Informations

Qu'est-ce que la longueur de course mitochondriale?


Je lis l'article de journal suivant et je suis tombé sur la déclaration suivante:

La surexpression de GSK-3β augmente significativement les mitochondries mobiles d'une manière dépendante de la protéine Tau. Cependant, GSK-3β ne modifie pas la vitesse mitochondriale ou la longueur de la séquence mitochondriale.

Je comprends ce qu'est la vitesse mitochondriale, mais je ne sais pas exactement ce que l'on entend par longueur de course mitochondriale. Toutes les idées sont appréciées.


La longueur de course signifie à quelle distance les mitochondries se déplacent, chaque fois qu'elles se déplacent.

L'article auquel cette référence fait référence est :

"GSK3β est impliqué dans le soulagement des mitochondries en pause d'une manière dépendante de Tau".


Qu'est-ce que la longueur de course mitochondriale? - La biologie

Figure 1 : Formes et tailles des mitochondries. (A) Image de microscopie électronique d'une cellule de foie de rat mettant en évidence de nombreux organites importants et illustrant la taille et la forme des mitochondries. (B) Reconstruction par cryomicroscopie électronique de la structure d'une mitochondrie lamellaire. (C) Structure réticulaire des mitochondries dans une cellule de levure en herbe. Les cicatrices des bourgeons sont étiquetées séparément en bleu. (D) Réseau mitochondrial réticulaire dans une cellule de rat kangourou PtK2. Les mitochondries sont visibles en vert et ont été marquées avec un anticorps contre les protéines responsables du transport des protéines à travers les membranes mitochondriales. La tubuline des microtubules est marquée en rouge et le noyau est représenté en bleu. (A adapté de DW Fawcett, The Cell, Its Organelles and Inclusions: An Atlas of Fine Structure, WB Saunders, 1966, B avec l'aimable autorisation de Terry Frey, C adapté de A. Egner et al., Proc. Nat. Acad. Sci. , 99:3379 (2002) D adapté de R. Schmidt et al., NanoLetters, 9:2508, 2009.)

Les mitochondries sont réputées comme les usines énergétiques des cellules eucaryotes, le siège d'un ensemble de machines moléculaires liées à la membrane synthétisant l'ATP qui alimente de nombreux processus cellulaires. On pense maintenant que les mitochondries des cellules eucaryotes proviennent d'une cellule ancestrale prenant un procaryote par un processus tel que l'endocytose ou la phagocytose et plutôt que de le détruire, optant pour une coexistence pacifique dans laquelle ces anciennes bactéries sont finalement venues fournir la monnaie énergétique du cellule. L'un des vestiges de cette ancienne vie est la présence d'un petit génome mitochondrial qui ressemble davantage à ses précurseurs procaryotes qu'à son hôte eucaryote.

Figure 2 : La structure d'une mitochondrie. (A) Image en microscopie électronique d'une mitochondrie du pancréas d'une chauve-souris. (B) Schéma illustrant les trois espaces membranaires pertinents pour les mitochondries ainsi que la connectivité. (Adapté de D. W. Fawcett, The Cell, Its Organelles and Inclusions: An Atlas of Fine Structure, W. B. Saunders, 1966.)

Au-delà de leur ascendance fascinante, les mitochondries sont également provocantes en raison de leur grande diversité en termes de taille et de forme. Bien que probablement familière à beaucoup pour la morphologie représentée sur la figure 1 avec sa forme caractéristique de type bactérie de la taille d'un micron et sa série de lamelles internes représentées sous forme agrandie sur la figure 1, en fait, les mitochondries ont une multitude de phénotypes structuraux différents. Ces formes vont des morphologies de type oignon aux structures réticulaires telles que celles illustrées sur les figures 1C et D dans lesquelles la mitochondrie est un objet étendu, à une foule d'autres formes bizarres qui surviennent lorsque les cellules sont exposées à un environnement riche en oxygène ou qui émergent dans certains états pathologiques. Ces mitochondries réticulaires peuvent s'étendre sur des dizaines de microns.

Comme le montre la figure 2, les images de microscopie électronique des mitochondries encouragent leur description de manuel comme approximativement de forme sphérocylindrique (c'est-à-dire des cylindres avec des calottes hémisphériques) d'une longueur d'environ deux microns et d'un diamètre d'environ un micron. Ces organites sont caractérisés par deux systèmes membranaires qui séparent l'espace en trois régions distinctes, à savoir l'espace externe à la mitochondrie, l'espace intermembranaire entre les membranes interne et externe de la mitochondrie et la matrice, qui est le volume enfermé par la membrane interne. Différentes morphologies mitochondriales respectent toutes cette connectivité organisationnelle de base.

Combien y a-t-il de mitochondries dans une cellule ? Un ordre de grandeur caractéristique pour la levure serait de 10 1 et pour les cellules de mammifères de 10 3 -10 4 , mais attention, l'idée même de « compter » les mitochondries peut être délicate dans de nombreux cas car les mitochondries sont parfois des objets réticulaires et non distincts en forme d'arachide. . Par exemple, les levures cultivées sur de l'éthanol contiennent un plus grand nombre (20-30, BNID 103070) de petites mitochondries discrètes tandis que lorsque ces mêmes cellules sont cultivées sur du glucose, elles en contiennent un plus petit nombre (

3, BNID 103068) de grandes mitochondries ramifiées. Ces morphologies distinctes n'affectent pas significativement la fraction du volume cellulaire occupée par les mitochondries et sont probablement liées aux différentes exigences d'un mode de vie respiratoire versus respiro-fermentaire.


Sommaire

  1. Les mitochondries sont des structures en forme de bâtonnets de 2 à 8 micromètres de long entourées de deux membranes.
  2. Les mitochondries sont situées dans tout le cytoplasme.
  3. Les mitochondries fonctionnent pendant la respiration aérobie pour produire de l'ATP par phosphorylation oxydative.
  4. Les enzymes respiratoires et les porteurs d'électrons du système de transport d'électrons sont situés dans la membrane interne des mitochondries. Les enzymes du cycle de l'acide citrique (cycle de Krebs) sont situées dans la matrice.
  5. Les mitochondries se répliquent, donnant naissance à de nouvelles mitochondries au fur et à mesure qu'elles grandissent et se divisent. Ils ont aussi leur propre ADN et ribosomes.

Dynamique

Formellement, le terme « dynamique mitochondriale » inclut toutes les différentes manières dont les caractéristiques géométriques des réseaux mitochondriaux changent au fil du temps. Plus communément, la « dynamique mitochondriale » fait référence à la dynamique de fission et de fusion qui remodèle constamment le réseau mitochondrial. La fission coupe un tubule en deux tandis que la fusion peut lier deux tubules ensemble pour former un tubule plus long ou une branche. L'équilibre de la fission et de la fusion est important pour façonner les réseaux mitochondriaux plus de fission que la fusion conduit à des réseaux sur-fragmentés tandis que plus de fusion que la fission conduit à des réseaux sur-connectés par rapport aux réseaux normaux de type sauvage (articles originaux examinés dans [24]) (Figure 2a). Si la fusion est suffisamment augmentée par rapport à la fission, toutes les régions mitochondriales séparées ont le potentiel d'être interconnectées en un seul réseau mitochondrial. La mitochondrie «individuelle» canonique ou les petits sous-réseaux mitochondriaux apparaissent en raison d'événements de fission. Cependant, ce ne sont en fait pas des individus séparés mais des sous-régions temporairement séparées de l'ensemble du réseau mitochondrial qui est dans un certain état de fission et de fusion à un moment donné. Des études de photoconversion de protéines rapporteurs ciblées sur la matrice chez la levure ont montré que l'ensemble du réseau mitochondrial est complètement interconnecté, et donc le contenu de la matrice de l'ensemble du réseau mélangé, dans les 5 secondes après le début de la photoconversion dans la moitié des cellules tandis que dans l'autre moitié, 30 à 95% du réseau est interconnecté dans ce délai. En 10 minutes, l'ensemble du réseau de toutes les cellules est devenu interconnecté et tout le contenu de sa matrice s'est mélangé [2]. Étant donné que le taux moyen de fission et de fusion dans les cellules de levure est d'environ un par minute par cellule [25], cela suggère que dans la plupart des cellules, la majeure partie du réseau est déjà interconnectée et que dans le reste des cellules, il le devient à travers plusieurs événements de fusion. Dans les cellules de mammifères, les taux de fission et de fusion sont plus lents [26] et les réseaux mitochondriaux sont également beaucoup plus importants. Une diminution du taux de dynamique et une augmentation de la taille devraient conduire à une période plus longue sur laquelle les réseaux mitochondriaux sont interconnectés, conformément aux observations expérimentales [27, 28]. De plus, comme la fusion nécessite un potentiel membranaire mitochondrial [29, 30], les sous-régions du réseau qui ont perdu la capacité de fonctionner correctement et de générer ce potentiel membranaire peuvent rester séparées indéfiniment et sont censées être ciblées pour la mitophagie [28] .

Les machines moléculaires responsables de l'exercice de la dynamique de fission et de fusion ont été largement étudiées. La fission se produit à travers la protéine Dnm1p, qui est une DRP (protéine liée à la dynamique) GTPase qui peut s'assembler en une structure en spirale et se contracter lors de l'activation par les protéines accessoires Mdv1p et Fis1p [31, 32]. Curieusement, le RE est associé à des sites de légères constrictions des tubules mitochondriaux qui deviennent de futurs sites de fission. Ces constrictions peuvent permettre la liaison Dnm1p et des événements de fission plus efficaces [33]. Récemment, l'activation de l'activité de polymérisation de l'actine via les formines a également été impliquée sur ces sites de fission mitochondriale associés au RE, suggérant qu'un mécanisme possible de la constriction mitochondriale associée au RE pourrait être la régulation de la dynamique du cytosquelette [34]. La fusion implique deux autres DRP, Fzo1p et Mgm1p, pour la fusion de la membrane externe et de la membrane interne, respectivement, les deux processus étant coordonnés par Ugo1p [35]. Le processus de fusion nécessite la liaison et l'hydrolyse du GTP ainsi qu'un potentiel membranaire [29, 30].

En plus de réguler la topologie du réseau mitochondrial, la dynamique de fission et de fusion peut contribuer à la santé homéostatique du réseau mitochondrial. Récemment, un « mécanisme de contrôle de la qualité mitochondrial » a été proposé sur la base de résultats expérimentaux et informatiques [36]. Comme illustré sur la figure 3, les événements de fusion permettent le mélange du contenu mitochondrial endommagé par oxydation généré comme sous-produit de la respiration. Ainsi, un fragment mitochondrial endommagé peut être restauré lorsqu'il se réfugie dans le réseau. La fusion elle-même dépend du potentiel membranaire mitochondrial. Par conséquent, plus un fragment de réseau est endommagé, moins il est susceptible de refondre. Au lieu de cela, s'il reste isolé, il est ciblé pour le renouvellement par mitophagie. La fission, quant à elle, est le mécanisme qui permet la création continue de petits fragments mitochondriaux, qui peuvent soit fusionner avec le réseau, soit être séparés s'ils sont excessivement endommagés. Ce modèle met en place un cadre important pour déchiffrer la causalité entre la structure et la fonction mitochondriale.

Le diagramme du « mécanisme de contrôle de la qualité mitochondrial » montre trois moments séquentiels de fission et de fusion. Les flèches dans le temps 1 représentent deux événements de fission. La flèche dans le temps 3 représente la refusion du fragment rose au réseau et la dissipation de ses dommages. Le fragment rouge a accumulé trop de dégâts et ne peut pas refusionner avec le réseau. Il sera ciblé pour la mitophagie. La barre de couleur représente la quantité de dommages mitochondriaux.


Importation d'acides gras dans les mitochondries

Le système mitochondrial de la carnitine joue un rôle obligatoire dans la bêta-oxydation des acides gras à longue chaîne en catalysant leur transport dans la matrice mitochondriale. Ce système de transport se compose de la carnitine palmitoyltransférase I sensible au malonyl-CoA (CPT-I) localisée dans la membrane externe mitochondriale, de la carnitine:acylcarnitine translocase, une protéine intégrale de la membrane interne, et de la carnitine palmitoyltransférase II localisée du côté de la matrice de la membrane interne . La carnitine palmitoyltransférase I est soumise à une régulation au niveau transcriptionnel et à un contrôle aigu par la malonyl-CoA. Le domaine N-terminal de CPT-I est essentiel pour l'inhibition de la malonyl-CoA. Dans le foie, l'activité de la CPT-I est également régulée par des modifications de la sensibilité de l'enzyme au malonyl-CoA. Comme les fluctuations de la teneur en malonyl-CoA des tissus sont parallèles aux modifications de l'activité de l'acétyl-CoA carboxylase, qui à son tour est sous le contrôle de la protéine kinase activée par 5'-AMP, le système CPT-I/malonyl-CoA fait partie d'un carburant jauge de détection, éteindre et allumer l'oxydation des acides gras en fonction de la demande énergétique du tissu. Des mécanismes supplémentaires de contrôle à court terme de l'activité du CPT-I sont en train d'émerger. Un mécanisme proposé implique une interaction directe dépendante de la phosphorylation/déphosphorylation des composants du cytosquelette avec la membrane externe mitochondriale ou CPT-I. Nous avons proposé que les sites de contact entre les membranes mitochondriales externe et interne forment un microenvironnement qui facilite le système de transport de la carnitine. De plus, ce système comprend l'acyl-CoA synthétase et la porine à longue chaîne en tant que composants.


Un clivage inactivant dépendant de la mitofusine-2 d'Opa1 lie les changements dans les crêtes mitochondriales et les contacts ER dans le foie postprandial

Le métabolisme hépatique nécessite que les mitochondries adaptent leur production bioénergétique et biosynthétique pour accompagner l'état anabolique/catabolique en constante évolution de la cellule hépatique, mais le câblage de ce processus est encore largement inconnu. À l'aide d'un modèle de foie de souris postprandial et d'une analyse quantitative cryo-EM, nous montrons que lorsque la cible mammifère hépatique de la voie de signalisation du complexe de rapamycine 1 (mTORC1) se désengage, le réseau mitochondrial se fragmente, la densité des crêtes chute de 30 % et la capacité respiratoire mitochondriale diminue de 20%. Au lieu de cela, les contacts mitochondries-ER (MERC), qui assurent la médiation des flux de calcium et de phospholipides entre ces organites, doublent de longueur. Ces événements sont associés à l'expression transitoire de deux fragments C-terminaux (CTF) non identifiés auparavant de l'atrophie optique 1 (Opa1), une GTPase mitochondriale qui régule la biogenèse des crêtes et la dynamique des mitochondries. L'expression des CTF Opa1 dans l'espace intermembranaire n'a aucun effet sur la morphologie des mitochondries, soutenant un modèle dans lequel ils sont des intermédiaires d'un programme de dégradation d'Opa1. À l'aide d'un test in vitro, nous montrons que ces CTF proviennent en effet du clivage d'Opa1 au niveau de deux sites consensus conservés au cours de l'évolution qui se situent dans les replis critiques de la GTPase. Ce traitement d'Opa1, appelé clivage C, est médié par l'activité d'une protéase à cystéine dont l'activité est indépendante de celle d'Oma1 et de la forme rhomboïde associée à la préséniline (PARL), deux régulateurs connus d'Opa1. Cependant, le clivage C nécessite la mitofusine-2 (Mfn2), un facteur clé dans l'attache mitochondrie-ER, reliant ainsi le remodelage des crêtes à l'assemblage MERC. Ainsi, in vivo, les mitochondries s'adaptent aux changements métaboliques à travers le remodelage parallèle des crêtes et des MERC via un mécanisme qui dégrade Opa1 dans une voie dépendante de Mfn2.

Mots clés: Mfn2 Opa1 mTORC1 mitochondries mitochondries–contacts ER.

Déclaration de conflit d'intérêts

Les auteurs ne déclarent aucun conflit d'intérêt.

Les figures

Perte postprandiale de la signalisation mTORC1…

La perte postprandiale de la signalisation mTORC1 est liée à la fragmentation du système mitochondrial…

Perte postprandiale de la signalisation mTORC1…

La perte postprandiale de la signalisation mTORC1 s'accompagne d'une diminution crêtes densité et respiration…

Expression transitoire des CTF Opa1…

Expression transitoire des CTF Opa1 lors de la perte de la signalisation mTORC1. ( UNE et…

Le clivage Opa1 C in vitro est…

Le clivage Opa1 C in vitro est effectué par une protéase à cystéine qui agit en aval…

Le clivage Opa1 C détruit l'intégrité d'Opa1…

Le clivage Opa1 C détruit l'intégrité d'Opa1 et produit des fragments qui ne sont pas compétents pour…


Corrélation structure-fonction mitochondriale

Les mitochondries contiennent deux membranes, séparées par un espace. Les deux sont la structure typique de la « membrane unitaire » (voie ferrée). A l'intérieur de l'espace délimité par la membrane interne se trouve la matrice. Cela semble modérément dense et on peut trouver des brins d'ADN, des ribosomes ou de petits granules dans la matrice. Les mitochondries sont capables de coder une partie de leurs protéines avec ces outils moléculaires. Le dessin ci-dessus montre le schéma des membranes mitochondriales et des compartiments fermés. Retour au menu

La nourriture que nous mangeons est oxydée pour produire des électrons à haute énergie qui sont convertis en énergie stockée. Cette énergie est stockée dans des liaisons phosphate à haute énergie dans une molécule appelée adénosine triphosphate, ou ATP. L'ATP est converti à partir de l'adénosine diphosphate en ajoutant le groupe phosphate avec la liaison à haute énergie. Diverses réactions dans la cellule peuvent soit utiliser de l'énergie (par laquelle l'ATP est reconverti en ADP, libérant la liaison à haute énergie), soit la produire (par laquelle l'ATP est produit à partir d'ADP).

Les mitochondries sont les sources d'énergie des cellules. Ce sont des organites distincts avec deux membranes. Habituellement, ils sont en forme de tige, mais ils peuvent être ronds. La membrane externe limite l'organite. La membrane interne est jetée dans des plis ou des étagères qui se projettent vers l'intérieur. On les appelle "cristae mitochondriales". La micrographie électronique ci-dessus tirée de Fawcett, A Textbook of Histology, Chapman et Hall, 12e édition, 1994, montre l'organisation des deux membranes.

Pour la séance de discussion, lisez les pages suivantes dans votre texte : pp 653-676 et 569-672. Alberts et al, Biologie moléculaire de la cellule, Garland Publishing, troisième édition, 1994

Étapes de la glycolyse à la chaîne de transport d'électrons. Pourquoi les mitochondries sont-elles importantes ?

Décomposons chacune des étapes afin que vous puissiez voir comment les aliments se transforment en paquets d'énergie ATP et en eau. La nourriture que nous mangeons doit d'abord être convertie en produits chimiques de base que la cellule peut utiliser. Certains des meilleurs aliments énergétiques contiennent des sucres ou des glucides. du pain par exemple. En utilisant cet exemple, les sucres sont décomposés par des enzymes qui les divisent en la forme de sucre la plus simple appelée glucose. Ensuite, le glucose pénètre dans la cellule par des molécules spéciales dans la membrane appelées « transporteurs de glucose ».

Une fois à l'intérieur de la cellule, le glucose est décomposé pour produire de l'ATP selon deux voies. La première voie ne nécessite pas d'oxygène et est appelée métabolisme anaérobie. Cette voie est appelée glycolyse et se produit dans le cytoplasme à l'extérieur des mitochondries. Au cours de la glycolyse, le glucose est décomposé en pyruvate. D'autres aliments comme les graisses peuvent également être décomposés pour être utilisés comme combustible (voir le dessin suivant). Chaque réaction est conçue pour produire des ions hydrogène (électrons) qui peuvent être utilisés pour fabriquer des paquets d'énergie (ATP). Cependant, seules 4 molécules d'ATP peuvent être fabriquées par une molécule de glucose passant par cette voie. C'est pourquoi les mitochondries et l'oxygène sont si importants. Nous devons continuer le processus de décomposition avec le cycle de Kreb à l'intérieur des mitochondries afin d'obtenir suffisamment d'ATP pour exécuter toutes les fonctions cellulaires.

Les événements qui se produisent à l'intérieur et à l'extérieur des mitochondries sont schématisés dans le dessin ci-dessus. Le pyruvate est transporté dans les mitochondries et y est converti en acétyl Co-A qui entre dans le cycle de Kreb. Cette première réaction produit du dioxyde de carbone car elle implique l'élimination d'un carbone du pyruvate.

Comment fonctionne le cycle de Krebs ?

L'idée derrière la respiration dans les mitochondries est d'utiliser le cycle de Krebs (également appelé cycle de l'acide citrique) pour extraire autant d'électrons que possible de la nourriture que nous mangeons. Ces électrons (sous forme d'ions hydrogène) sont ensuite utilisés pour entraîner des pompes qui produisent de l'ATP. L'énergie transportée par l'ATP est ensuite utilisée pour toutes sortes de fonctions cellulaires telles que le mouvement, le transport, l'entrée et la sortie des produits, la division, etc. L'explication suivante est très simple et se concentre uniquement sur le cheminement du pyruvate à travers le cycle. Cependant, il illustre le processus et ses fonctions.

Pour exécuter le cycle de Krebs, vous avez besoin de plusieurs molécules importantes en plus de toutes les enzymes. Consultez votre texte pour plus de détails sur les enzymes elles-mêmes. Cette présentation portera sur les donneurs, les porteurs et les accepteurs d'électrons. Tout d'abord, vous avez besoin de pyruvate, qui est fabriqué par glycolyse à partir de glucose. Ensuite, vous avez besoin de molécules porteuses pour les électrons. Il en existe deux types : l'un est appelé nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+) et l'autre est appelé flavine adénine dinucléotide (FAD+). La troisième molécule, bien sûr, est l'oxygène.

Le pyruvate est une molécule à 3 carbones. Après avoir pénétré dans les mitochondries, il est décomposé en une molécule à 2 carbones par une enzyme spéciale (voir le texte pour plus de détails sur la biochimie de chaque étape). Cela libère du dioxyde de carbone. La molécule à 2 carbones s'appelle Acetyl CoA et elle entre dans le cycle de Kreb en se joignant à une molécule à 4 carbones appelée oxaloacétate. Une fois les deux molécules réunies, elles forment une molécule à 6 carbones appelée acide citrique (2 carbones + 4 carbones = 6 carbones). C'est de là que le cycle de l'acide citrique tire son nom. de cette première réaction qui fait de l'acide citrique. L'acide citrique est ensuite décomposé et modifié par étapes (voir le texte pour plus de détails) et, lorsque cela se produit, des ions hydrogène et des molécules de carbone sont libérés. Les molécules de carbone sont utilisées pour produire plus de dioxyde de carbone et les ions hydrogène sont captés par le NAD et le FAD (voir ci-dessous). Finalement, le processus produit à nouveau l'oxaloacétate à 4 carbones. La raison pour laquelle le processus est appelé cycle, c'est parce qu'il se termine toujours là où il a commencé. avec de l'oxaloacétate disponible pour se combiner avec plus d'acétyl coA.

Qu'est-ce que la « phosphorylation oxydative » ?

Tout d'abord, quelques définitions de base. Lorsque vous retirez des ions hydrogène ou des électrons d'une molécule, vous « oxydez » cette molécule. Lorsque vous donnez des ions hydrogène ou des électrons à une molécule, vous « réduisez » cette molécule. Lorsque vous donnez des molécules de phosphate à une molécule, vous "phosphorylez" cette molécule. Ainsi, la phosphorylation oxydative (très simplement) désigne le processus qui couple l'élimination des ions hydrogène d'une molécule et la transmission de molécules de phosphate à une autre molécule. Comment cela s'applique-t-il aux mitochondries?

Au cours du cycle de Krebs, des ions hydrogène (ou électrons) sont donnés aux deux molécules porteuses dans 4 des étapes. Ils sont captés par le NAD ou le FAD et ces molécules porteuses deviennent NADH et FADH (car elles portent maintenant un ion hydrogène). Le dessin suivant montre ce qui se passe ensuite.

Ces électrons sont transportés chimiquement vers la chaîne respiratoire ou de transport d'électrons trouvée dans les crêtes mitochondriales (voir les dessins animés ci-dessus et ci-dessous ce paragraphe). Le NADH et le FADH servent essentiellement de bac dans le plan latéral de la membrane diffusant d'un complexe à l'autre. Sur chaque site se trouve une pompe à hydrogène (ou à protons) qui transfère l'hydrogène d'un côté de la membrane à l'autre. Cela crée un gradient à travers la membrane interne avec une concentration plus élevée d'ions hydrogène dans l'espace intercristae (c'est l'espace entre les membranes interne et externe).

Le dessin suivant montre les complexes individuels dans la chaîne de transport d'électrons. Les électrons sont transportés de complexe en complexe par l'ubiquinone et le cyclochrome C.

La troisième pompe de la série catalyse le transfert des électrons à l'oxygène pour produire de l'eau. Ce pompage chimiosmotique crée un gradient électrochimique de protons à travers la membrane qui est utilisé pour entraîner la "machine de production d'énergie". l'ATP synthase. Cette molécule se trouve dans de petites particules élémentaires qui se projettent à partir des crêtes. Le dessin ci-dessous montre une particule élémentaire. Voir également sa projection de la membrane interne dans la figure précédente montrant la vue d'ensemble des crêtes.

Comme indiqué ci-dessus, ce processus nécessite de l'oxygène, c'est pourquoi il est appelé « métabolisme aérobie ». L'ATP synthase utilise l'énergie du gradient d'ions hydrogène (également appelé proton) pour former de l'ATP à partir d'ADP et de phosphate. Il produit également de l'eau à partir de l'hydrogène et de l'oxygène. Ainsi, chaque compartiment de la mitochondrie est spécialisé pour une phase de ces réactions.

Voici comment l'oxydation est couplée à la phosphorylation :

A revoir : le NAD et le FAD suppriment les électrons qui sont donnés lors de certaines étapes du cycle de Kreb ou de l'acide citrique. Ensuite, ils transportent les électrons vers les pompes de transport d'électrons et les donnent aux pompes. Ainsi, le NAD et le FAD sont « oxydés » car ils perdent les ions hydrogène vers les pompes. Les pompes transportent ensuite les ions hydrogènes vers l'espace entre les deux membranes où ils s'accumulent en une concentration suffisamment élevée pour alimenter les pompes ATP. Avec suffisamment de carburant, ils « phosphorylent » l'ADP. C'est ainsi que l'« oxydation » est couplée à la « phosphorylation ».

Les hydrogènes qui sont renvoyés dans la matrice par la pompe ATP se combinent ensuite avec l'oxygène pour produire de l'eau. Et c'est très important car, sans oxygène, ils vont s'accumuler et le gradient de concentration nécessaire au fonctionnement des pompes ATP ne permettra pas aux pompes de fonctionner.

Alors, pourquoi avons-nous besoin de mitochondries ?

TL'idée derrière ce processus est d'obtenir autant d'ATP que possible du glucose (ou d'autres produits alimentaires). Si nous n'avons pas d'oxygène, nous n'obtenons que 4 molécules de paquets d'énergie ATP pour chaque molécule de glucose (en glycolyse). Cependant, si nous avons de l'oxygène, nous exécutons le cycle de Kreb pour produire beaucoup plus d'ions hydrogène pouvant faire fonctionner ces pompes ATP. Du cycle de Kreb, nous obtenons 24 à 28 molécules d'ATP à partir d'une molécule de glucose convertie en pyruvate (plus les 4 molécules que nous avons obtenues de la glycolyse). Ainsi, vous pouvez voir combien d'énergie nous pouvons extraire d'une molécule de glucose si nos mitochondries fonctionnent et si nous avons de l'oxygène.

Vous pouvez maintenant apprécier l'importance des crêtes. non seulement ils contiennent et organisent la chaîne de transport d'électrons et les pompes ATP, mais ils servent également à séparer la matrice de l'espace qui contiendra les ions hydrogène, permettant le gradient nécessaire à l'entraînement de la pompe. Lorsque la discussion se concentre sur la façon dont les mitochondries déplacent les protéines dans la matrice, vous verrez une autre raison pour laquelle ce gradient d'ions hydrogène (protons) est si important !

Comme le montrent les dessins ci-dessus, les molécules de la chaîne de transport d'électrons se trouvent sous la forme d'un cluster organisé dans les crêtes. Ces plateaux membranaires peuvent être plus nombreux dans les mitochondries qui sont plus actives dans la production d'ATP. Ainsi, ils peuvent augmenter la densité de ces membranes en fonction des besoins. Le muscle de vol d'un colibri a de nombreuses crêtes dans chaque mitochondrie, car le besoin est si grand.
Retour au menu

Les mitochondries peuvent être séparées et les membranes interne et externe peuvent être dissociées. Il en résultera une fraction ne contenant que la membrane interne et la matrice. Ceux-ci ont été appelés « mitoplastes ». Ils sont fonctionnels et nous ont permis d'en savoir plus sur la compartimentation des mitochondries. On peut ouvrir les mitoplastes et voir la surface intérieure de la membrane après coloration négative des membranes. Cela dépose des taches autour des projections de surface. Avec cette méthode, on peut voir les particules élémentaires se projeter de la surface interne des crêtes. Ce sont les molécules d'ATP synthase (ou particules élémentaires) discutées dans la section précédente.

Les caricatures de la section précédente montraient le cytochrome C situé juste à l'extérieur de la membrane interne. C'est une protéine périphérique lâchement attachée située dans l'espace contenu par les crêtes. En fait, si la membrane externe est retirée, le cytochrome C est souvent perdu et doit être remplacé pour favoriser la fonction du mitoplaste.

Comment les cytochimistes savent-ils que le cytochrome C se trouve sur la membrane interne ? Nous pouvons faire des tests cytochimiques pour ce cytochrome et les résultats sont indiqués sur cette figure. Notez que le produit de réaction enzymatique est confiné aux crêtes et délimite en fait les crêtes. Malheureusement, comme c'est le cas avec la plupart des cytochimies enzymatiques, le produit de la réaction se propage et il semble qu'il remplit l'espace intermembranaire. Cela reflète l'orientation du cytochrome C. Il se trouve dans l'espace entre les membranes des crêtes, ce qui suggère qu'il se trouve à côté du feuillet externe de la membrane des crêtes, plutôt que du feuillet interne (opposé à celui des particules élémentaires, ou ATP synthétase).


Fond

Les mitochondries sont le centre de production d'énergie dans la cellule. Ils sont généralement nombreux et polymorphes, et leur forme globale dépend d'un équilibre entre la fusion et la fission des mitochondries individuelles [1]. Ces processus sont contrôlés par plusieurs protéines [2], dont la dynamine-related protein 1 (Drp1) [3, 4], et les mitofusines (par exemple, Mfn 1 et 2) [5]. Les mitochondries se déplacent également de manière complexe à travers les cellules vivantes [6], probablement portées par des moteurs à base d'actine/myosine et de dynéine/kinésine le long des réseaux de microfilaments et de microtubules [7, 8].

Dans la plupart des cellules humaines, les mitochondries contiennent 10 3 à 10 4 copies d'un génome circulaire de 16 569 paires de bases qui code pour deux ARN ribosomiques, 22 ARNt et 13 polypeptides qui forment des parties de la chaîne respiratoire située dans la membrane mitochondriale interne [9 , dix]. Une région régulatrice non codante abrite une origine de réplication plus deux promoteurs, un sur chacun des deux brins. La transcription à partir de ces promoteurs génère des transcrits polycistroniques qui sont traités pour produire des ARNr, des ARNt et des ARNm matures. Un transcrit généré à partir de l'un des promoteurs amorce également la réplication de l'ADN mitochondrial (ADNmt). Les régions codant pour les protéines des ARN résultants sont traduites par des ribosomes dans la mitochondrie. Cependant, la plupart des protéines mitochondriales sont codées par le noyau, elles sont fabriquées par les ribosomes cytoplasmiques et importées à travers des pores spécialisés dans les mitochondries où elles se combinent avec celles codées par le génome mitochondrial [11, 12].

Comme on pouvait s'y attendre, les mutations affectant les mitochondries conduisent à un ensemble complexe de pathologies et les troubles qui en résultent sont les plus fréquentes des erreurs innées du métabolisme, avec une incidence estimée à au moins une naissance vivante sur 10 000 [13]. Certaines mutations causales surviennent dans le génome nucléaire (par exemple, dans NDUFS4, 7, et 8 dans les syndromes de Leigh et Leigh-like), d'autres dans le syndrome mitochondrial. Par exemple, les transitions A à G des nucléotides 3243 et 8344 de l'ADNmt sous-tendent respectivement l'encéphalopathie mitochondriale avec acidose lactique et épisodes de type accident vasculaire cérébral (MELAS) et l'épilepsie myoclonique avec fibres rouges déchiquetées (MERFF). Contrairement aux individus normaux chez lesquels la plupart des copies d'ADNmt sont génotypiquement similaires (homoplasmiques), la plupart des patients souffrant de troubles de l'ADNmt ont des copies dissemblables (hétéroplasmiques). Par conséquent, il est intéressant de savoir comment le nombre de copies d'ADNmt est régulé, comment l'homoplasmie est maintenue chez les individus normaux et à quelle vitesse les mutations se propagent dans la population d'ADNmt pour donner naissance au phénotype mutant [13-15]. Malheureusement, nous manquons encore de réponses précises à de telles questions chez l'homme car on n'en sait pas assez sur l'organisation des génomes individuels, heureusement, on en sait plus sur l'organisation chez la levure [1, 2].

Nous examinons maintenant l'organisation des génomes mitochondriaux dans une lignée cellulaire humaine qui contient des mitochondries marquées avec la protéine fluorescente jaune (YFP). Cette lignée est dérivée de la lignée du carcinome de la vessie, ECV304 – également connue sous le nom de T-24 [16] – et des mitochondries individuelles peuvent facilement être observées dans le cytoplasme mince de ces cellules de type épithélial.


Fichier supplémentaire 1 : Figure S1.

Génération de cellules TRAP1 KO et profilage métabolique supplémentaire. (a) Flux de travail pour la génération de clones TRAP1 KO médiés par CRISPR/Cas9. Contrairement aux clones HEK293T et HCT116, les clones A549 et UMUC3 TRAP1 KO ont été isolés par tri cellulaire activé par fluorescence à l'aide d'un vecteur permettant l'expression de mCherry (voir Fichier complémentaire 16 : Tableau S9). (b) Traces OCR de cellules WT et KO HCT116 avec Glc + Pyr + Gln comme sources de carbone. (c-i) Traces OCR et ECAR de cellules WT et KO HEK293T ou HCT116 avec différentes sources de carbone primaires.

Fichier supplémentaire 2 : Figure S2.

Flux de carbone et quantification totale des métabolites cibles. (a) Schematic metabolic map showing the flow and distribution of 13 C atoms in metabolites of the TCA cycle when cells consume 13 C-Gln. Note that most of these metabolites traced with 13 C-Gln were found to be upregulated in TRAP1 KO cells. (b, c) Total quantitation of target metabolites in WT and KO HEK293T and A549 cells. Note that this is “total” quantitation and should not be confused with 13 C tracing. Total quantitation must be combined with the information provided in Additional file 4: Table S2 to infer metabolites with increased 13 C incorporation. Data points on bar graphs indicate metabolite concentration per 10 6 cells from each biological replicate (m = 2).

Additional file 3: Table S1.

Quantitative estimation of target metabolites in HEK293T and A549 cells.

Additional file 4: Table S2.

Quantitative 13 C tracing in target metabolites in HEK293T and A549 cells.

Additional file 5: Figure S3.

TRAP1 truncation and point mutants. (a) Schematic representation of the constructs for expression of mitochondrially targeted TRAP1 and EGFP. (b) Fluorescence micrographs showing proper targeting of mitoEGFP to mitochondria. Mitochondria are revealed with Mitotracker RED . (c) Expression analysis of TRAP1 truncation mutants by immunoblotting with an antibody to their HA-tag. (d) ATPase activity assay for the TRAP1 double mutant E115A/R402A. (e) Quantitation of basal respiration rates in WT versus KO HEK293T cells expressing the indicated proteins. Note that all ATPase mutants can rescue the KO phenotype to WT levels.

Additional file 6: Figure S4.

Analysis of the whole cell proteome and TRAP1-associated proteins. (a) Control immunoblot performed to check TRAP1 WT and mutant expression in the KO cells used for the IP-MS experiments. (b, c) Comparative relative abundance of proteins immunoprecipitated with the indicated TRAP1 ATPase muatnts or WT TRAP1. The scatterplot was generated as mentioned in the legend to Fig. 4a. (d, e) Scatter plots comparing the levels (LFQ intensities) of the 3679 high confidence proteins between WT and KO HEK293T or HCT116 cells. Note that proteins highlighted in red above or below the 2-fold cutoff did not change consistently between the two cell lines.

Additional file 7: Table S3.

List of all identified proteins pulled down with TRAP1 using an IP-MS analysis with WT TRAP1, and the TRAP1 mutants E115A/R402A and ΔStrap.

Additional file 8: Table S4.

List of high confidence TRAP1 interacting proteins (from Additional file 10: Table S3) filtered for mitochondrial localization and a minimum of 4 or more identified unique peptides (with a few exceptions).

Additional file 9: Table S5.

List of mitochondrial proteins identified in the SILAC analysis comparing WT to TRAP1 KO UMUC3 cells. Note that only those proteins were considered that were identified and quantitated in all three replicates.

Additional file 10: Table S6.

Complete list of proteins identified in whole cell LFQ MS analysis to compare WT to TRAP1 KO HEK293T and HCT116 cells.

Additional file 11: Table S7.

List of high confidence proteins identified in whole cell LFQ analysis to compare WT to TRAP1 KO HEK293T and HCT116 cells. The 4578 proteins from Additional file 10: Table S6 were reduced to 3679 by selecting only those with at least 4 identified unique peptides in the LFQ analysis.

Additional file 12: Figure S5.

An extension of Figure 5 showing TRAP1-GST pulldown MS strategy and analysis, and a control experiment for mitochondrial lysis conditions. (a) TRAP1-GST pulldown strategy. (b) Venn diagram of the proteins identified by the MS analysis. Note that TRAP1 peptides are the only unique ones in the TRAP1-GST pulldown samples compared to the GST controls. (c) TRAP1 complexes from mitochondria, lysed with the indicated buffers, analysed by native PAGE and SDS-PAGE. The standard lysis buffer contained 1 mM DTT and 0.1% Triton X-100 (first lane) variations as indicated. IGEPAL, IGEPAL CA-630 (Sigma-Aldrich #I30211).

Additional file 13: Table S8.

TRAP1 complex MS analysis.

Additional file 14: Figure S6.

TRAP1 is not induced by HIF1α and the TRAP1 complex is ubiquitous. (a) Quantitative RT-PCR analysis of the mRNA levels for HIF1α and TRAP1. All data are reported as means ± SEM (m = 3). (b) Analysis of TRAP1 complexes from indicated cell lines by native PAGE and SDS-PAGE.


Conclusion

The wealth of recent data from MA experiments across taxa provides a picture of the mutation spectrum that is far from evolutionarily constant. Mitochondrial genomes from yeast, worm, flies, and mouse experience qualitatively different mutational input, yet maintain qualitatively similar nucleotide content through a mutation-conversion-selection balance that remains to be explained. While pervasive positive selection has recently been posited for the mtDNA [27], this theory remains controversial [28]. The wealth of new MA data suggests that background selection [29] must have strong effects on the evolution of a completely linked mitochondrial genome that experiences extensive purifying selection to remove mutations. Far from being a neutral molecule, the mitochondrial genome appears to have ample scope to be shaped by negative as well as positive selection.