Soutenance mémoire
EFFET DE LA TEMPERATURE SUR LA BIOLOGIE FONCTIONNELLE
LA STRUCTURE DE LA MITOCHONDRIE
Les mitochondries sont constituées de deux membranes imbriquées, qUI délimitent deux régions spatiales: l’espace inter membranaire et la matrice ou espace central (Figure 0.1). Tout comme les membranes cellulaires, les membranes mitochondriales sont en majeure partie constituées de phospholipides. Les phospholipides sont aussi appelés molécules amphiphiliques parce qu’ils comportent deux parties distinctes, différant par leur solubilité : une tête polaire hydrophile qui est formée d’un groupement phosphate et une tête non polaire hydrophobe qui est formée de deux chaînes d’ acides gras (Figure 0.2A, B). Cette divergence de solubilité des extrémités des phospholipides permet d’établir la double couche de la membrane : le groupement phosphate s’oriente vers la phase aqueuse alors que les chaînes d’acides gras se regroupent à l’intérieur de la membrane (Figure 0.2C ; Hochachka & Somero, 2002). Les acides gras qui entrent dans la composition de ces phospholipides sont constitués d’une chaîne de carbone, dont la longueur varie, et qui est délimitée à une extrémité par un groupe méthyle (CH3) , et à l’autre, par un groupe carboxyle (CO OH) (Figure 0.2B).
Les liens qui unissent ces carbones peuvent être saturés (liens simples) ou insaturés (liens doubles) (Bhagavan, 2002) . Les acides gras insaturés sont identifiés par la position de la première liaison double à partir de l’extrémité méthyle: si ce lien est présent au troisième carbone, l’acide gras sera identifié comme oméga-3 (ou n-3) (Kruger et al. , 2003). La nomenclature utilisée identifie par exemple l’acide linoléique par le symbole C 18 :2n-6, le chiffre 18 indiquant le nombre de carbones, 2 le nombre de liens doubles, et 6 la position du premier lien double à partir de l’extrémité méthyle. Le tableau 0.1 présente une liste des principaux acides gras avec leurs noms numériques, leurs séries (n-3, n-6, etc) et leurs noms communs.
La membrane externe constitue une barrière semi-perméable entre la mitochondrie et le cytosol qui permet l’échange des produits et des substrats pour les processus impliqués dans la synthèse de l’A TP, les cofacteurs des enzymes mitochondriales, les nucléotides pour la synthèse de l’ADN et de l’ ARN ainsi que les protéines synthétisées dans le cytoplasme (Bay & Court, 2002). Les protéines traversent cette membrane grâce aux complexes translocases (Paschen & Neupert, 2001) alors que les petites molécules et les ions passent à travers des canaux qui jouent un rôle important dans la régulation du flux des métabolites, les porines mitochondriales (Freitag et al. , 1982). La membrane interne, pour sa part, présente des villosités dirigées vers la matrice, qui augmentent sa surface (Figure 0.1). Les composés lipidiques, majoritairement des phospholipides, forment environ 30 à 35% du poids de cette membrane (Bhagavan, 2002) dont 20% est représenté par la cardiolipine, un phospholipide présent uniquement dans les membranes impliquées dans la production d’énergie par le métabolisme aérobie (Hoch, 1992). La membrane interne pennet la diffusion de petites molécules non chargées (ex. eau, H30, oxygène, dioxyde de carbone, ammoniaque) mais toutes les autres molécules, incluant les ions H+, nécessitent des systèmes de transports spécifiques (Bhagavan, 2002).
LA MITOCHONDRIE EN TANT QU’USINE DE PRODUCTION D’ÉNERGIE
Les sources de carburants ingérés par l’organisme (glucose, acides gras libres, lactate) arrivent par la circulation jusqu’aux cellules où elles sont en partie hydrolysées dans le cytoplasme (Opie, 1998). En situation de jeûne, les acides gras sont la principale source d’énergie pour le métabolisme cardiaque alors qu’après un repas, c’est le glucose qui constitue le substrat prédominant (Opie & Sack, 2002). Les substrats énergétiques sont d’abord transformés grâce au cycle de l’acide citrique, situé dans la matrice mitochondriale, en équivalents réduits (NADH et F ADH2 ; Figure 0.3) qui fournissent des électrons au système de transport des électrons (STE). Le STE est formée de 4 principaux complexes enzymatiques (Figure OA). Le Complexe l, ou NADH-Coenzyme Q réductase, transfert deux électrons du NADH à l’ubiquinone (identifié par la lettre Q sur la figure 0.4). Il possède une forme en L dont la base est immergée dans la membrane interne (domaine membranaire) et le bras court, qui contient un site de liaison au NADH, s’étend dans la matrice.
Le Complexe II ou succinate-coenzyme Q réductase est le plus simple des complexes mitochondriaux. La succinate déshydrogénase en constitue la plus grande des sous unités et est située du côté de la matrice, à la surface de la membrane mitochondriale interne. C’est la seule sous unité du STE qui fait partie du cycle de l’ acide citrique (Figure 0.3). Elle catalyse l’oxydation du succinate en fumarate et réduit la flavine adénine dinucléotide (F AD) en F ADH2 . Cette réaction provoque le transfert de 2 électrons du F ADH2 à l’ubiquinone. Le Complexe III ou coenzyme Q-cytochrome c réductase catalyse l’ oxydation de l’ubiquinol et le transfert des électrons au transporteur mobile, le cytochrome c. Le complexe III, contient deux centres de réaction pour l’ubiquinone, Qp et QN (Brandt & Trumpower, 1994). Les deux centres sont situés dans la membrane mitochondriale interne. Le centre Qp se trouve du côté de la matrice alors que le centre QN est situé du côté de l’espace inter membranaire. L’oxydation de deux électrons donneurs (oxydation de l’ubiquinol en ubiquinone) se produit au niveau du centre Qp. Ces électrons sont acceptés et divisés en deux voies, la moitié est recyclée et l’autre moitié est transférée au cytochrome c. Au niveau du centre QN, la molécule d’ubiquinone est réduite en ubiquinol, assurant le retour des électrons dans le pool quinone. Le résultat net du cycle ubiquinone est que pour chaque paire d’électrons transférée de l’ubiquinol au cytochrome, 4 protons sont pompés dans l’espace inter membranaire et deux protons sont enlevés de la matrice (Marin-Garcia, 2005). Le Complexe IV ou cytochrome c oxydase (CcOX) accepte 4 électrons du cytochrome c et les transfère à l’oxygène moléculaire, qui est réduit en eau, ce qui consomme 4 protons supplémentaires (Figure 0.4).
LA MESURE DE LA RESPIRATION MITOCHONDRIALE
La respiration mitochondriale est une quantification du transfert des électrons dans le STE par la mesure de la consommation d’oxygène. Puisque le transfert des électrons dans le STE est couplé à la synthèse d’A TP, l’ajout d’ ADP et de phosphate inorganique, en plus des substrats énergétiques, est essentiel pour mesurer le taux maximal de respiration mitochondriale. En présence de mélanges simples de substrats énergétiques, comme par exemple le pyruvate et le malate, le pyruvate est transporté dans la matrice mitochondriale où l’action du complexe pyruvate déshydrogénase (PDH) procède à la décarboxylation oxydative, libérant de l’acétyl CoA (Bhagavan, 2002). La malate déshydrogénase, localisée dans la matrice mitochondriale, oxyde le malate en oxaloacétate. La réaction de l’oxaloacétate avec l’acétyl CoA génère du citrate qui à son tour est transformé en 2-oxoglutarate par l’isocitrate déshydrogénase. Il y a alors production d’équivalent réduit sous forme de NADH aux étapes suivantes : PDH, malate déshydrogénase, isocitrate déshydrogénase et oxoglutarate déshydrogénase (Figure 0.3). Les équivalents réduits, sous forme de NADH, approvisionnent en électrons le Complexe 1 du STE. Les électrons sont ensuite transférés du Complexe l, à l’ubiquinone Uonction Q), au Complexes III, IV et enfin à l’oxygène, sans passer par le Complexe II (Gnaiger, 2007). C’est le même principe qui se produit lorsque l’on fournit aux mitochondries du glutamate et du malate. Le glutamate est oxydé en 2-oxoglutarate par la glutamate déshydrogénase, une autre étape de production de NADH (Gnaiger, 2007).
Le Complexe II n’est pas impliqué dans la respiration avec le malate et le pyruvate ou le glutamate. Les concentrations élevées de malate permettent d’équilibrer avec le fumarate, ce qui inhibe le flux allant du succinate au fumarate. De plus, l’ oxaloacétate agit comme inhibiteur de la succinate déshydrogénase. La transfonnation du succinate en fumarate et la production d’équivalents réduits sous fonne de F ADH2 est ainsi prévenue (Lemasters, 1984). Pour mesurer la respiration induite au Complexe II du STE, le succinate est ajouté en présence de roténone. La roténone inhibe les déshydrogénases reliées au NADH et renverse le statut redox du NAD en NADH. La succinate déshydrogénase est activée par le succinate et pennet la transfonnation du succinate en fumarate, libérant du FADH2 qui supporte le flux d’électron exclusivement au Complexe II. Tout comme les électrons entrant au Complexe l, les électrons en provenance du Complexe II sont transférés directement à l’ubiquinone (jonction Q), au Complexe III puis au Complexe IV pour tenniner à l’oxygène moléculaire.
La vitesse à laquelle le cycle de l’acide citrique opère est un paramètre important du contrôle de la production d’ATP dans le coeur (Opie, 1998). La mesure de la respiration mitochondriale se doit de considérer la structure du STE et son lien avec le cycle de l’ acide citrique ou avec d’autres réactions situées en amont (Figure 0.3). Le cycle de l’acide citrique n’est pas fonctionnellement fenné et le STE n’est pas linéaire comme le laisse croire son autre nom, soit la chaîne respiratoire (revue par Gnaiger (2007). En fait, il s’agit de plusieurs chaînes de transport des électrons. Ces chaînes n’ incluent pas seulement celle passant du Complexe 1 à l’ ubiquinone ou du Complexe II à l’ubiquione. Deux autres entrées d’électrons approvisionnent aussi directement la jonction ubiquinone sans passer par les complexes 1 ou II, soit la glycérophosphate déshydrogénase (GpDH) et les flavoprotéines de transfert d’électrons (ETF) (Figure 0.5).
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Table des matières
AVANT-PROPOS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ABRÉVIATIONS
RESUME
INTRODUCTION GENERALE
LA STRUCTURE DE LA MITOCHONDRIE
LA MITOCHONDRIE EN TANT QU’USINE DE PRODUCTION D’ENERGIE
LA MESURE DE LA RESPIRATION MITOCHONDRIALE
STADES RESPIRA TOrRES ET RATIOS DE CONTROLE DU TAUX DE RESPIRATION
LE COTE SOMBRE DE LA MITOCHONDRIE: LES RADICAUX LIBRES
LES AUTRES FONCTIONS DE LA MITOCHONDRIE
La génération et la détoxification des radicaux libres
L ‘homéostasie du calcium
La mort cellulaire programmée et la mort cellulaire nécrotique
LE LIEN ENTRE LES MITOCHONDRIES ET CERTAINES MALADIES
Nutrition, membranes, stress oxydant et maladies cardiovasculaires
Mutations de l’ADN mitochondrial et nucléaire
Ischémie-reperfusion
EFFET DE LA TEMPERATURE SUR LA BIOLOGIE FONCTIONNELLE
Ectothermie et endothermie
Les adaptations face aux variations de température corporelle
Hypothermie et hyperthermie chez les endothermes
DÉCORTIQUER LES EFFETS DE LA TEMPÉRATURE
OBJECTIFS DU PROJET
CHAPITRE 1 COMPOSITION MEMBRANAIRE
DOES MEMBRANE FATTY ACID COMPOSITION MODULATE MITOCHONDRIAL
FUNCTIONS AND THEIR THERMAL SENSITIVITIES?
RESUME EN FRANÇAIS
ABSTRACT
INTRODUCTION
MA TERIALS AND METHODS
Animais
Isolation of heart mitochondria
Oxygen consumption of mitochondrial complexes
Mitochondrial affinity for pyruvate
CS activity and prote in concentration
Fatty acid composition ofmitochondrial membranes
Calculations
Chemicals
Statistical analysis
RESULTS
Rat weight andfatty acid composition ofheart mitochondria
Mitochondrial functions al differenl temperatures
Pyruvate-stimulated mitochondrial respiration
DISCUSSION
ACKNOWLEDGEMENTS
CHAPITRE II DECORTIQUER LES DIFFERENTES ETAPES
THE IMPORTANCE OF PYRUVATE DEHYDROGENASE IN THE DETERMINATION OF
THERMAL SENSITIVITY OF HEART MITOCHONDRIA
RESU!v1E EN FRANÇAIS
ABSTRACT
INTRODUCTION
METHODS
Animais
Isolation of he art mitochondria
Mitochondrial oxygen consumption
Enzymatic analysis
Prote in concentrations
Chemicals
Statistical analysis
RESULTS
DISCUSSION
ACKNOWLEDGMENTS
CHAPITRE III REGULATION DU METABOLISME MITOCHONDRIAL
MITOCHONDRIAL RESPIRATORY CONTROL BY TEMPÉRA TURE AND SUBSTRA TE
COMBINATIONS, AND EXCESS CAPACITY OF CYTOCHROME C OXIDASE IN
PERMEABILIZED FIBERS OF THE MOUSE HEART
RESUME EN FRANÇAIS
ABSTRACT
INTRODUCTION
MA TERIALS AND METHODS
Preparation of permeabilized myocardial fibers
Righ-resolution respirometry
Determination ofCcOX excess capacity
Enzyme analysis
Data analysis
RESULTS
Mitochondrial respiration as a function of substrates
EfJect of temperature on OXP ROS flux control
CcOX excess capacity
CcOX excess capacities and temperature
DISCUSSION
ACKNOWLEDGMENTS
CONCLUSION GENERALE
LA PDH ET LA TEMPERATURE CHEZ LE RAT
LA PDH ET LA TEMPÉRATURE: C OMPARA ISON DE DEUX ESPÈCES
AUTRES ETAPES CRITIQ UES A BASSE TEMPERATURE
MEMBRANES ET THERMOSENSIBILITE DE LA RESPIRATION MITOCHONDRIALE
MEMBRANES ET STRESS OXYDANT
MEMBRANES ET ADAPTATION AU FROID
CHANGEMENTS DES PROPORTIONS DES DIFFERENTES ETAPES
D’AUTRES QUESTIONS A SOULEVER
P OUR CONCLURE
BIBLIOGRAPHIE
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