Les mitochondries et la respiration

1 Généralités

Le chondriome d'une cellule est l'ensemble des 300 à 800 mitochondries (jusqu'à 2500 dans une cellule du parenchyme du foie) qui constituent jusqu'à 25 % de la masse cellulaire.

Très nombreuses dans les cellules jeunes et/ou très actives, qui demandent beaucoup d'énergie (comme les spermatozoïdes), les mitochondries sont des organites car elles constituent des unités fonctionnelles de la cellule: elles en sont les "usines énergétiques". Omniprésentes dans toute cellule animale ou végétale, les mitochondries existent même dans les thrombocytes sanguins anucléés.

Découvertes en 1866, ces minuscules organites sont, dans certains cas et après coloration spécifique, visibles au microscope optique. Mais il a fallu le microscope électronique pour en détailler la structure. La forme des mitochondries (du grec "mitos" = "filament" et "khondros" = "grain") peut varier d'un type cellulaire à l'autre ou dans une même cellule en fonction de son activité: grains ou bâtonnets courts de 0,5 mm sur 1 mm ou plus, ou filament long et flexueux, parfois bifurqués.

2 Ultrastructure de la mitochondrie

Au microscope électronique, la mitochondrie apparaît constituée d'un système de membranes semblables à la plasmalemme, délimitant deux espaces bien distincts:

• l'espace intermembranaire est situé entre la membrane externe de la mitochondrie et la membrane interne, qui projette plusieurs replis vers le centre de l'organite;
• la matrice est le fluide central de la mitochondrie, circonscrit par la membrane interne. Les replis de la membrane interne constituent autant de crêtes mitochondriales à la surface desquelles sont attachées de très nombreuses minuscules structures sphériques baignant dans la matrice.

Schéma montrant la structure tridimensionnelle d'une mitochondrie (d'après http://gened.emc.maricopa.edu/bio/bio181/BIOBK/BioBooKToc.html, modifié).

Schéma montrant la structure tridimensionnelle d'une mitochondrie.

3 Reproduction de la mitochondrie

La mitochondrie se reproduit indépendamment de la division cellulaire. Néanmoins, le chondriome doit rester présent dans chaque cellule et le nombre de ses organites doit globalement doubler à chaque division cellulaire.

Deux modes de reproduction existent:

• la scissiparité, au cours de laquelle la mitochondrie se divise en deux parties égales, à l'instar de toute cellule d'organisme mono- ou pluricellulaire.
• le bourgeonnement au cours duquel apparaît à la surface de la mitochondrie une petite hernie qui, après une phase de croissance, devient une mitochondrie fonctionnelle et capable de se reproduire.

4 Origine évolutive de la mitochondrie: théorie de l'endosymbiose

On relève, dans l'étude de l'ultrastructure et du fonctionnement de la mitochondrie, plusieurs points communs avec les bactéries:

• mitochondries et bactéries sont également sensibles à certains antibiotiques, dont le chloramphénicol, capables d'inhiber la synthèse de certaines protéines;
• l'ADN (=acide désoxyribonucléique) est de nature circulaire tant dans les mitochondries que dans les bactéries, et non linéaire comme chez les protistes, les champignons, les plantes et les animaux;
• outre les molécules portant toute l'information nécessaire à la reproduction et au fonctionnement indépendants de la mitochondrie, on trouve dans cet organite tout l'arsenal enzymatique capable de synthétiser des protéines.

Ce caractère d'organite indépendant et la ressemblance avec les bactéries ont fait dire à certains que les mitochondries étaient en fait des bactéries introduites dans le cytoplasme fondamental à l'aube de la formation de la matière vivante, et adaptées depuis des centaines de millions d'années à une vie en symbiose interne à la cellule, la faisant profiter de son immense système enzymatique qui autorise la vie en aérobie. C'est la théorie de l'endosymbiose.

5 Rôle respiratoire de la mitochondrie

La respiration n'est pas le fait d'inspirer, ni de transporter par le sang l'oxygène nécessaire aux cellules, mais bien une réaction chimique, effectuée dans chaque cellule. C'est l'oxydation, par l'oxygène, du glucose, nourriture cellulaire provenant de la digestion des aliments, en eau et en dioxyde de carbone (=gaz carbonique), réaction accompagnée d'une importante libération d'énergie:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ = 6 H₂O + 6 CO₂ + énergie

ou plus précisément

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ -2871 kJ = 6 H₂O + 6 CO₂

Bien que le rendement de la réaction globale de respiration n'est que de 40% -autrement dit 40% de l'énergie produite par la respiration est effectivement récupérée par le cellule-, celui-ci est très élevé. Pour comparaison, le rendement énergétique du moteur d'une automobile n'est que de 25%!

Cette réaction est globalement semblable à la combution du bois, puisque la cellulose, qui compose le bois, est un polymère de glucose, réaction qui dégage énormément de chaleur. Il semble donc exister dans la comparaison un paradoxe, puisque l'Homme, l'animal et la plante respirent, mais ne brûlent comme le bois ni ne chauffent exagérément!

Ce paradoxe apparent est facile à expliquer si l'on garde à l'esprit que l'équation notée ci-dessus n'exprime que le bilan d'une série de réactions chimiques. En effet, le glucose ne se combine pas directement à l'oxygène, mais d'abord à l'eau, en cédant des atomes d'hydrogène sous forme de protons et d'électrons à des accepteurs appropriés. Cette réaction ne libère que peu d'énergie et a lieu à la température de la cellule:

C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O = 6 CO₂ + 24 électrons + 24 H⁺

Les accepteurs d'électrons et de protons sont appelés des coenzymes. Pour exemple, imaginons un coenzyme baptisé "Co", oxydant car avide d'électrons. Ce coenzyme oxydant est réduit en réducteur "CoH" dans la réaction de réduction suivante:

Co + H⁺ + électron = CoH

Les coenzymes sont présents en très petite quantité dans la mitochondrie, et seraient très vite saturés d'électrons s'ils ne les cédaient à d'autres coenzymes, plus oxydants, qui les céderont encore ensuite à d'autres, etc. Les électrons voyagent ainsi du premier coenzyme au dernier accepteur d'électrons, l'oxygène, le long de la chaîne respiratoire. La chaîne respiratoire est donc un ensemble complexe de substances jouant le rôle d'accepteurs d'électrons vis-à-vis des substances qui les précèdent, puis de donneurs d'électrons vis-à-vis des substances qui la suivent. Toutes ces substances sont rassemblées en minuscules unités sphériques situées sur la face interne de la membrane mitochondriale interne. Au terme de cette chaîne respiratoire, deux atomes d'oxygène acceptent chacun deux électrons et sont réduit en eau:

O₂ + 4 H⁺ + 4 électrons = 2 H₂O

6 La phosphorylation oxydative

Voyons enfin comment la mitochondrie récupère l'énergie de ce transfert d'électrons le long de la chaîne respiratoire.

La membrane mitochondriale interne, au niveau de laquelle se déroulent toutes les chaînes respiratoires, est imperméable aux ions. Les protons, entre autres, ne peuvent la traverser par diffusion. Cette membrane abrite par contre deux types de pompes capables de concentrer des protons à l'extérieur, c'est-à-dire dans l'espace intermembranaire: les unes fonctionnent avec comme source d'énergie le flux d'électrons des chaînes respiratoires, les autres grâce à l'énergie libérée par la réaction de déphosphorylation (=perte d'un groupe phosphate) de l'adénosine triphosphate ou ATP:

ATP = ADP + phosphate + énergie

ou plus précisément

ATP -30,5 kJ = ADP + phosphate

Lorsqu'une pompe membranaire fonctionne, elle concentre des protons hors de la matrice jusqu'à une concentration maximale, que la puissance de la pompe ne peut dépasser. Or, la puissance maximale (en terme de concentration protonique) de la pompe fonctionnant "au flux délectrons de la chaîne respiratoire" est supérieure à celle fonctionnant "à l'ATP". Ainsi, lorsque les chaînes respiratoires fonctionnent, les pompes du premier type créent une concentration en protons dans l'espace intermembranaire supérieure à la concentration maximale supportable par les pompes du second type. Dès lors, on observe un passage forcé de protons à travers les pompes du second type, qui, fonctionnant à contresens, produisent de l'ATP à partir d'ADP, de phosphate et de l'énergie liée au passage forcé des protons: c'est la réaction de phosphorylation.

Schéma original expliquant la façon dont l'énergie de la réaction de respiration est stockée dans l'ATP.

En résumé, le système de pompes présent dans la membrane mitochondriale interne assure la transformation de l'énergie portée par le flux d'électrons des chaînes respiratoires oxydatives en énergie chimique sous la forme d'une phosphorylation, c'est-à-dire sous la forme d'une nouvelle liaison chimique créée entre les deuxième et troisième groupes phosphates de l'ATP. Il s'agit donc d'une phosphorylation oxydative.

La réaction de respiration ne dissipe sous forme de chaleur que 10% de la chaleur produite par la réelle combustion équivalente du glucose: les 90% restants sont stockés sous la forme de liaisons chimiques dans des molécules d'ATP. C'est pourquoi on peut affirmer que la respiration est une "combustion froide".

L'ATP est la réserve énergétique de la cellule.

7 Importance de l'ADN mitochondrial

En dehors du noyau cellulaire, qui renferme les chromosomes, les mitochondries sont les seuls organites à contenir de l'ADN. Les gènes mitochondriaux, malgré leur faible nombre comparé à ceux des chromosomes (ils ne sont que 37 chez l'Homme), jouent un rôle que l'on commence seulement à découvrir. On savait jusqu'ici que des petits fragments d'ADN mitochondrial pouvaient se retrouver dans l'ADN du noyau, mais sans connaître l'importance de ce phénomène, ni ses conséquences sur la vie cellulaire. Un travail a montré que ces insertions se font généralement dans les portions d'ADN codant, c'est-à-dire au sein des gènes. Les chercheurs ont repéré à l'intérieur du génome nucléaire plus de 200 fragments génétiques d'origine mitochondriale. Certains ont été trouvés chez une partie ou chez la totalité des individus analysés. De tels fragments ont d'ailleurs déjà été associés à des pathologies, notamment certains dysfonctionnements observés chez un patient né après l'accident de Tchernobyl, ainsi que, plus récemment, dans certains cancers du côlon et du cerveau. Cette nouvelle découverte suggère qu'un nombre plus vaste de pathologies humaines pourraient résulter de leur insertion au sein des chromosomes.