B4 · Mitochondries et peroxysomes
Peroxysomes et métabolisme oxydatif
Décrire le peroxysome, ses enzymes et son rôle dans l'oxydation des acides gras à très longue chaîne. Expliquer la production et la détoxification du peroxyde d'hydrogène et les conséquences d'un défaut peroxysomal.
Biologie cellulaire6 min de lecture15 QCM corrigés
Organisation du peroxysome
Les peroxysomes sont présents dans la plupart des cellules eucaryotes. Leur nombre, leur taille et leur contenu enzymatique varient selon le type cellulaire et son activité métabolique. Ils sont particulièrement abondants dans les cellules réalisant d'importantes réactions de détoxification ou de métabolisme lipidique.
Le peroxysome possède plusieurs caractéristiques structurales essentielles :
- il est limité par une seule bicouche lipidique ;
- il ne contient ni ADN ni ribosomes ;
- ses protéines sont donc codées par le génome nucléaire puis synthétisées sur des ribosomes libres du cytosol ;
- sa matrice renferme notamment des oxydases et la catalase ;
- sa membrane contient des transporteurs permettant les échanges de métabolites avec le cytosol.
L'absence d'ADN distingue le peroxysome de la mitochondrie. La structure, le génome et la biogenèse mitochondriale relèvent des fiches voisines.
Importation des protéines peroxysomales
Les enzymes destinées à la matrice peroxysomale portent une courte séquence d'acides aminés appelée signal d'adressage peroxysomal. Ce signal est reconnu dans le cytosol par des récepteurs spécifiques.
Deux grands signaux d'adressage matriciel existent :
- le signal PTS1, situé à l'extrémité carboxy-terminale de nombreuses protéines ;
- le signal PTS2, situé près de l'extrémité amino-terminale d'un nombre plus restreint de protéines.
Le récepteur cytosolique reconnaît le signal, conduit la protéine jusqu'à la membrane peroxysomale puis participe à sa translocation dans la matrice. Particularité importante, certaines protéines peuvent être importées après leur repliement, voire sous forme d'assemblages de plusieurs sous-unités.
Les peroxysomes apparaissent par croissance et division de peroxysomes préexistants, avec apport de nouvelles protéines et de nouveaux lipides. Certaines structures préperoxysomales peuvent également recevoir des constituants provenant du réticulum endoplasmique.
Enzymes oxydatives et production de peroxyde d'hydrogène
Le peroxysome réalise des réactions d'oxydation au cours desquelles un substrat perd des électrons. Plusieurs enzymes peroxysomales transfèrent directement ces électrons au dioxygène.
La réaction générale d'une oxydase peroxysomale peut s'écrire :
Le peroxyde d'hydrogène est une espèce réactive de l'oxygène. Il est moins réactif que certains radicaux libres, mais peut favoriser leur formation et oxyder les lipides, les protéines ou les acides nucléiques. Sa production impose donc une détoxification rapide.
La catalase possède principalement une activité catalasique :
Elle peut aussi avoir une activité peroxydatique : le peroxyde d'hydrogène sert alors à oxyder un autre composé. Le peroxysome associe ainsi, dans un même compartiment, les enzymes qui produisent et celle qui le neutralise. Cette compartimentation limite l'exposition du reste de la cellule aux produits oxydants.
Oxydation des acides gras à très longue chaîne
Avant leur oxydation, ces acides gras sont activés sous forme d'acyl-CoA, c'est-à-dire liés à la coenzyme A. Ils pénètrent ensuite dans le peroxysome grâce à des transporteurs membranaires spécialisés.
Étapes de la β-oxydation peroxysomale
Chaque cycle comprend quatre transformations successives :
- une première oxydation de l'acyl-CoA par une acyl-CoA oxydase ;
- une hydratation de la double liaison formée ;
- une seconde oxydation ;
- une coupure par thiolyse, qui libère un acétyl-CoA et un acyl-CoA raccourci.
Lors de la première étape, l'acyl-CoA oxydase transfère les électrons directement au dioxygène, ce qui forme du peroxyde d'hydrogène. L'énergie de ces électrons n'est donc pas directement utilisée pour produire de l'ATP. Une partie est dissipée sous forme de chaleur.
Le peroxysome ne réalise généralement pas l'oxydation complète de ces acides gras. Il les raccourcit jusqu'à obtenir des chaînes pouvant être exportées puis prises en charge par la mitochondrie.
Conséquences d'un défaut peroxysomal
Un défaut peut toucher la formation globale du peroxysome, l'importation de ses enzymes, un transporteur membranaire ou une enzyme métabolique particulière. Les conséquences dépendent donc de l'étendue de l'anomalie.
Accumulation des acides gras à très longue chaîne
Si leur transport ou leur β-oxydation est déficient, les acides gras à très longue chaîne s'accumulent dans les cellules et dans certains lipides membranaires. Cette accumulation modifie les propriétés physiques des membranes et perturbe particulièrement les tissus riches en lipides.
Le système nerveux est très vulnérable, car l'intégrité de ses membranes et de la myéline dépend d'un métabolisme lipidique rigoureusement contrôlé. Des atteintes neurologiques, une altération de la substance blanche et des troubles du développement peuvent alors apparaître.
Déséquilibre oxydatif
Un défaut de catalase ou un défaut de compartimentation peut augmenter l'exposition cellulaire au peroxyde d'hydrogène. Il en résulte un stress oxydant, c'est-à-dire une production d'espèces oxydantes dépassant les capacités de défense de la cellule.
Inversement, une absence globale de peroxysomes réduit certaines productions de , mais supprime aussi les voies peroxysomales indispensables. Le défaut métabolique ne se résume donc pas à un excès d'oxydants : il associe accumulation de substrats, déficit en produits et altération des membranes.
Atteinte de plusieurs organes
Les déficits peroxysomaux étendus peuvent affecter simultanément :
- le système nerveux et la myélinisation ;
- le foie, fortement impliqué dans le métabolisme lipidique ;
- les reins ;
- le squelette et le développement général ;
- les glandes endocrines dans certaines anomalies plus ciblées.
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