PHARMA3 ACCESS APPLI.

MITOCHONDRIE et CHLOROPLASTES
- RAPPELS + QCMs
- QCMs de CONCOURS
- TESTS NOTES et CORRIGES

Le nombre des mitochondries dépend du type cellulaire et de l'activité de la cellule. Ainsi, La division mitochondriale est stimulée par la demande énergétique. Les cellules ayant un besoin énergétique accru contiennent un plus grand nombre de ces organites que les cellules ayant un besoin énergétique plus faible. Par exemple, les globules rouges matures n'en ont pas du tout, tandis que les cellules hépatiques peuvent en contenir plus de 2 000. Environ 40 % du cytoplasme des cellules du muscle cardiaque est absorbé par les mitochondries.

ORIGINE DES MITOCHONDRIES ??

L'hypothèse la plus vraisemblable est celle qui considère que les mitochondries ont été formées par la fusion de deux bactéries, archéobactérie anaérobie (hôte) d'une part et protobactérie aérobie (symbionte) d'autre pour donner un eucaryote primitif duquel tous les eucaryotes actuels dériveraient. Cette hypothèse est confortée par les ressemblances existant entre les mitochondries et les bactéries:

- ADNmt non associé à des histones,
- ARNr mt se rapprochant davantage des ARNr bactériens,
- mitoribosomes sensibles aux antibiotiques antibactériens,
- la synthèse protéique débutant comme chez les Procaryotes,
- l'inhibition de cette synthèse par certains antibiotiques qui n'ont aucun effet sur la synthèse des protéines cytoplasmiques des cellules eucaryotes.
- Présence de la cardiolipine (ou cardiolipide): diphosphatidylglycérol au niveau de la membrane interne (18% des des molécules de membrane interne), qui est un lipide spécifique des membranes des bactéries et des mitochondries. Ce lipide est responsable de l'imperméabilité de la membrane mitochondriale interne aux protons.



Importance des mitochondries:
Les myopathies mitochondriales sont un groupe de maladies génétiques caractérisées par un dysfonctionnement des mitochondries, les centrales énergétiques des cellules. Ce dysfonctionnement entraîne un manque d'énergie dans les cellules musculaires, conduisant à une faiblesse musculaire progressive et d'autres symptômes

1. Caractéristiques d'une mitochondrie:

- Forme: bâtonnet ou sphérique
- Longueur: 1 à 4 μm
- Diamètre: 0,3 à 0,7 μm
- Localisation: dans toutes les cellules des Eucaryotes
- 1000/cellule, en moyenne
- Volume: 20% du cytoplasme

2. Ultrastructures des mitochondries:

Chaque mitochondrie est limitée par une enveloppe formée de 2 membranes emboîtées (7 nm d'épaisseur), séparées par un espace étroit (10 nm) : l'espace intermembranaire ou mésomembranaire.

2.1. Deux membranes chez les mitochondries

1. La membrane externe:

• Membrane externe (60 Å d’épaisseur)
• a une composition proche de celle de la membrane plasmique.
• est une bicouche lipidique de 5 à 7nm d’épaisseur.
• Elle comporte 60% de protéines et 40% de lipides (principalement phospholipides
insaturés et un peu de cholestérol).
• Elle possède des protéines de transport mais également des enzymes et des récepteurs protéiques (pour la reconnaissance et l'importation de protéines dans les mitochondries).
• En particulier, elle contient des enzymes impliquées dans le métabolisme des lipides.
• La membrane mitochondriale externe se caractérisée donc par une forte perméabilité due à la présence de protéines à plusieurs domaines transmembranaires, les porines (pores volumineux d’un diamètre de 2 à 3 nm) appartenant à la catégorie des "conductines" ou "protéines tunnel".
• Chaque porine définit un canal aqueux traversant la bicouche lipidique et laissant passer toutes les molécules de masse moléculaire égale ou inférieure à 7KDa.



• la membrane externe est perméable aux protons.
La mitochondrie a besoin d'importer plus de protéines du cytoplasme (vue sa semi-autonomie):
• Des transporteurs de protéines impliquées dans l'import des protéines et des translocases (Translocase of the Outer Membrane, TOM).

2. L’espace inter-membranaire:

C’est un espace d’une épaisseur de 4 à 7 nm dense.
Il renferme:

- des ions et des protons
- le cytochrome c jouant un rôle dans l’apoptose
- des enzymes de type kinases, qui catalysent la phosphorylation de diverses molécules. On note en particulier la présence d'adényl-kinases qui catalysent la phosphorylation de l'AMP en ADP suivant la réaction :
AMP + ATP ==> 2 ADP
- Possède des composants impliqués dans l’apoptose: caspases.

3. La membrane interne:

- Membrane interne (60 Å d’épaisseur)
- Est une bicouche lipidique de 5 à 6 nm.
- Possède une organisation très différente de celle de la membrane externe.
- Est composée de 80 % des protéines et 20 % des lipides.
- une proportion très élevée d'un phospholipide particulier , la cardiolipine qui est le diphosphatidylglycérol (lipide absent dans les autres membranes eucaryotes et présent au niveau des membranes procaryotes). Les cardiolipines sont responsables de l’imperméabilité de la membrane interne aux ions et protons.
- Présente des replis complexes appelés crêtes mitochondriales projetés dans la matrice.
- trois types principaux de protéines :
--- a - de nombreuses protéines de transport.
--- b - des protéines intervenant dans les réactions d'oxydation de la chaîne respiratoire (transfert des électrons).
--- c - un complexe enzymatique, l'ATP-synthétase assurant, à partir de l'ADP, la fabrication d'ATP dans l'espace matriciel de la mitochondrie.
- Contient des translocases (Translocase of the Inner Membrane, TIM), impliquées dans l'import des protéines.
- Comporte des protéines découplantes de la phosphorylation oxydative ou UCP (UnCoupling Protein) qui assurent le transport des protons H+ de l’espace inter membranaire vers la matrice contournant l'ATP synthase et réduisant la production d'ATP. Ce processus libère l'énergie sous forme de chaleur (thermogenèse).
- A une Faible fluidité (présence de cardiolipines, passage actif).



- La surface des crêtes est tapissée de sphères de 90 Å de diamètre reliées à la crête par un pédoncule. Il s’agit de l’ATP synthase (sphère pédonculée, كرة ذات شمراخ) qui catalyse la synthèse d’ATP.

La membrane interne représente l'entité fonctionnelle de la mitochondrie, l'usine de production de l'ATP.

La mitochondrie a besoin d'importer plus de protéines du cytoplasme (vue sa semi-autonomie). Ceci nécessite un adressage des protéines vers les membranes de la mitochondrie via des signaux:

• Des transporteurs de protéines impliquées dans l'import des protéines et des translocases (Translocase of the Outer Membrane, TOM).



- La translocase de la membrane externe (TOM: translocon of the outer membrane): principale voie pour les protéines importées dans la mitochondrie.
- La translocase de la membrane interne (TIM: translocon of the inner membrane)



Hsp (Heat Shock proteins): protéines chaperonnes

4. Matrice mitochondriale.

C’est la substance fondamentale où se produisent des réactions métaboliques
- elle occupe la chambre interne,
- Elle contient : des mitoribosomes qui ressemblent aux ribosomes bactériens mais , plus petits que ceux du hyaloplasme (synthèse protéique).
- des molécules d’ADN circulaire (ADNmt) des ARN messager et ARN de transfert.
- des granulations denses (300 Å environ) et irrégulières, formées par l’accumulation de cations, calcium et magnésium.
- de nombreux systèmes enzymatiques.

ADN mitochondrial

Les mitochondries assurent la réplication de leur ADN, la transcription de leur génome et la traduction de leur information même si le nombre de protéines codées à partir de leur génome est très limité.
- Les mitochondries possèdent leur propre génome (ADNmt) d’origine maternelle.
- Il existe en plusieurs copies par mitochondrie.
- Possède un code génétique différent de celui de l'ADN nucléaire.
- ADNmt mute 10 à 20 fois plus que l’ADN nucléaire.
- L’ADN mitochondrial est une molécule circulaire de 16569 pdb, qui ne possède pas de partie non codante (sans introns).
Il contient 37 gènes codant pour :
-- 2 gènes d'ARN ribosomiques (12S et 16S)
-- 22 gènes d'ARN de transfert nécessaires à l'expression de l'ADN mitochondrial.
-- 13 gènes codant pour des protéines de la chaîne respiratoire :
---- ND: NADH-déshydrogénase.
---- Cytb : cytochrome b (ubiquinone-cytochrome c-réductase)
---- CO : cytochrome c-oxydase
---- ATPase : ATP-synthase.



- 1 à 10 % des protéines mitochondriales sont synthétisées dans la matrice.

La mitochondrie reste cependant dépendante de l’ADN nucléaire pour la synthèse de la plupart de ses protéines : organite semi-autonome.
- La majorité des protéines de la mitochondrie proviennent du cytoplasme (environ 500 protéines.
- Il existe un système d'import protéique avec un adressage précis (séquence d'adressage et pore de translocation)

FONCTIONS DE LA MITOCHONDRIE:

La mitochondrie joue un rôle dans:
- La production d’énergie sous forme d’ATP.
- La synthèse d’hormones stéroïdes.
- L'apoptose.
- L’homéostasie calcique.
- La thermorégulation.

1. Stockage du calcium:

Les mitochondries sont avec le réticulum endoplasmique lisse, le principal réservoir du calcium. La mitochondrie est capable de capturer le calcium, de le stocker dans la matrice et de le libérer dans le cytosol. Ceci se fait à partir de canaux ioniques dans la membrane interne, PTP (permeability transition pore), et des échangeurs Na/ca.
L’ouverture des mégacanaux et la libération massive d’ions calcium sont les premiers événements qui peuvent conduire à l’apoptose.

2. Synthèse des hormones stéroïdes.

Les hormones stéroïdes dérivent toutes du noyau stérane après :



- Fixation de radicaux oxygénés
- Fixation de chaines latérales
- Désaturation.

- Les cellules glandulaires endocrines qui sécrètent les hormones stéroïdes (oestrogènes, progestérone, testostérone, corticostérone…) possèdent des mitochondries intervenant dans le début de la synthèse.
La première réaction de la stéroidogenèse est mitochondrial, le cholestérol doit donc y être transporté.

- Transfert du cholestérol vers la mitochondrie. Deux voies sont proposées :

1/ Voie non vésiculaire
Fait intervenir des transporteurs appelés lipides binding protéines dont la plus importante est la sterol carrier protein 2 (SCP2).
Le cholestérol libre présent dans le cytosol est acheminé grâce au SCP2 à la membrane mitochondriale externe.

2/ Voie vésiculaire:
Fait intervenir les endosomes, les lysosomes, et le réticulum endoplasmique (RE)

- Transfert du cholestérol vers la membrane mitochondrial interne:
Ce transfert fait intervenir :

- 2 protéines de la MM Externe : TSPO une translocase et la voltage-dépendent anion Channel (VDAC).

- 1 protéine de la MM Interne : adénine nucléotide transporter (ANT).
L’interaction entre 2 TSPO, 1 VDAC et 1 ANT va former le MPTP (the mitochondrial permeability transition pore) qui transfert du cholestérol vers la MM Interne.

- Les molécules de cholestérol pénètrent dans la matrice par des transporteurs,
- La famille des cytochromes P450 située dans la membrane interne intervient dans l’hydroxylation du cholestérol en prégnénolone.
Les cytochromes P450 sont des hémoprotéines (Fer) qui utilisent l’oxygène pour hydroxyler des molécules. Le prégnenolone ressort de la matrice mitochondrial en direction du cytosol. Dans le cytosol, sous l’effet de la deuxième famille de cytochrome P450 du réticulum endoplasmique lisse, il est transformé en divers métaboliques intermédiaires :
--- soit il donne des stéroïdes sexuels.
--- ou ce métabolique intermédiaire peut retourner à la matrice mitochondriale et sous l’effet de la troisième famille de cytochromes P450 ils sont transformés en cortisol ou aldostérone.

3. Rôle de la mitochondrie dans l’apoptose:

Introduction:

L'apoptose, ou mort cellulaire programmée, est un processus essentiel de développement et de maintien de l'intégrité des organismes multicellulaires. Les cellules en apoptose présentent des caractéristiques morphologiques et biochimiques spécifiques qui peuvent facilement être utilisées pour détecter des cellules en apoptose versus des cellules vivantes.

Propriétés morphologiques et biochimiques de l'apoptose



La mitochondrie et le cytochrome c jouent un rôle capital dans la mort cellulaire programmée. Suite au 'signal de mort', plusieurs protéines Bax s'assemblent et forment un pore de perméabilité dans la membrane externe de l'enveloppe mitochondriale.
Le pore de perméabilité ainsi crée permet la fuite du cytochrome c, normalement situé dans la mitochondrie, vers le cytosol (milieu cellulaire). La membrane mitochondriale interne se trouve altérée
Dans le cytoplasme, cytochrome c participe à l'assemblage d'un complexe protéique, l'apoptosome.
L'apoptosome active des caspases, des enzymes protéolytiques (protéases) qui dégradent les composants cellulaires, conduisant à la mort de la cellule.



Les voies d’activation de l’apoptose:
- La voie extrinsèque.
- La voie intrinsèque.

voie extrinsèque:
Les facteurs (signaux) exogènes ou endogènes perturbent l’environnement extracellulaire et activent les récepteurs de mort.



La voie intrinsèque:
L'apoptose intrinsèque peut être initiée par des perturbations aussi bien externes qu'internes à la cellule. Cette voie se décide suite a une modification du potentiel de membrane mitochondriale qui conduit au relargage (sortie ) du cytochrome c3 dans le cytoplasme.

cytochrome c: hemoproteine hydrosoluble, mobile, contenant du fer hemique, elle transporte les électrons tout au long de la membrane mitochondriale (espace inter membranaire) par une série d’oxydo reduction des complexes protéiques enzymatiques (chaine respiratoire) jusqu’à l’O2 , la réaction finale qui donne 2 molécules d’H2O dans la matrice mitochondriale .

quels sont les éléments déclencheurs de la voie intrinsèque réversible de l’apoptose ?
Se sont des agressions (stress) intracellulaires:

- Augmentation des ROS (produits réactifs de l’oxygène) = stres oxydant cytotoxique: Les sources de ROS sont exogènes (les rayons X, UV) et endogènes ( enzymes cytoplasmiques et mitochondriales qui catalysent la réduction de l’oxygene en superoxyde (O2-) hydroxyl (HO )
- Dommages à l’ADN ,
- Stress du réticulum endoplasmique,
- Activation d’oncogènes (gènes du cancer , a l’etat inactivés sont appelés proto- oncogènes )

La voie intrinsèque • comprend trois phases :
- Phase intrinsèque réversible
- Phase de perméabilité mitochondriale
- Phase d’exécution

Phase intrinsèque réversible

• Les récepteurs impliqués dans cette phase ,sont des protéines intracellulaires de la famille Bcl-2 , se sont des protéines régulatrices de l’apoptose , elle regroupent :
• - protéines pro-apoptotiques : Bax et Bak
• - anti- apoptotique : Bcl-2 et Bcl-Xl.



Phase de perméabilité mitochondriale

Bax entraîne l’augmentation de la perméabilisation mitochondriale irréversible par différents modes :
a- Interaction avec le pore de transition de perméabilité PTP (Permeability Transition Pore ) et relâchement des protéines mitochondriales dans le cytosol.
b- Formation de canaux avec VDAC « Voltage-Dependent Anion Channel » dans la membrane externe.
d- Formation des pores lipidiques.

Quelque soit le mode , la Perméabilisation par Bax entraine le relâchement de la mitochondrie :
- du cytochrome c = l’étape irréversible du processus, constitue le début de la phase d’exécution.
- du facteur induisant l’apoptose (AIF)
- de l’endonucléase G (Endo G).

Phase d’exécution

1/ Formation de l’apoptosome :
dans le cytoplasme, le cytochrome c se lie avec la protéine Apaf-1 pour former l’apoptosome en présence d’ATP. L’apoptosome se lie à la procaspase-9 par son domaine CARD afin d’activer la caspase-9. cette activation mène à l’activation des caspases effectrices : 3, 6 et 7.
2/ Clivage de l’ADN :
le clivage internucléosomique en fragments par des endonucléases dépendantes du Ca++ et du Mg++, ce clivage précède l’apparition des anomalies morphologiques.
3/ Clivage protéique :
le cytochrome c agit sur la production de ROS. Les ROS sont des produits réactifs de l’oxygène tels que l’oxygène singulet (O2), le radical superoxyde (O2-), le peroxyde d’hydrogène (H2O2) et le radical hydroxyle (OH).
Ces produits peuvent endommager les composantes cellulaires comme les protéines, les lipides et l’ADN.





4. Thermorégulation

elle se ait par activation desprotéines découplantes de la phosphorylation oxydative ou UCP (UnCoupling Protein) qui assurent le transport des protons H+ de l’espace inter membranaire vers la matrice contournant l'ATP synthase et réduisant la production d'ATP. Ce processus libère l'énergie sous forme de chaleur (thermogenèse). Le rôle de la thermogenèse est le maintien de la température à un niveau constant (37°C) chez l'Homme.

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BIOGENESE:

Théorie de l'endosymbiose : les mitochondries dérivent des bactéries aérobies qui ont été phagocytées par la cellule eucaryote primitive.



Les mitochondries proviennent de la division des mitochondries préexistantes (héritées de l’ovule) et se divisent de manière indépendante sous contrôle du noyau. La division mitochondriale est précédée par une duplication de l’ADN mitochondrial.
Les mitochondries se divisent selon deux modalités:
-- La partition, débute par la croissance d’une crête partageant la matrice en 2. -- La segmentation, qui se fait par l’étranglement de l’organite.

Pathologies des mitochondries
Les maladies mitochondriales liées à l'ADN mitochondrial touchent 1 naissance sur 10 000 et touchent les deux sexes. La transmission est maternelle. L'effet dépend du nombre de mitochondries touchées.
Les maladies mitochondriales liées au génome nucléaire touchent 1 500 protéines mitochondriales codées par le noyau.
Les tissus atteints sont ceux à gros besoins énergétiques (cerveau, muscles squelettiques, coeur…).
Des maladies en rapport avec un trouble de chaîne respiratoire mitochondriale, secondaire à une mutation des protéines mitochondriales. Ex: Neuropathie optique de Leber : il s’agit d’une neuropathie optique d'origine génétique qui commence habituellement par une diminution progressive et bilatérale de la vision chez des patients jeunes.
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2. Production de l'ATP par le vivant. Rappels:

La production d'ATP implique deux étapes complémentaires qui se déroulent l'une dans le cytosol et est appelée phase cytosolique et l'autre dans la mitochondrie et est appelée phase mitochondriale.



1 - Phase cytosolique

Les "carburants bruts" qui alimentent "l'usine mitochondriale" sont fournis par l'alimentation (glucides, lipides et à un degré moindre des protéines). Ils sont ingérés par les cellules sous forme de complexes macromoléculaires. Les premières étapes de leur dégradation ont lieu dans le cytosol.

a - Les glucides : Par le processus de la glycolyse (voir annexe) , la majorité des oses fournissent du pyruvate qui pénètre dans les mitochondries pour être transformé en acétyl-coenzyme A.

b - Les lipides : Par les processus de la lipolyse, ils sont dégradés dans le cytosol en glycérol (qui rejoint la voie de la glycolyse et donne du pyruvate qui pénètre dans les mitochondries) et en acides gras et qui pénètrent dans les mitochondries pour être transformé en acétyl-coenzyme A .

c - Les protéines : sont transformés en acides aminés dont une certaine partie donne naissance à du pyruvate (qui pénètrent dans les mitochondries) et d’autres donnent dans la mitochondrie, de l’acétyl-coenzyme A et d’autres donnent des métabolites intermédiraires du cycle de Krebs qui rejoignent ce cycle dans la mitochondrie pour terminer leur décarboxylation et déshydrogénation.

2- Phase mitochondriale (respiration cellulaire).

- Ensemble de réactions complexes qui aboutissent à la formation d’ATP et qui sont accompagnées par des échanges gazeux respiratoires: absorption d’O₂ et dégagement de CO₂.
La formation d'ATP passe par un dérivé commun l'acétyl-coenzyme A (acétyl-coA), combustible "raffiné" utilisé par la mitochondrie (vitamine transporteur du groupe acétyl). L'ensemble des réactions se produisant dans la mitochondrie peut être arbitrairement découpé en étapes :

a- obtention de l'acétyl coA par:

---- oxydation des acides gras suivant un cycle de réaction connu sous le nom d'hélice de Lynen (béta oxydation dans la matrice mitochondriale). Exemple:
Bilan de la béta-oxydation:le bilan de la béta-oxydation de l'acide palmitique est:

Ac. palmitique + ATP + 8 HSCoA + 7 FAD + 7 NAD+ + 8 H2O -->
8 CH3CO-SCoA + AMP + 2 Pi + 7 FADH2 + 7 NADH, H+

---- décarboxylation oxydative du pyruvate grâce à une pyruvate déshydrogénase en présence de coenzyme A et de NAD (nicotamide-adénine-dinucléotide), transporteur et accepteur d'hydrogène (lieu matrice de la mitochondrie).



---- décarboxylation de certains acides aminés.
Il se forme de l'acétyl coA qui va être stocké dans la matrice mitochondriale.

b- Décarboxylation et déshydrogénation de l'acétyl coA (lieu matrice mitochondriale). Cycle de Krebs (passage de C6 à C4):

Le groupement acétyl de l’acétyl-coA est introduit, dans la matrice mitochondriale, dans un cycle de neuf réactions, le cycle de l'acide citrique ou cycle de Krebs.
Au cours de cycle le groupement acétyl sera décarboxylé pour donner 2 CO₂ et déshydrogéné.
Les hydrogènes (proton et électron) sont arrachés aux substrats et sont repris par des accepteurs, des coenzymes :

* Le NAD (nicotamide-adénine-dinucléotide): NAD + 2 H+ +2 e- ------> NADH + H+
* Le FAD (flavine-adénine-dinucléotide): FAD + 2 H+ + 2 e- ------> FADH₂

Le bilan de l’oxydation d’un acétyl dans le cycle de krebs:





c- Introduction des atomes H+ dans la chaîne respiratoire d'oxydo-réduction (lieu membrane interne mitochondriale):

Les coenzymes réduites (NADH, FADH2) cèdent leurs électrons à haute énergie à des transporteurs localisés dans la membrane interne de la mitochondrie :
* l'ubiquinone (coenzyme Q), petite molécule liposoluble, très mobile
* les cytochromes b, c, a
L'ensemble de ces transporteurs, temporairement assemblés dans l'ordre exact de leurs interactions, constitue la chaîne respiratoire, véritable générateur d'énergie.

Le NADH,H+ subit une déshydrogénation au niveau du complexe NADH déshydrogénase dans la membrane interne mitochondriale.

NADH+H+ → NAD+ + 2H+ + 2e-

Seuls les e- seront transportés le long de la chaîne respiratoire qui comporte 3 complexes enzymatiques respiratoires principaux ainsi que 2 transporteurs intermédiaires:

---- a- Complexe NADH déshydrogénase ou complexe I: (Plus de 22 chaînes polypeptidiques):
Accepte des e- du NADH,H+ et les transporte à l’ubiquinone (Q).

---- b- Complexe cytochrome b-c 1 ou cmplexe III: (8 chaînes polypeptidiques)
Contient un atome de fer ou de cuivre qui permet le transport des e- de l’ubiquinone vers le cytochrome c.

---- c- Complexe cytochrome oxydase ou complexe IV: (9 chaînes polypeptidiques au moins)
Accepte des e- du cytochrome c et les transmet à O₂ qui capte en même temps des protons.



d- Création d'un gradient électrochimique et phosphorylation oxydative
L'énergie libérée lorsque les électrons passent d'un transporteur à l'autre est utilisée pour pomper des protons (H+) à travers la membrane. Il s'agit d'un transport actif, nécessitant l'énergie.
Normalement, la concentration des protons H+ dans l'espace intermembranaire est plus élevée que dans la matrice mitochondriale. Le transport de H+ se fait contre leur gradient de concentration.
Il se crée ainsi, au niveau de la membrane interne, un potentiel de membrane, la face matricielle, étant électronégative (à cause des pertes de H+), la face opposée électropositive (arrivée du flux de protons H+).

Comme la membrane interne est imperméable aux protons, il se crée un gradient de pH entre la matrice et l’espace intermembranaire. Le gradient électrochimique ainsi crée tend à faire rentrer dans la matrice les protons, qui passent par un transporteur qui est une ATP-synthétase. Celle-ci catalyse la phosphorylation dans la matrice de l'ADP en ATP.
Lorsque la chaîne respiratoire fonctionne, les protons entrent donc dans la matrice et l'ATP synthétase catalyse la phosphorylation de l'ADP, assurant la régénération de l'ATP.
La phosphorylation étant couplée aux réactions d'oxydation de la chaîne respiratoire, l'ensemble du phénomène porte le nom de phosphorylation oxydative. C'est une collaboration entre la chaîne respiratoire et l'ATP synthase pour transporter les ions H+ contre leur gradient de concentration, créant ainsi un gradient électrochimique utilisé pour la production d'ATP.

L’ATP synthase utilise l’énergie du flux protonique pour synthétiser l’ATP à partir d’ADP et Pi dans la matrice.

ADP + Pi + énergie → ATP

C’est une phosphorylation oxydative puisque l’énergie provient des H2 des substrats par oxydation (1ère étape).

- production d’eau :
2H+ + 2e- + ½ O2 → H2O

voir schéma récapitulatif de la Chaine respiratire sur takween.com

En biologie, les organismes autotrophes produisent leur propre matière organique à partir de matières minérales, tandis que les hétérotrophes dépendent de la consommation d'autres organismes ou de matière organique préexistante pour leur alimentation.

Autotrophes:
Ils synthétisent leur propre nourriture à partir de substances inorganiques comme le dioxyde de carbone et l'eau, en utilisant l'énergie solaire (photosynthèse) ou des réactions chimiques (chimiosynthèse).
Les plantes, les algues et certaines bactéries sont des exemples d'organismes autotrophes. Ils sont souvent appelés "producteurs" dans les écosystèmes car ils fournissent la base de la chaîne alimentaire.

Hétérotrophes:
Ils ne peuvent pas produire leur propre nourriture et doivent consommer d'autres organismes ou matière organique pour obtenir l'énergie et les nutriments nécessaires à leur survie.
Les animaux, les champignons et la plupart des bactéries sont des organismes hétérotrophes. Ils sont souvent appelés "consommateurs" dans les écosystèmes.

Les chloroplastes sont des organites cellulaires spécialisés, siège de la photosynthèse.

La photosynthèse consiste en une consommation de CO₂ et H₂O, en présence de lumière et une production d’O₂ et de molécules organiques telles que le glucose.

1. Caractéristiques des chloroplastes



2. Ultrastructures



Double membrane:

Le chloroplaste est un organite semi-autonome qui possède (comme la mitochondrie) son propre matériel génétique et une double membrane phospholipidique:

• membrane externe, relativement perméable

• membrane interne, peu perméable, présente des replis.

Thylakoïdes: sacs membranaires aplatis et clos ( 70 Å épaisseur)

les thylakoïdes, empilés et formant des granas (ensemble de granum). Contient des acides gras insaturés et des pigments (chlorophylle et caroténoïde) souvent associés à des protéines.

- disposés au grand axe du chloroplaste.
- thylakoïdes du stroma: allongés.
- thylakoïdes du granum: petits, de forme discoïde empilés entre les thylakoïdes du stroma.
- présence de sphères (ATP synthétase)
- présence de pigments

• stroma: ADN, ribosomes, amidon, globules lipidiques, …

2. Chlorophylle: pigment de la photosynthèse



- Possède un noyau tétrapyrrolique: pyrroles I, II, III et IV reliés par des ponts méthylènes (CH)
- Chl a : radical CH3
- Chl b: radical aldéhyde (CHO) (au niveau du pyrolle II)
- Présence d’un atome de magnésium (Mg²⁺)
- Molécule amphiphile et liposoluble:
--- hydrophile par les noyaux tétrapyrroliques.
--- Hydrophobe par une longue chaîne phytol.



La chlorophylle, pigment essentiel à la photosynthèse, n'est pas directement fixée sur les lipides de la membrane des thylakoïdes. Elle est plutôt associée à des protéines, formant des complexes protéine-pigment au sein de la membrane. Ces complexes, appelés photosystèmes, sont enchâssés dans la matrice lipidique de la membrane thylakoïdienne .
Les protéines jouent un rôle crucial dans l'organisation et la stabilité des complexes chlorophylle-protéines, ainsi que dans le transfert efficace de l'énergie lumineuse
Les chlorophylles sont ancrées dans les membranes thylakoïdes des chloroplastes grâce à une chaîne hydrocarbonée lipidique, appelée phytol, qui est hydrophobe et s'insère dans les couches lipidiques de la membrane, tandis que la partie absorbant la lumière (le noyau tétrapyrrolique) est plus hydrophile et interagit avec les protéines.

Spectres d'absorption:

Les pigments sont caractérisés par leur spectre d'absorption:
-la chlorophylle a absorbe la lumière dans les λ bleues 430 nm) et rouges 660 nm)
- la chlorophylle b absorbe la lumière dans les λ bleues 445 nm) et
rouges 645 nm)
- les caroténoïdes absorbent essentiellement dans le bleu (entre 400 et
500 nm)




FONCTION DU CHLOROPLASTE

Introduction (wikipedia):

Il existe deux types de respiration chez les plantes :

-- La respiration cellulaire ou mitochondriale, qui intervient en permanence, jour et nuit, par absorption d'oxygène (O2), rejet de gaz carbonique (CO2) et rejet de vapeur d'eau (H2O vapeur). Elle est assurée par la chaîne respiratoire située dans la membrane des mitochondries.
-- La "respiration" photosynthétique par photosynthèse, qui intervient uniquement le jour en présence de lumière, par absorption de gaz carbonique (CO2), rejet massif d'oxygène (O2) et rejet de vapeur d'eau (H2O vapeur) (? inverse de la respiration mitochnondriale).

À noter que l'oxygène, consommé pendant la respiration cellulaire mitochondriale et produit pendant la photosynthèse, est présent dans l'atmosphère en quantités beaucoup plus importantes et traverse également la feuille.

PHOTOSYNTHESE:

Au sein des cellules chlorophylliennes, la photosynthèse se déroule dans les chloroplastes. Ces organites de grande taille (environ 10 micromètres de long) possèdent une enveloppe composée d’une double membrane, et un système endomembranaire formant des saccules : les thylakoïdes.
-- La conversion de l’énergie lumineuse en énergie de liaison chimique et en pouvoir réducteur se réalise au niveau des membranes des thylakoïdes.
-- La réduction du carbone inorganique (CO₂) en carbone organique a lieu dans le stroma du chloroplaste. Cette matière organique synthétisée peut être stockée temporairement sous la forme de grains d’amidon.

Équation simplifiée de la photosynthèse : 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Réaction bilan de la photosynthèse:



L'oxygène provient-il de CO₂ ou de l’eau H₂O ?

En utilisant un isotope lourd de l’oxygène (¹⁸O) à la place de l’oxygène habituel (¹⁶O), il s'avère que c’est l’eau (H₂O) qui est à l’origine du dioxygène.

Pour former une molécule de dioxygène, il faut donc 2 molécules d’eau.
Ces résultats montrent que l’on peut décomposer la réaction photosynthétique en deux groupes de réactions :

- Oxydation de l'eau.
- Réduction du dioxyde de carbone.



L’ensemble des réactions composant la photosynthèse peut être décomposé en deux groupes :
- des réactions mettant directement en jeu la lumière. On parle de phase photochimique de la photosynthèse (phase claire) donnant l'ATP et un pouvoir réducteur NADPH qui sera utilisée dans la phase sombre produisant la matière organique (lieu: membrane thylakoïdienne);
- des réactions plus lentes, sans utilisation directe de la lumière. On parle de phase biochimique de la photosynthèse (phase sombre) (lieu: stroma).



1/ Phase claire: Les photosystèmes captent l’énergie lumineuse des photons et la transmettent, grâce aux électrons chargés, à une chaîne d’accepteurs d’électrons. C’est la phase photochimique. Cette phase nécessite de la lumière et aboutit à la formation d’ATP et NADPH (il existe 2 photosystèmes PSI (700 nm) et PSII (680 nm) qui absorbent les grandes longueurs d’onde)

Le couple NADP+/NADPH joue le rôle d’intermédiaire entre l’oxydation de l’eau et la réduction du CO₂. De plus, l’ATP sert aussi d’intermédiaire énergétique : de l’ATP est formé en conséquence du fonctionnement de la chaîne photosynthétique, et est ensuite utilisé lors de la formation des composés carbonés (phase sombre).



L’excitation des pigments chlorophylliens photosynthétiques contenus dans les thylakoïdes par les photons lumineux permet la photolyse moléculaire de l'eau. L'eau cède des électrons et des protons pour donner du dioxygène, c'est l'oxydation de l'eau.

2 H₂O → O₂ + 4 H+ + 4 e-

Les électrons sont transférés le long de la membrane du thylakoïde.
Lors de ce transfert, il y a un échange de protons H⁺ du stroma vers l'intérieur du thylakoïde (espace intrathylacoïdien).



L’accumulation de H+ dans les thylakoïdes forme un gradient de pH qui représente une énergie potentielle : le flux de protons ressortant des thylakoïdes au sein des ATP synthétases donne naissance aux molécules hautement énergiques d’ATP (adénosine triphosphate) à partir d’ADP + Pi (phosphate inorganique).
C’est le retour de ces H+ dans le stroma qui permettra de faire fonctionner l’ATP synthase qui est ancrée dans la membrane des thylakoïdes, et qui permet la fabrication d’ATP à partir d’ADP + Pi.
Les H+ sortant des ATP synthases sont récupérés dans le stroma par les coenzymes R+ (NADP+) qui sont alors réduits en RH2 (NADPH, H+).
L'énergie lumineuse a ainsi été transformée en énergie chimique.

le bilan de la phase claire est donc le suivant :

2 H₂O + 2 ADP + 2 Pi + 2 H+ → O₂ + 4 H+ + 2 ATP

Les produits de la phase claire sont l'O₂, le H+ et l'ATP.

2. Phase sombre:

- Phase cyclique, débute dans le stroma et finit dans le cytosol.
- Phase non photochimique
- Incorporation de carbone minéral, issu du CO₂ de l’air, dans les molécules organiques.
- NADPH et ATP produits lors de la phase claire fournissent le pouvoir réducteur (H₂) et l'énergie nécessaires à la synthèse de glucides par réduction du CO₂ atmosphérique via le cycle de Calvin.



L’assimilation du CO₂ se fait en quatre étapes principales dont les trois premières se déroulent dans le cycle de Calvin.

--- Fixation du CO₂ carboxylation (enzyme RUBISCO, Ribulose 1,5 bisphosphate carboxylase oxygénase)

--- Réduction du carbone fixé où on passe d'un acide (phosphoglycérate, C3) à un aldéhyde (phosphoglycéraldéhyde, C3). - Une partie du phosphoglycéraldéhyde est utilisée pour régénérer le RuBP, tandis que le reste sert à synthétiser du glucose et d'autres glucides.

--- Régénération de l’accepteur de CO₂ (ribulose 1,6 bis-phosphate à C5):
- Sur 6 molécules de phosphoglycéraldéhyde produites, 5 sont recyclées pour régénérer 3 molécules de RuBP (nécessaires pour un nouveau cycle), consommant de l'ATP.
- 1 molécule de phosphoglycéraldéhyde sort du cycle pour former des glucides (comme le glucose ou l'amidon).

--- Synthèse des sucres (triose phosphate, C3).

Schéma du cycle de Calvin (bilan pour 3 tours):

Il faut 3 tours pour produire 1 molécule de triose-P et donc 6 tours pour produire 2 triose-P (1 molécule de Glucose).

RUBISCO: Ribulose 1,5 bisphosphate carboxylase oxygénase) enzyme la plus répandue sur terre.

- 2 fonctions: carboxylase et oxygénase:
---- carboxylase : responsable de la fixation du CO₂ donc carboxylation du RuBP - Cycle de Calvin
---- oxygénase : oxygénation du RuBP , en consommant de l’O₂ et libérant du CO₂

Lors de la phase sombre de la photosynthèse (aussi appelée phase chimique), qui a lieu dans le stroma du chloroplaste en absence de lumière, les produits de la phase claire sont utilisés pour former des sucres.

Les atomes de carbone et d'oxygène du CO₂ vont se retrouver dans les molécules de glucose C₆H₁₂0₆.

On a donc une réduction du dioxyde de carbone en glucose:

6 CO₂ + 24 H+ + 24 e- → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

La phase sombre a été plus amplement expliquée par Calvin et Benson. Elle se déroule en trois étapes qu'on nomme le cycle de Calvin :

La fixation du CO2 et la formation d'APG (phosphoglycérate ou Acide PhosphoGlycérique)
L'APG est un sucre à 3 carbones et 1 phosphate. Il est formé grâce à la fixation du carbone du CO₂ sur un sucre à 5 carbones et 2 phosphates, le RuBP (ribulose1-5biphosphate). Cette réaction se fait grâce à une enzyme : la Rubisco (Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase).

3 CO2 + 3 RuBP (5C) → 6 APG (3C)

La production de phosphoglycolate

C'est ici que les produits de la phase claire sont utilisés. Ils permettent de produire un intermédiaire essentiel : le phosphoglycolate.

6 APG (3C) + 6 ATP → 6 Phosphoglycolates (3C) + 6 ADP + 6 Pi

La régénération de RuBP

Cette étape est la dernière qui permet de boucler le cycle de Calvin. Une partie du phosphoglycolate produit est utilisée pour reformer le RuBP.

6 Phosphoglycolates (3C) + 3 ATP → 3 RuBP (5C) + 3 ADP + Phosphoglycolate (3C)

Le phosphoglycolate est ensuite métabolisé pour former du glucose (C₆H₁₂O). Il faudra deux cycles de Calvin pour produire une molécule de glucose.



Les facteurs influençant la photosynthèse:

Plusieurs facteurs externes affectent le taux de photosynthèse chez les plantes. Les principaux sont l'intensité lumineuse, la concentration en dioxyde de carbone (CO₂), la température, et la disponibilité en eau.

La lumière est la source d'énergie pour la photosynthèse. Son intensité, sa qualité (longueur d'onde) et sa durée d'exposition affectent le taux de photosynthèse. Un manque ou un excès de lumière peut limiter la photosynthèse.
Le CO₂ est la source de carbone utilisée par les plantes pour produire des sucres. Une augmentation de la concentration en CO₂ peut initialement augmenter le taux de photosynthèse, mais au-delà d'un certain seuil, cet effet diminue. De plus, une concentration trop faible en CO₂ peut limiter la photosynthèse.
Température: La température affecte les réactions enzymatiques impliquées dans la photosynthèse. Chaque espèce de plante a une température optimale pour la photosynthèse. Des températures trop basses ou trop élevées peuvent réduire le taux de photosynthèse.
L'eau est un élément essentiel pour la photosynthèse. Elle est impliquée dans de nombreuses réactions chimiques et sert également de solvant. Une carence en eau peut entraîner la fermeture des stomates, réduisant ainsi l'absorption de CO₂ et diminuant le taux de photosynthèse.

À noter que la photosynthèse inclut, chez la plupart des plantes, une étape de suppression de produits toxiques (essentiellement la glycolate et l'ammoniaque), générés "par erreur" lors de la réaction. Cette étape, appelée "photorespiration ou cycle de Tolbert", absorbe de l'oxygène (O₂) et rejette du gaz carbonique (CO₂) comme pour la respiration cellulaire (mitochondriale), mais en impliquant la coopération de trois organes cellulaires : le chloroplaste, la mitochondrie et le peroxysome (voir cours peroxysome).



- Lorsque le taux de CO₂ à l'intérieur de la feuille chute à environ 50 ppm, la Rubisco commence à combiner l'O₂ avec le RuBP au lieu du CO₂ .



- Le résultat net est qu'au lieu de produire des molécules de 2(3C)PGA, une seule molécule de PGA est produite, ce qui produit une molécule 2C toxique appelée phosphoglycolate (à détoxifier dans le peroxysome!).
- La plante doit se débarrasser du phosphoglycolate, car il est hautement toxique.
- Elle convertit la molécule en acide glycolique, qui est transporté vers le peroxysome, puis reconverti en glycine.
- Cette glycine est ensuite transportée vers les mitochondries où elle est désaminée pour produire de la sérine.



- La sérine est ensuite utilisée pour fabriquer d'autres molécules organiques.
- Toutes ces conversions coûtent de l'énergie à la plante et entraînent une perte nette de CO₂.
- Pour empêcher ce processus, deux ajouts biochimiques spécialisés ont évolué dans le monde végétal : le métabolisme du C4 et celui des CAM.

QCMs DE CONCOURS

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