort cellulaire est un m\u00e9canisme naturel de r\u00e9gulation des populations cellulaires, \u00e0 l\u2019origine de la formation des tissus et des organes.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Gl\u00fccksmann A Cell Deaths in Normal Vertebrate Ontogeny<\/i> (1951)<\/p>\n

Dix ans plus tard, le ph\u00e9nom\u00e8ne de mort cellulaire programm\u00e9e allait r\u00e9appara\u00eetre comme une conclusion des travaux des pathologistes sur les dommages inflig\u00e9s \u00e0 des tissus soumis \u00e0 diff\u00e9rentes formes de stress : isch\u00e9mie (John Foxton R. Kerr, University College<\/i>, Hospital Medical School, London<\/i>), traitement par un hydrocarbure polycyclique canc\u00e9rig\u00e8ne (Alastair R. Currie, University of Aberdeen<\/i>, Ecosse), sevrage en facteur de croissance (Andrew H. Wyllie, University of Aberdeen<\/i>). L\u2019examen au microscope optique ou \u00e9lectronique r\u00e9v\u00e9la la pr\u00e9sence d\u2019agr\u00e9gats de chromatine dans le noyau et d\u2019une fragmentation du cytoplasme avec formation de corps apoptotiques, des v\u00e9sicules limit\u00e9es par une membrane et contenant des organites. Les corps apoptotiques sont imm\u00e9diatement phagocyt\u00e9s par les cellules voisines ; ils subissent une s\u00e9gr\u00e9gation dans les phagosomes, puis une digestion apr\u00e8s fusion des phagosomes avec des lysosomes.<\/p>\n

John F.R. Kerr (University of Queensland, Brisbane, Australia<\/i>) d\u00e9crivit, en 1965, ce qu\u2019il appelait \u00ab shrinkage necrosis<\/i> \u00bb dans un article publi\u00e9 dans le Journal of Pathology and Bacteriology<\/i>. En 1972, apr\u00e8s avoir compar\u00e9 leurs r\u00e9sultats avec ceux des embryologistes, John Kerr, son \u00e9tudiant post-doctoral Alastair Currie et Andrew Wyllie avanc\u00e8rent l\u2019hypoth\u00e8se de mort cellulaire programm\u00e9e dans un article publi\u00e9 dans le British Journal of Cancer<\/i>, dans lequel ils adopt\u00e8rent le terme \u00ab apoptose \u00bb qui leur avait \u00e9t\u00e9 sugg\u00e9r\u00e9 par James Cormack (Department of Greek, University of Aberdeen<\/i>). <\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Kerr JFR A Histochemical Study of Hypertrophy and Ischaemic Injury of Rat Liver with Special Reference to Changes in Lysosome<\/i> (1965)
\nKerr JFR, Currie A, Wyllie A Apoptosis: A Basic Biological Phenomenon with Wide-Ranging Implications in Tissue Kinetics<\/i> (1972)<\/p>\n

Pendant une d\u00e9cennie, le m\u00e9canisme de l\u2019apoptose \u00e0 l\u2019\u00e9chelle mol\u00e9culaire ne suscita aucun int\u00e9r\u00eat de la part des biochimistes ; ce n\u2019est qu\u2019\u00e0 partir des ann\u00e9es 1980 qu\u2019un certain nombre d\u2019entre eux commenc\u00e8rent \u00e0 s\u2019y int\u00e9resser. Selon l\u2019origine des signaux, intracellulaires ou extracellulaires, qui d\u00e9clenchent l\u2019apoptose, on distingue deux grandes voies de signalisation : la voie extrins\u00e8que, initi\u00e9e par des signaux ext\u00e9rieurs \u00e0 la cellule, fait intervenir des r\u00e9cepteurs de la membrane plasmique : (i) Tumor Necrosis Factor Receptor 1<\/i>, qui fixe le Facteur de n\u00e9crose tumorale : Tumor Necrosis Factor \u03b1<\/i>. (ii) le r\u00e9cepteur Fas (Fas Receptor<\/i>), qui fixe le ligand membranaire Fas Ligand<\/i> li\u00e9 \u00e0 la surface de cellules du syst\u00e8me immunitaire) (iii) Les Death Receptors<\/i> DR4 et DR5, qui fixent le ligand TRAIL (Tumor necrosis factor-associated ligand inducing apoptosis<\/i>). La liaison des ligands \u00e0 leur r\u00e9cepteurs aboutit in fine \u00e0 l\u2019activation d\u2019enzymes prot\u00e9olytiques \u00e0 cyst\u00e9ine, les caspases (Cysteine ASPartic proteASEs<\/i>). \u00c9tudi\u00e9es depuis la d\u00e9couverte de l\u2019Interleukin 1 Converting Enzyme<\/i> (caspase 1), dans les ann\u00e9es 1990, ces prot\u00e9ases sont pr\u00e9sentes dans le cytosol sous forme de proenzymes inactifs. L\u2019association ligands – r\u00e9cepteurs entra\u00eene la formation du complexe intracellulaire DISC (Death-Inducing Signaling Complex<\/i>) qui active la cascade des caspases, d\u2019abord la caspase initiatrice 8, puis les caspases effectrices de l’apoptose. Dans le m\u00e9canisme que je viens de d\u00e9crire bri\u00e8vement, il faut souligner que l\u2019internalisation rapide des r\u00e9cepteurs, d\u00e9clench\u00e9e par la fixation des ligands, joue un r\u00f4le essentiel dans le d\u00e9clenchement de l\u2019apoptose.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences : Artykov AA, Yagolovitch AV, Dolgikh DA, Kirpichnikov MP, Trushina DB, Gasparian ME Death Receptors DR4 and DR5 Undergo Spontaneous and Ligand-Mediated Endocytosis and Recycling Regardless of the Sensitivity of Cancer Cells to TRAIL<\/i> (2020)
\nSch\u00fctze S, Schneider-Bracher W Impact of TNF-R1 and CD95 internalization on apoptotic and antiapoptotic signaling<\/i> (2009)<\/p>\n

La voie intrins\u00e8que (voie mitochondriale), le principal mode d\u2019activation de l\u2019apoptose, met en jeu des prot\u00e9ines de la super-famille Bcl-2 (B Cell Lymphoma 2<\/i>). Ces prot\u00e9ines dim\u00e9riques occupent une position centrale dans la r\u00e9gulation de l\u2019apoptose : le dim\u00e8re Bcl-2-Bcl-2 exerce une activit\u00e9 anti-apoptotique tandis que les dim\u00e8res de Bax (Bcl-2 associated X<\/i>) ou de Bak sont pro-apoptotiques. La voie intrins\u00e8que est le mode d\u2019activation de l\u2019apoptose pendant le d\u00e9veloppement embryonnaire ; cette voie est aussi activ\u00e9e par des signaux venant de la cellule, comme le stress oxydatif ou des dommages inflig\u00e9s \u00e0 l’ADN et qui ne peuvent \u00eatre corrig\u00e9s par les syst\u00e8mes de r\u00e9paration. La prot\u00e9ine cytosolique Bax s\u2019unit \u00e0 elle-m\u00eame et l\u2019homodim\u00e8re Bax-Bax se fixe sur la membrane mitochondriale externe, provoquant la formation de m\u00e9ga-pores (Mitochondrial Permeability Transition Pores<\/i>). Le cytochrome c et une flavoprot\u00e9ine : le Facteur inducteur d\u2019apoptose (Apoptosis-Inducing Factor<\/i>, AIF), localis\u00e9s dans l\u2019espace inter-menbranaire mitochondrial, sont lib\u00e9r\u00e9s dans le cytosol et se lient l\u2019un \u00e0 l\u2019autre. Cette association favorise le recrutement d\u2019autres mol\u00e9cules d\u2019AIF pour former un complexe en forme d\u2019anneau appel\u00e9 \u00ab apoptosome \u00bb. L\u2019interaction du domaine CARD (Caspase Apaf 1 Recruitment Domain<\/i>) d\u2019Apaf 1 avec le domaine CARD amino-terminal du pro-enzyme de la caspase-9, en pr\u00e9sence d\u2019ATP, d\u00e9clenche le recrutement et l\u2019activation de la prot\u00e9ase (dans la voie extrins\u00e8que, c\u2019est la procaspase-8 qui est recrut\u00e9e par les ligands des r\u00e9cepteurs du TNF), qui d\u00e9clenche \u00e0 son tour la cascade des caspases effectrices (caspases 3 et 7) responsables de la digestion des prot\u00e9ines de structure, de la fragmentation du cytosquelette, de la d\u00e9gradation de l\u2019ADN nucl\u00e9aire et du d\u00e9mant\u00e8lement final de la cellule.<\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rence : Zhou M, Li Y, Hu Q, Bai XC, Huang W, Yan C, Sheres SHW, Shi Y Atomic structure of the apoptosome: mechanism of cytochrome c- and dATP-mediated activation of Apaf-1<\/i> (2015)<\/p>\n

<\/a>Pathologie mitochondriale<\/b><\/span><\/h4>\n

Avant d\u2019aborder ce th\u00e8me, il me semble utile de rappeler que les prot\u00e9ines mitochondriales sont cod\u00e9es par l\u2019ADN nucl\u00e9aire et par l\u2019ADN mitochondrial. L\u2019ADNmt est transmis selon les lois de l\u2019h\u00e9r\u00e9dit\u00e9 maternelle. Chez l\u2019homme, il est constitu\u00e9 de 16.569 paires bases ; 37 g\u00e8nes codent pour 22 ARNt, 2 ARNr, et 13 prot\u00e9ines des complexes de la cha\u00eene respiratoire: les sous-unit\u00e9s 1, 2, 3, 4, 4L, 5 et 6 du complexe I, le cytochrome b du complexe III, les sous-unit\u00e9s 2 et 3 du complexe IV, et les sous-unit\u00e9s 6 et 8 du complexe V. L’ADN nucl\u00e9aire est constitu\u00e9 de trois milliards de paires bases ; il code pour la majorit\u00e9 des prot\u00e9ines mitochondriales. Les maladies mitochondriales r\u00e9sultent de mutations touchant soit l’ADNmt, soit l’ADN nucl\u00e9aire. Les pathologies mitochondriales primaires affectent les organes les plus gourmands en \u00e9nergie ; les dysfonctionnements mitochondriaux secondaires – stress oxydatif, perte de contr\u00f4le de la qualit\u00e9 mitochondriale – se manifestent dans les maladies li\u00e9es au vieillissement – Alzheimer, Parkinson – ou dans les maladies cardiovasculaires.<\/p>\n

Article de revue : Fetterman JF, Chinery PF, McClellan, Wallace DC, Suomalainen A, Oala T, Lewis SC, Ballinger SW Mitochondrial Genetics in Cardiovascular Health and Disease: A Scientific Statement From the American Heart Association<\/i> (2025)<\/p>\n

Lorsque l\u2019on aborde le domaine des pathologies mitochondriales, il faut avoir pr\u00e9sent \u00e0 l\u2019esprit le concept d’h\u00e9t\u00e9roplasmie, qui explique la tr\u00e8s grande h\u00e9t\u00e9rog\u00e9n\u00e9it\u00e9 des sympt\u00f4mes cliniques chez les patients. On l\u2019explique ainsi : les cellules contiennent de nombreuses mitochondries (environ 2.000 dans un h\u00e9patocyte) poss\u00e9dant chacune 2 \u00e0 10 copies d\u2019ADNmt. Une mutation peut n\u2019affecter qu\u2019un nombre restreint de copies. Le seuil \u00e0 partir duquel un d\u00e9ficit en \u00e9nergie entra\u00eene des sympt\u00f4mes varie fortement selon les tissus (cerveau, muscles, c\u0153ur, et les syst\u00e8mes visuel et auditif). Le syst\u00e8me nerveux central \u00e9tant un grand consommateur d\u2019\u00e9nergie, il est affect\u00e9 au premier chef par les dysfonctionnements de la cha\u00eene respiratoire. C\u2019est ainsi que le Syndrome MELAS ou le Syndrome de Leigh sont des affections neurologiques graves, au pronostic s\u00e9v\u00e8re, qui affectent les tr\u00e8s jeunes enfants ou les jeunes adultes. Dans le Syndrome MELAS, le d\u00e9ficit porte sur le fonctionnement des complexes I et\/ou IV. Sur le plan clinique, ce syndrome se traduit par une myopathie affectant les fibres musculaires rouges, une enc\u00e9phalopathie et de l\u2019acidose lactique (le fonctionnement d\u00e9ficient de la cha\u00eene respiratoire provoque une conversion de pyruvate en lactate). La plupart des patients pr\u00e9sentent une mutation du g\u00e8ne codant l\u2019ARNtLeu<\/sub>.<\/p>\n

Le bras long du chromosome 9 contient un amas tr\u00e8s dense de g\u00e8nes, le Surfeit gene cluster<\/i>, qui regroupe six g\u00e8nes (SURF-1 \u00e0 6) \u00e9troitement associ\u00e9s. Le produit du g\u00e8ne SURF1, cod\u00e9 par l\u2019ADN nucl\u00e9aire, est adress\u00e9 \u00e0 la membrane mitochondriale interne. La prot\u00e9ine SURF-1 est un facteur indispensable \u00e0 l’assemblage des sous-unit\u00e9s du complexe IV de la cha\u00eene respiratoire (cytochrome c oxydase). Certains individus portent une mutation homozygote du g\u00e8ne SURF-1 via une transmission g\u00e9n\u00e9tique autosomique r\u00e9cessive (le g\u00e8ne mut\u00e9 est transmis par les deux parents). Le syndrome de Leigh (enc\u00e9phalomy\u00e9lopathie n\u00e9crosante subaigu\u00eb) est une maladie neurod\u00e9g\u00e9n\u00e9rative s\u00e9v\u00e8re, qui r\u00e9sulte du d\u00e9faut d’assemblage du complexe IV ; elle appara\u00eet chez le nourrisson ou le jeune enfant, entra\u00eenant un retard de d\u00e9veloppement, une faiblesse musculaire, des l\u00e9sions dans des zones sp\u00e9cifiques du cerveau et des probl\u00e8mes respiratoires.<\/p>\n

Article de revue : Mei J, Ding P, Gao C, Zhou J, Li Z, Zhang C, Gao J Mitochondrial Diseases: Molecular Pathogenesis and Therapeutic Advances<\/i> (2025)<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Mitochondries Sur la plan\u00e8te Terre, environ 90% de l\u2019oxyg\u00e8ne consomm\u00e9 par les \u00eatres vivants est utilis\u00e9 dans des organites subcellulaires appel\u00e9s \u00ab mitochondries \u00bb. On en trouve les premi\u00e8res repr\u00e9sentations dans un ouvrage publi\u00e9 en 1841 par Friedrich G. J. Henle, un \u00e9l\u00e8ve de Johannes Peter M\u00fcller, titulaire de la chaire de physiologie et d\u2019anatomie … Continue reading Chapitre 4<\/span> →<\/span><\/a><\/p>\n","protected":false},"author":3,"featured_media":0,"parent":0,"menu_order":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"_monsterinsights_skip_tracking":false,"footnotes":""},"class_list":["post-3013","page","type-page","status-publish","hentry"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/perso.uclouvain.be\/alain.amar-costesec\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/3013","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/perso.uclouvain.be\/alain.amar-costesec\/wp-json\/wp\/v2\/pages"}],"about":[{"href":"https:\/\/perso.uclouvain.be\/alain.amar-costesec\/wp-json\/wp\/v2\/types\/page"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/perso.uclouvain.be\/alain.amar-costesec\/wp-json\/wp\/v2\/users\/3"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/perso.uclouvain.be\/alain.amar-costesec\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=3013"}],"version-history":[{"count":15,"href":"https:\/\/perso.uclouvain.be\/alain.amar-costesec\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/3013\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":17969,"href":"https:\/\/perso.uclouvain.be\/alain.amar-costesec\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/3013\/revisions\/17969"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/perso.uclouvain.be\/alain.amar-costesec\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=3013"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}