Mitochondrie : schéma, définition, fonction et structure

Les mitochondries, parfois appelées chondriosomes, sont des organites hautement spécialisés que l'on trouve dans le cytoplasme des cellules eucaryotes, notamment celles des animaux, des plantes, des champignons et des protistes. Ce sont des petites unités qui se trouvent à l'intérieur de la cellule où elles participent activement au développement cellulaire. Elles s'associent à la membrane cellulaire à l'aide d'une double membrane. La forme de cet organite peut être différente selon le type de cellule, ainsi, elle peut prendre la forme d'un bâtonnet, de longs filaments ou de granules.

Le nombre de mitochondries varie selon le type de cellule, parce qu'il y a des cellules ou des tissus qui ont une demande énergétique bien plus élevée, comme par exemple les muscles, le cerveau ou le foie. En raison de cette diversité fonctionnelle, les mitochondries sont également impliquées dans des processus tels que l'apoptose, qui est la mort cellulaire programmée essentielle pour le développement et la maintenance des tissus.

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Deux processus importants se déroulent dans la mitochondrie : la respiration cellulaire, qui utilise de l'oxygène, et la production de l'énergie chimique nécessaire à la cellule pour effectuer ses réactions biochimiques. Voyons-les plus en détails ci-dessous :

• La respiration cellulaire utilisant de l'oxygène : il s'agit du cycle de Krebs, une voie métabolique dans laquelle l'énergie est libérée par l'oxydation de l'acétyl coenzyme A, le processus de phosphorylation oxydative susmentionné et la chaîne de transport des électrons. Ce processus est crucial pour le maintien de l'homéostasie énergétique cellulaire.
• Production d'énergie chimique : elle est stockée sous forme d'ATP ou adénosine triphosphate, car ce phosphate génère une liaison à haute énergie. Cet ATP est catalysé à l'aide de l'enzyme transmembranaire ATP synthase, à partir de l'oxydation d'acides aminés, d'acides gras et de sucres, c'est ce qu'on appelle la phosphorylation oxydative. Ce mécanisme est la base de la production d'énergie indispensable à toutes les activités cellulaires.

Dans la membrane interne des mitochondries se trouvent des complexes enzymatiques composés de plusieurs protéines qui ont des activités multiples :

• Utilisation d'oxygène moléculaire, essentiel pour la production efficace d'énergie.
• Réduction et oxydation de différents composés organiques : il se forme ainsi une chaîne par laquelle les électrons sont transportés, ce qui est fondamental pour la production d'ATP.
• Pompage des électrons : dans l'espace intermembranaire mitochondrial, permettant la création d'un gradient de protons crucial pour la production d'énergie.

Ces complexes de la chaîne respiratoire sont divisés en complexe I ou NADH déshydrogénase, complexe II ou succinate déshydrogénase, complexe III ou coenzyme Q-cytochrome c réductase et complexe IV ou cytochrome oxydase.

Il est intéressant de noter que des recherches récentes ont mis en lumière le rôle des mitochondries dans la régulation de la signalisation cellulaire et la gestion du stress oxydatif, contribuant ainsi à la protection contre les dommages cellulaires.

Bien que la structure des mitochondries puisse varier, on retrouve toujours les parties suivantes.

Membrane externe

Les mitochondries sont délimitées de l'extérieur par leur membrane externe, qui leur permet en même temps de communiquer entre elles. Les mitochondries reçoivent beaucoup d'informations de la cellule et c'est d'ailleurs la raison pour laquelle elles ont des protéines avec des trous appelés porines afin de permettre le passage d'ions et d'autres protéines plus petites dans l'espace intermembranaire. Toutes les protéines entrantes doivent être dépliées, ce qui se produit grâce aux protéines chaperonnes. Les complexes protéiques sont également utilisés pour introduire des protéines.

Membrane interne

À l'intérieur, les mitochondries possèdent une membrane interne qui forme la matrice et qui est disposée à l'intérieur de la membrane interne. Elle est analogue au cytoplasme de la cellule. L'énergie sous forme d'ATP provient de cette région. Les processus métaboliques qui s'y produisent sont :

• Phosphorylation oxydative.
• Production d'ATP, essentielle à la survie cellulaire.
• Cycle de Krebs, un élément central du métabolisme énergétique.
• Oxydation du pyruvate, un processus clé dans la conversion des nutriments en énergie.
• Oxydation des acides aminés, contribuant à la production d'énergie et à la synthèse de nouvelles protéines.
• Oxydation des acides gras, fournissant une source d'énergie dense et efficace.

Elle a également une fonction structurelle car c'est là que sont disposés les autres micro-organites de la mitochondrie tels que les ribosomes, l'ADN, les ions et les métabolites. La membrane interne est constituée d'une bicouche lipidique où se trouvent des complexes enzymatiques composés de différentes protéines nécessaires à la chaîne de transport des électrons.

Crêtes

Les membranes externe et interne se replient pour former des crêtes qui ont une forme de plis. Elles sont principalement situées sur les bords de la mitochondrie, mais elles sont également délimitées vers l'extérieur par la membrane externe. Elles sont disposées perpendiculairement à la limite de la mitochondrie. C'est dans les membranes de ces crêtes que se produisent les fonctions les plus importantes de la mitochondrie :

• Transport d'électrons : à l'aide de complexes enzymatiques qui transfèrent les électrons d'un site à l'autre, essentiel pour la production d'énergie.
• Phosphorylation oxydative, un processus vital pour la génération d'ATP.
• Compacité et maximisation du transfert d'électrons, augmentant l'efficacité énergétique.
• Espace intermembranaire mitochondrial
• Entre la membrane interne et la membrane externe se trouve un espace appelé espace intermembranaire mitochondrial, qui est d'une importance vitale pour l'activité cellulaire. Il a une teneur élevée en enzymes nécessaires à la respiration. Sa principale fonction est la réception des électrons provenant du pompage des complexes enzymatiques. Sa consistance est aqueuse. On y trouve des enzymes et des protéines qui participent aux processus cellulaires. La translocation se produit également ici, qui est un processus au cours duquel les protéines de la matrice mitochondriale sont transportées depuis l'extérieur de la mitochondrie. Enfin, ils transportent les acides gras.

Mitoribosomes

Les mitochondries possèdent également des ribosomes, appelés ribosomes mitochondriaux, qui ont la même fonction que les ribosomes, c'est-à-dire qu'ils synthétisent les protéines grâce à la traduction génétique. Ils reçoivent des informations sous forme d'ARN pour les traduire en ADN. Cette capacité unique permet aux mitochondries de maintenir une certaine autonomie dans la production de protéines essentielles à leur fonctionnement.

Génome mitochondrial ou ADNmt

Les mitochondries ont leur propre ADN. En fait, ce sont même les seuls organites à posséder un ADN à eux. Il collabore toujours avec l'ADN du noyau pour coordonner les activités et il a une petite forme circulaire. Cet ADN mitochondrial n'est hérité que de la mère, non du père, et non par recombinaison génétique.

Des défauts génétiques peuvent se produire dans cet ADN mitochondrial, ce qui a comme conséquences qui sont pathogènes dans des maladies telles que la maladie de Parkinson, en raison de sa proximité avec le métabolisme oxydatif. Il est également dépourvu d'histones protectrices, contrairement à l'ADN du noyau cellulaire, qui en est pourvu. Les implications de ces mutations peuvent être vastes, allant de troubles métaboliques à des impacts sur le vieillissement cellulaire.

Cet ADN a suscité un grand intérêt du point de vue de l'évolution, car il a été expliqué par les principes de la théorie de l'endosymbiose : une cellule procaryote a englouti une bactérie à respiration aérobie pour obtenir ses organelles, créant ainsi une cellule eucaryote et une relation symbiotique. On comprend alors que la mitochondrie est un organite particulier qui contient plusieurs micro-organismes, comme s'il s'agissait d'une petite cellule à part entière. Cette théorie est soutenue par des preuves génétiques et biochimiques solides, renforçant notre compréhension de l'évolution cellulaire.

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