B4 · Mitochondries et peroxysomes
Biogenèse mitochondriale et importation des protéines
Expliquer l'origine des mitochondries par division d'organites préexistants et la double origine de leurs protéines. Décrire les mécanismes d'importation et d'adressage des protéines codées par le noyau.
Biologie cellulaire7 min de lecture17 QCM corrigés
Une biogenèse à partir de mitochondries préexistantes
Une mitochondrie ne se forme pas spontanément à partir du cytosol. Toute mitochondrie provient de la croissance puis de la division d’une mitochondrie préexistante. Cette continuité organellaire est liée à l’origine endosymbiotique des mitochondries et à la persistance d’un génome mitochondrial propre.
La biogenèse associe plusieurs processus coordonnés :
- réplication de l’ADN mitochondrial et expression des gènes mitochondriaux ;
- synthèse cytosolique puis importation des protéines codées par le noyau ;
- synthèse, importation et remodelage des lipides membranaires ;
- croissance des membranes et renouvellement des complexes moléculaires ;
- répartition des constituants lors de la division mitochondriale.
La structure générale, l’ADN mitochondrial et sa transmission maternelle sont traités dans la fiche précédente du sous-bloc.
Fusion et division mitochondriales
Les mitochondries forment un réseau dynamique dont la morphologie résulte d’un équilibre entre fusion et division, aussi appelée fission.
La fusion homogénéise les protéines, les lipides et les molécules d’ADN mitochondrial au sein du réseau. La division permet au contraire de répartir les mitochondries lors de la prolifération cellulaire, de les distribuer dans les différentes régions de la cellule et d’isoler certaines portions altérées avant leur élimination.
La multiplication mitochondriale n’est pas strictement couplée au cycle cellulaire. Une cellule peut adapter la masse de son réseau mitochondrial à ses besoins énergétiques et métaboliques.
La double origine des protéines mitochondriales
Les protéines mitochondriales ont deux origines génétiques.
Une petite minorité des protéines est codée par l’ADN mitochondrial et synthétisée dans la matrice par les ribosomes mitochondriaux. La très grande majorité est codée par l’ADN nucléaire. Après transcription nucléaire, les ARN messagers correspondants sont traduits par des ribosomes libres du cytosol.
Les protéines nucléaires destinées aux mitochondries sont d’abord produites sous forme de précurseurs protéiques. Elles portent une information d’adressage qui permet leur reconnaissance sélective, puis leur transfert vers le compartiment mitochondrial approprié.
L’importation est généralement post-traductionnelle : la chaîne polypeptidique est synthétisée dans le cytosol avant de traverser une membrane mitochondriale. Des protéines chaperonnes cytosoliques empêchent son agrégation et la maintiennent dans une conformation suffisamment dépliée pour franchir les pores de translocation.
Porte d’entrée de la membrane externe
La plupart des précurseurs nucléaires empruntent d’abord le complexe TOM, translocase de la membrane mitochondriale externe. Des récepteurs situés à la surface cytosolique reconnaissent le signal d’adressage, puis dirigent la protéine vers le canal de translocation.
Le passage par TOM constitue une étape commune à plusieurs voies, mais ne détermine pas à lui seul la destination finale. Après cette porte d’entrée, des signaux supplémentaires et des complexes spécialisés assurent le tri entre la matrice, la membrane interne, l’espace intermembranaire et la membrane externe.
La préséquence mitochondriale
Les protéines destinées à la matrice et une partie de celles destinées à la membrane interne portent souvent une préséquence à leur extrémité N-terminale.
Une hélice amphiphile possède une face hydrophobe et une face hydrophile. Cette organisation, plutôt qu’une séquence unique universelle, est reconnue par les récepteurs mitochondriaux. La préséquence est souvent retirée après l’importation par une peptidase de maturation.
Importation dans la matrice
Après son passage dans TOM, une protéine destinée à la matrice est transférée au complexe TIM23, translocase de la membrane interne. Les complexes TOM et TIM23 se rapprochent temporairement afin que la chaîne traverse successivement les deux membranes.
Deux sources d’énergie interviennent donc. Le potentiel électrique transmembranaire, avec une matrice négative par rapport à l’espace intermembranaire, favorise le passage de la préséquence positive. L’hydrolyse de l’ATP fournit l’énergie nécessaire aux chaperonnes matricielles qui empêchent le retour de la chaîne et favorisent son entrée complète.
La protéine importée doit ensuite se replier et, selon sa fonction, s’assembler avec d’autres sous-unités. Cet assemblage peut associer des sous-unités d’origine nucléaire et mitochondriale.
Tri vers les membranes et l’espace intermembranaire
Protéines de la membrane interne
Plusieurs voies permettent l’insertion dans la membrane interne.
Dans la voie dépendante de TIM23, une préséquence initie l’importation, puis un segment hydrophobe agit comme signal d’arrêt de transfert. La translocation s’interrompt et le segment est libéré latéralement dans la bicouche lipidique.
Les protéines multipassages, qui traversent plusieurs fois la membrane interne, possèdent plutôt des signaux internes. Après TOM, elles sont protégées dans l’espace intermembranaire par de petites chaperonnes, puis insérées par le complexe TIM22. Cette insertion dépend également du potentiel électrique de la membrane interne.
Enfin, certaines protéines entrent d’abord dans la matrice avant d’être insérées dans la membrane interne par le complexe OXA. Cette voie participe aussi à l’insertion des protéines synthétisées par les ribosomes mitochondriaux.
Protéines de l’espace intermembranaire
Une protéine peut être dirigée vers l’espace intermembranaire par arrêt de son transfert au niveau de la membrane interne, suivi d’un clivage qui libère sa partie soluble.
Une autre voie repose sur le système MIA. Après le passage par TOM, la formation de liaisons disulfure stabilise le repliement de certaines protéines dans l’espace intermembranaire. Leur repliement empêche leur retour à travers le canal et les piège ainsi dans ce compartiment.
Protéines de la membrane externe
Certaines protéines de la membrane externe sont insérées grâce à des signaux hydrophobes reconnus par des machineries spécialisées. Les protéines formant des tonneaux bêta passent d’abord par TOM, traversent l’espace intermembranaire avec l’aide de chaperonnes, puis sont assemblées dans la membrane externe par le complexe SAM.
Coordination et contrôle de qualité
La biogenèse impose une coordination précise entre l’expression nucléaire et l’expression mitochondriale. Les sous-unités d’un même complexe doivent être synthétisées dans des proportions compatibles, importées au bon endroit puis assemblées. Une sous-unité non assemblée risque de s’agréger ou de perturber la membrane.
Les chaperonnes facilitent le maintien à l’état déplié, la translocation et le repliement final. Des protéases mitochondriales éliminent les précurseurs mal importés, les protéines mal repliées et les sous-unités surnuméraires. La biogenèse n’est donc pas une simple production de matière : elle comprend aussi un contrôle permanent de l’intégrité du protéome mitochondrial.
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