(NO 3
–
, NO 2
–
, NH 4
+
et SO 4
2 –
), qu’ils prélèvent dans la
solution du sol ou l’eau. Les enzymes mises en jeu
sont localisées soit sur la membrane externe de
l’enveloppe des plastes (nitrate réductase), soit
dans le stroma (nitrite réductase), soit sur les membranes thylakoïdiennes (réduction du soufre). Dans
le cas de l’azote, après fixation du NH 4
+
sur la glutamine, diverses transaminations sont mises en jeu
au sein du stroma, qui produisent de l’alanine, de
la sérine, de l’acide aspartique, etc. ; de même, la
réduction de SO 4
2–
y donne de la cystéine et de la
méthionine. Toutes ces réactions consomment de
l’ATP, du NADPH et des chaînons carbonés fabriqués sur place ou importés.
Un autre type important de synthèses a lieu
dans ces organites : celle des acides gras et de
nombreux phospholipides. On a montré que la
synthèse de tous les acides gras et de tous les phospholipides cellulaires, ainsi que les glycolipides
spécifiques aux thylakoïdes, a lieu au sein des
chloroplastes ; la désaturation des premiers, en
revanche, met en œuvre des systèmes enzymatiques membranaires extérieurs. La synthèse et
l’accumulation de lipides dans les oléoplastes, à
partir d’acétyl-CoA relèvent de ce même métabolisme ; les leucoplastes fabriquent, quant à eux,
des précurseurs isopréniques nécessaires à la synthèse des essences et des résines. Ce métabolisme
s’oppose radicalement à celui des mitochondries,
qui doivent importer tous leurs phospholipides
membranaires constitutifs, à l’exception du diphosphatidyl-glycérol, fabriqué sur place ; la phosphatidyl-choline et la phosphatidyl-sérine y sont
importées du réticulum lisse au moyen de protéines échangeuses particulières.
4.2. Échanges de métabolites
entre mitochondries et hyaloplasme
La synthèse de l’ATP dans les mitochondries
selon le mécanisme chimiosmotique implique que
celles-ci se comportent comme des vésicules imperméables à tous les ions. Leur membrane interne est
infranchissable, par simple diffusion, par un grand
nombre de molécules organiques ; par exemple,
les coenzymes NAD(P)
+
ou NAD(P)H, ou bien les
nucléotides AMP, CDP, CTP, GDP, GTP ne peuvent la traverser. Comment se font donc les échanges de métabolites entre la matrice mitochondriale
et le hyaloplasme, qui assurent la nécessaire alimentation de la mitochondrie en substrats respiratoires ou qui, dans l’autre sens, fournissent au
reste de la cellule l’ATP fabriqué dans l’organite ?
Deux mécanismes sont en jeu : les transporteurs et
les navettes.
4.2.1. T RANSPORTEURS MEMBRANAIRES
Tous les ions ou métabolites qui doivent franchir la membrane mitochondriale interne, tels que
l’ADP, le Pi, l’ATP ou les acides organiques (pyruvate, malate, citrate, etc.) utilisent des transporteurs membranaires spécifiques. Ces protéines sont
intégrées dans l’épaisseur de la membrane interne
et fonctionnent en général selon le principe du
cotransport. Ce mécanisme, qui implique
l’échange simultané de deux ions ou molécules, a
été exposé à l’occasion de l’étude des transports
membranaires (voir chapitre 6). Dans le cas du
symport, deux ions minéraux ou bien un ion minéral et une molécule organique sont acheminés en
même temps et dans le même sens par la protéine
porteuse ; c’est le cas, par exemple, pour : H
+
et
Pi (H 2 PO 4
–
), H
+
et Ca
2+
,H
+
et pyruvate. Dans le cas
de l’antiport, les ions ou molécules sont transportés en sens inverse : c’est en particulier la situation
du transporteur ADP/ATP, qui échange une molécule contre l’autre. Cette protéine a un rôle essentiel dans le fonctionnement de la mitochondrie
puisqu’elle permet à la fois la fourniture de l’ADP
à la matrice et l’exportation de l’ATP hors de l’organite. De même, on a montré l’existence de transporteurs échangeant spécifiquement les acides
organiques dicarboxyliques du cycle de Krebs
(succinate, fumarate, malate) ou bien les acides tricarboxyliques (citrate, isocitrate). Certains acides
aminés (glutamate, aspartate) sont également
échangés selon un mécanisme identique.
Dans ces échanges, il faut insister sur le rôle
moteur du gradient de protons créé par la respiration. Ce sont en effet les protons qui, dans le cas
des symports, permettent le passage simultané
d’un autre ion ou d’un métabolite, éventuellement
contre son gradient de concentration propre, en
utilisant l’énergie du gradient électrochimique
( transport actif secondaire). Il est clair que tous
ces ions H
+
qui ne passent pas par les canaux des
ATP synthétases ne participent pas à la synthèse
de l’ATP, ce qui rend très théorique le bilan énergétique présenté pour la combustion complète du
glucose. Le couplage «gradient de protons/transport» est évidemment supprimé lorsqu’il n’y a pas
d’oxydations respiratoires. Le mode très particu320 B IOLOGIE CELLULAIRE
–
, NO 2
–
, NH 4
+
et SO 4
2 –
), qu’ils prélèvent dans la
solution du sol ou l’eau. Les enzymes mises en jeu
sont localisées soit sur la membrane externe de
l’enveloppe des plastes (nitrate réductase), soit
dans le stroma (nitrite réductase), soit sur les membranes thylakoïdiennes (réduction du soufre). Dans
le cas de l’azote, après fixation du NH 4
+
sur la glutamine, diverses transaminations sont mises en jeu
au sein du stroma, qui produisent de l’alanine, de
la sérine, de l’acide aspartique, etc. ; de même, la
réduction de SO 4
2–
y donne de la cystéine et de la
méthionine. Toutes ces réactions consomment de
l’ATP, du NADPH et des chaînons carbonés fabriqués sur place ou importés.
Un autre type important de synthèses a lieu
dans ces organites : celle des acides gras et de
nombreux phospholipides. On a montré que la
synthèse de tous les acides gras et de tous les phospholipides cellulaires, ainsi que les glycolipides
spécifiques aux thylakoïdes, a lieu au sein des
chloroplastes ; la désaturation des premiers, en
revanche, met en œuvre des systèmes enzymatiques membranaires extérieurs. La synthèse et
l’accumulation de lipides dans les oléoplastes, à
partir d’acétyl-CoA relèvent de ce même métabolisme ; les leucoplastes fabriquent, quant à eux,
des précurseurs isopréniques nécessaires à la synthèse des essences et des résines. Ce métabolisme
s’oppose radicalement à celui des mitochondries,
qui doivent importer tous leurs phospholipides
membranaires constitutifs, à l’exception du diphosphatidyl-glycérol, fabriqué sur place ; la phosphatidyl-choline et la phosphatidyl-sérine y sont
importées du réticulum lisse au moyen de protéines échangeuses particulières.
4.2. Échanges de métabolites
entre mitochondries et hyaloplasme
La synthèse de l’ATP dans les mitochondries
selon le mécanisme chimiosmotique implique que
celles-ci se comportent comme des vésicules imperméables à tous les ions. Leur membrane interne est
infranchissable, par simple diffusion, par un grand
nombre de molécules organiques ; par exemple,
les coenzymes NAD(P)
+
ou NAD(P)H, ou bien les
nucléotides AMP, CDP, CTP, GDP, GTP ne peuvent la traverser. Comment se font donc les échanges de métabolites entre la matrice mitochondriale
et le hyaloplasme, qui assurent la nécessaire alimentation de la mitochondrie en substrats respiratoires ou qui, dans l’autre sens, fournissent au
reste de la cellule l’ATP fabriqué dans l’organite ?
Deux mécanismes sont en jeu : les transporteurs et
les navettes.
4.2.1. T RANSPORTEURS MEMBRANAIRES
Tous les ions ou métabolites qui doivent franchir la membrane mitochondriale interne, tels que
l’ADP, le Pi, l’ATP ou les acides organiques (pyruvate, malate, citrate, etc.) utilisent des transporteurs membranaires spécifiques. Ces protéines sont
intégrées dans l’épaisseur de la membrane interne
et fonctionnent en général selon le principe du
cotransport. Ce mécanisme, qui implique
l’échange simultané de deux ions ou molécules, a
été exposé à l’occasion de l’étude des transports
membranaires (voir chapitre 6). Dans le cas du
symport, deux ions minéraux ou bien un ion minéral et une molécule organique sont acheminés en
même temps et dans le même sens par la protéine
porteuse ; c’est le cas, par exemple, pour : H
+
et
Pi (H 2 PO 4
–
), H
+
et Ca
2+
,H
+
et pyruvate. Dans le cas
de l’antiport, les ions ou molécules sont transportés en sens inverse : c’est en particulier la situation
du transporteur ADP/ATP, qui échange une molécule contre l’autre. Cette protéine a un rôle essentiel dans le fonctionnement de la mitochondrie
puisqu’elle permet à la fois la fourniture de l’ADP
à la matrice et l’exportation de l’ATP hors de l’organite. De même, on a montré l’existence de transporteurs échangeant spécifiquement les acides
organiques dicarboxyliques du cycle de Krebs
(succinate, fumarate, malate) ou bien les acides tricarboxyliques (citrate, isocitrate). Certains acides
aminés (glutamate, aspartate) sont également
échangés selon un mécanisme identique.
Dans ces échanges, il faut insister sur le rôle
moteur du gradient de protons créé par la respiration. Ce sont en effet les protons qui, dans le cas
des symports, permettent le passage simultané
d’un autre ion ou d’un métabolite, éventuellement
contre son gradient de concentration propre, en
utilisant l’énergie du gradient électrochimique
( transport actif secondaire). Il est clair que tous
ces ions H
+
qui ne passent pas par les canaux des
ATP synthétases ne participent pas à la synthèse
de l’ATP, ce qui rend très théorique le bilan énergétique présenté pour la combustion complète du
glucose. Le couplage «gradient de protons/transport» est évidemment supprimé lorsqu’il n’y a pas
d’oxydations respiratoires. Le mode très particu320 B IOLOGIE CELLULAIRE