Protéines mitochondriales

De combien de compartiments est composé la mitochondrie ?

4 compartiments

→ La membrane interne

→ L’espace intermembranaire

→ La matrice

En fonction de quoi varie a structure des mitochondries ?

De la localisation des tissus et de l’état physiologique de la cellule

A quoi est lié une pathologie mitochondriale ?

→ à une perte de structure

Que forme ensemble les mitochondries ?

Un réseau dynamique : fission, division, branchement, mouvement au sein du cytoplasme = une dynamique mitochondriale qui nécessite des protéines 

Sur quoi repose l’équilibre dynamique des mitochondries ?

Une structure: 

fragmentée ←→ Intermédiaire ←→ Réticulé

Quelles réactions du métabolisme à lieu dans la mitochondrie ?

→ Cycle de Krebs

→ β-Oxydation

→ Cycle de l’urée

Quelles processus cellulaire à lieu dans la mitochondrie ?

→ Apoptose

→ Signalisation calcique

→ Formation de radicaux libres

Sur quoi repose les oxydations phosphorylantes ?

→ Chaîne respiratoire

→ Force utilisée par ATP synthase

Qu’est-ce que sont les oxydations phosphorylantes ?

Un couplage entre chaîne respiratoire et ATP synthase

Qu’implique un couplage entre chaîne respiratoire et ATP synthase ?

Une bonne perméabilité qui est permise par la protéine UCP

Qu’est-ce que ∆Ψ ?

→ Force entre matrice et l’espace intermembranaire

→ Crée une force qui va être utilisé pour la synthèse d’ATP 

Où se situe la chaîne respiratoire ?

Au niveau des crêtes séparées par des dimères d’ATP synthase

Qu’est-ce qui est responsable de la fermeture des crêtes ?

Le système MICOS

ADN mitochondriale

→ Circulaire

→ Garde les gène de son ancêtre bactérien = 13 sous-unités phosphorylantes

→ Autre partie des sous-unités est produit par l’ADN nucléaire

Transcription de l’ADN mitochondriale

→ ARN polycistroniques

Protéines mitochondriales

Environs 1300 protéines

• Réactions du métabolisme : OXPHOS, cycle de Krebs, transaminase, biosynthèse de phospholipides…..

• Processus mitochondriaux : dynamique, crêtes, …. 

• Processus cellulaires : apoptose, homéostasie calcique, inflammasome,…  

• ADNmt : maintenance, expression.

Qu’est-ce que la mitophagie ?

C’est l’autophagie spécifique des mitochondries

Par quoi sont codés les protéines mitochondriales ?

Par 2 génomes:

→ ADNmt: Membrane interne (sous unités des complexes des OXPHOS)

→ ADNn: membrane externe, périplasme, membrane interne, matrice

Synthèse ADNmt

Pas de précurseurs

Synthèse ADNn

Précurseurs protéiques:

• 1) synthétisés dans le cytosole

• 2) importés dans la mitochondrie

Précurseurs protégés par des chaperonnes pour éviter 

• repliement prématurés

• mauvaises interactions

• leur agrégation

Transport ADNmt

1 seule voie de transport des protéines

Transport ADNn

5 voies de transports des précurseurs 

1) avec préséquence (MI et matrice)

2) des transporteurs membranaires (MI)

3) vers l’espace inter-membranaires (EMI)

4) protéines en tonneau β (ME)

5) protéine en hélice α (ME)

Voie de transport avec préséquence

→ TIM23

→ voie majoritaire 

→Concernent 60% à 70% des protéines mitochondriales

Qu’est-ce qu’un préséquence ?

Une séquence signal terminale clivable

De quoi est composé la préséquence pour TIM23?

→ 18 acide aminés

→ Résidus polaires et hydrophobes

→ Produit une hélice α et amphiphatique 

Amphiphatique

2 côtés, un polaire et l’autre hydrophobe

TOM

Translocase of the Outer-Membrane

TIM

Translocase of the Inner-Membrane

PAM

Presequence translocase Associated Motor

MPP

Mitochondrial Processing Peptidase

Par qui est reconnu la préséquence ?

Par TOM

Par qui est pris directement en charge la préséquence du transport avec préséquence ?

Par TIM23

Par qui est clivée la préséquence ?

Par MPP

Qu’est-ce qui permet la translocation du précurseurs dans la matrice ?

∆Ψ + PAM (ATP)

→ Tire la préséquence vers la matrice et vers la membrane interne

Qu’est-ce qui permet la translocation du précurseurs dans la membrane interne ?

∆Ψ

→ signaux d’arrêt de transfert hydrophobes (segment transmembranaire)

Quel enzyme agit dans la matrice ? Dans la membrane interne ?

→ Citrate Synthase (CS)

→ Phophatidylsérine décarboxylase

Voie de transport avec transporteur membranaire

→ TIM22

Par qui est pris en charge la préséquence des transporteurs membranaires ?

Par des chaperonnes dans l’espace intermembranaire

Par qui est reconnu la préséquence ?

TOM

Comment la protéine s’insère-t-elle dans la MI ?

Par TIM 22 qui utilise ∆Ψ pour le transport et l’orientation

Exemple de complexe/protéine mis en place par TIM22 ?

→ Le transporteur ADP/ATP (AAC) composé d’un ensemble de feuillets β qui forme un pore

Voie de transport des transporteur de l’espace intermembranaire

→ MIA

→ Protéines avec motifs cystéines

• doublés CX₃C ou CX₉C

→ Séquence signal pour l’espace inter-membranaire

MIA

Mitochondrial Inter-membrane space Import

Séquence signal pour l’espace inter-membranaire

→ MISS : Mitochondrial Inter-membrane space Sorting Signal

→ ITS : Inter-membrane space-Targeting Signal

Composé d’1 hélice ⍺ hydrophobe  et adjacente à une cystéine

Par qui est pris en charge la préséquence des protéine de l’espace intermembranaire ?

Pris en charge directement par MIA

Par qui est reconnu le précurseurs des transporteurs inter-membranaires ?

Par TOM

Fonctions de MIA

Récepteur et oxydoréductase

→ Fixation : ITS interagit avec le sillon hydrophobe 

→ Pont disulfure inter-moléculaire puis intra-moléculaire → repliement de la molécule

→ MIA oxyde les précurseurs pour la formation de pont disulfure

Exemple de transporteurs de l’espace inter-membranaires 

Le cardiolipide 

Voie de transport des protéines en tonneau β

→ SAM

→ Précurseur reconnue par TOM

→ Prise en charge par des chaperonnes dans l’EIM : Chaperonnes de transfert vers TIM 

→ Insertion et maturation dans ME par SAM

SAM

Sorting and Assembly Machinery

Exemple de transport de protéines en tonneau β

Porine VDAC qui est impliqué dans: 

→ Métabolisme

→ Flux des ions

→ Signalisation des ROS

→ Apoptose

→ Perméabilité 

VDAC

Voltage Dependent Anion Chanel

Complexe TOM

→ Importe > 90% des protéines mitochondriales

→ Structure:

• Pore : dimère tonneau β (TOM40)

• Récepteurs : 

  • Préséquence (TOM20)

  • Signal interne (TOM70)

• Sorties: 

  • Préséquence vers TIM

  • Signal interne vers TIM chaperonnes et MIA

Voie de transport par des protéines à hélice α membrane externe 

→ Plus de 90% des protéines de la ME contiennent des domaines transmembranaire à hélice ⍺

→ Ne passe pas par TOM

→ Insertion dans ME par MIM

MIM

Mitochondrial IMport complex

Exemple de protéines mises en place par MIM

Misofusine 2

→ Aide à la fusion

→ Permet le voyage des mitochondries 

Protéines des OXPHOS : voie des OXA

→ Codées par l’ADNmt dans la matrice

→ Exportées dans la MI de manière co-traductionnelle

→ Ribosome mitochondrial associé à l’extrémité C-terminal de l’insertase de la MI : OXA

→ Sous-unité nucléaire avec plusieurs segment hydrophobes

OXA

OXydase Assembly

Qu’est-ce qui à lieu pendant la traduction de la voie OXA ?

→ Repliement

→ Assemblage avec sous-unité nucléaire 

Sous-unité nucléaire avec plusieurs segment hydrophobes, quelle voie ?

Voie préséquence → Matrice → Export MI par OXA

Voie préséquence → Stop-transfert → MI

De quoi dépend le nombre de crêtes ?

→ De la demande en énergie

→ Du tissu

Forme crêtes 

→ En forme de sac, ramifiés en réseaux

Structure crêtes

→ Domaine de la jonction des crêtes (CJ) : Structure tubulaire étroite

→ Système MICOS

→ Porte tout autour les complexes OXPHOS de la chaine respiratoire

→ Dimère de l’ATPsynthase à la pointe

MICOS

→ Mitochondrial Contact site and cristae Organizing System

→ Structure la courbure dr la membrane

ATPS synthase

→ Toujours en dimère, formant un angle

→ Du fait de sa forme crée un pincement à la pointe de la crête

→ Polymères d’ATP synthase capable de créer des plis, repliant les membranes sur elle-mêmes donnant ainsi une forme de sac à la crête

→ Ce compartiment à un volume moins important que la matrice mitochondriale, composé de la chaine respiratoire et de l’ATP synthase facilitant le couplage des deux 

De quoi est composé le complexe MICOS ?

De 2 complexes protéiques

→ MIC60 (MIC60+MIC19+MIC25)

→ MIC10 5MIC10+MIC26+MIC27)

+ phospholipides pour la courbure

Où se situe MIC60 ?

Dans la membrane interne et dans l’espace intermembranaire de la mitochondrie

Rôle des deux complexes protéiques dans le cintrage de la MI au niveau de la jonction des crêtes 

→ MIC60: échafaudage 

→ MIC10: Calage

ERMES

Complexe protéique qui rapproche les membrane du RE et  la membrane externe de la mitochondrie

Interactions entre les complexes de MICOS et les autre protéines mitochondriales  

→ MIC60 -TOM
→ MIC60 - SAM

→ MIC60-MIA 

Les 3 assurant le transport des protéines, et MIC60-TOM et MIC60-SAM constituant un site de contact

→ MIC60-SAM-ERMES

Microscopie confocale 

→ Observation en 2D 

→ Observation à différentes profondeur

→ Observation des couches successives

Qu’est-ce que la résolution d’un microscope ?

C’est sa capacité à détailler 2 point de fluorescence voisins

Quelles sont les limites du microscope confocale ?

→ la diffraction de la lumière ⇒ un point de la lumière émise n’a pas pour image un point mais une tache que l’on appelle tâche d’Airy

→ Le diamètre du point d’excitation ↘ la taille du point d’excitation → ↘ tâche Airy

Microscope à super résolution

→ Permet d’améliorer la résolution spatiale

Comparaison microscope à super résolution et microscope confocale limite observation

50 µm et 200µm respectivement

STED

→ STimulated Emission Depletion

→ Déplétion par émission stimulée

STED principe

→ Une fois excité, l’électron retourne à un état stable sans émission de la lumière par une longueur d’onde 

Comment peut-on réduire la surface d’excitation avec STED ?

→ On applique un faisceau de déplétion (donut) qui va éteindre tous les fluorophores sauf le centre du donut

Étapes du STED 

1) Activation 

2) Déplétion

3) Détection

Différence avec le microscope confocale

En microscopie confocale il n’y a pas la possibilité d’identifier tous les points fluorescents contrairement à la méthode du STED

COX8A

Complexe de la chaîne respiratoire

Que nous apprend de plus le STED sur la structure des mitochondries ?

→Permet de mieux comprendre la structure fine des mitochondries

→ Ex: différencier les nucléoïdes des crêtes des cluster

Que déduit on de l’observation au STED de COX8 ?

→ Nucléoïde, pas de crêtes

Que déduit on de l’observation au STED de Mic60 ?

→ Présence de nucléoïdes

→ Cluster de Mic60, pas de crêtes

Sur quoi repose la dynamique mitochondriale ?

→ Mouvements dans le cytoplasme, forme des branches 

→ Equilibre entre fusion et fission

FUSION 

→ ↗ ATP car ↗ du volume mitochondriale donc ↗ du nombre de crêtes

→ Échange du contenu matriciel 

FISSION

→ Produit des petits bouts qui sont pris en charge par la mitophagie

→ Production de ROS

→ Est responsable de la distribution des mitochondrie dans la cellule

→ Plus la surface ↗ plus il y a constriction de la part du noyau

FISSION étape

1. •  RE s’enroule autour de la mitochondrie (au niveau des sites de contact: ERMES)

   • Formation de polymères d’actine → ancre le RE sur la mitochondrie

2. • Recrutement de Drp1 qui est une dynamine sur ses récepteurs 

   • Récepteurs

     • Fis1

     • Mtf

     • MD49/51

Drp1

Dynamine-related protein

Dynamine rôle

Capable de polymère, activité de GTPase → son énergie ↙ diamètre de l’anneau de constriction → rupture de la mitochondrie

Opa1

Optic atrophy 1

FUSION étapes

→ Fusion OM par les Mitofusine (1 & 2) avec une activité GTPasique qui va rapprocher les deux mitochondries

→ Fusion IM par Opa1 qui interagissent + activité GTPase qui va les rapprocher jusqu’à fusion des 2 mitochondries 

Mfn 1 & 2

Mitofusine

Que signifie l’obtention de fluorescence au même endroit ?

Qu’il y a fusion complète

D’où viennent ces protéines de fusion ?

Du cytosol

Acteurs de la mobilité axonale

→ Microtubules : rails

→ Dynéines : rétrograde (vers la synapse)

→ KIF5 (kinésine 1): antérograde (vers le corps cellulaire)

→ SNPH (Syntaphilin): ancre, stop

Mobilité axonale

→ Nécessité de fournir de l’ATP

→ Développement des neurones : grande mobilité

→ Neurones matures

• Synapses

• Nœuds de Ranvier

• Nécessite des arrêts

→ Différents besoins en ATP en fonction des neurones:

• En développement: besoin d’ATP partout

• Neurones matures: besoin d’ATP spécifiques

→ Mouvements régulés