Cours : Les péroxysomes

Fichier(s) joint(s)
Contenu/Description

Introduction

Ce sont des vésicules qui sont ubiquitaires (au moins chez les eucaryotes), quin'appartiennent pas au système endomembranaire à la différence des Mitochondries, du RE et des Lysosomes. Ce sont des structures qui sont entourés d'une membrane unique de type bicouche lipidique et qui ne possèdent ni gène, ni machinerie capable d'assurer la traduction et qui vont donc être obligé d'incorporer l'ensemble de leurs éléments dans le cytoplasme de la cellule.

Ces Peroxysomes participent à la respiration cellulaire, comme les mitochondries, et ils participent en consommant de l'oxygène par des enzymes dites oxydatives, et le nom des Peroxysomes provient de leur capacité à produire du peroxyde d'hydrogène, ou eau oxygénée H2O2. Les peroxysomes se forment par autoréplication et non à partir du Golgi comme les lysosomes.

Peroxysomes
Peroxysomes

Peroxysomes
Peroxysomes

Immunofluorescences de peroxysomes (avec coloration de l'actine)

A) Structure

1) Morphologie

Les peroxysomes sont présents dans toutes les cellules eucaryotes. Ils sont constitués d'une membrane simple de type bicouche lipidique, permettant de former une matrice. Ils sont visibles uniquement en microscopie électronique. A l'intérieur de cette matrice, il existe un noyau cristallin qui apparaît dense aux électrons. C'est ce noyau cristallin qui contient les enzymes oxydatives.

Ces Peroxysomes ont une structure ovalaire ou sphérique dont la taille varie de 0,2 à 0,5 μm en fonction de leur activité. Le nombre de peroxysomes par cellule va dépendre à la fois du type de la cellule, et dans une même cellule, va dépendre de l'activité de cette cellule. Deux tissus sont riches particulièrement en Peroxysomes : le système nerveux et le tissu hépatique. Dans les cellules hépatiques et rénales, ils ont un rôle de détoxification. Les hépatocytes pouvant contenir jusqu'à 1 000 Peroxysomes.

C'est la vision classique des Peroxysomes mais finalement ces Peroxysomes forment un réseau dynamique, de la même façon que les mitochondries. C'est un réseau dit « canaliculaire » où chaque vésicule va être reliée à une autre vésicule par des petits canaux qui vont permettre la communication entre les différents Peroxysomes. Ce réseau est indépendant du RE, du Golgi et des Mitochondries.

2) Biochimie

1. La membrane

La membrane est unique, à la différence des mitochondries. C'est une bicouche lipidique dont la composition est proche de celle du RE à la différence près que les protéines situées au niveau de la membrane ne sont pas glycosylées. Enchâssées dans la membrane, sont présentes de nombreuses protéines qui vont permettre d'assurer le fonctionnement des Peroxysomes, et aussi l'importation des différents composants vers le Peroxysome.

On trouve des protéines membranaires appartenant à une famille dite ABC. Les protéines de cette famille peuvent fixer l'ATP et ce sont des perméases qui vont permettre l'entrée dans la matrice du Peroxysome des différents métabolites. Il existe un Cytochrome P450 spécifique du Peroxysome et puis tout un ensemble de protéines membranaires qui sont spécifiques au Peroxysome que l'on appelle des Peroxynes codées par les gènes nucléaires PEX. Les protéines des peroxysomes sont importées du cytoplasme par un mécanisme d'import post-traductionnel. Dans ce cas les protéines solubles de la matrice possèdent une séquence signal PTS (peroxisomal targeting signal). Cette séquence se lie à une molécule réceptrice pour permettre l'entrée de la protéine dans le peroxysome. Il en existe 24 connues actuellement et qui interviennent dans la biogenèse du Peroxysome.

Ces Peroxynes membranaires peuvent être séparées en deux groupes :

un groupe participant à la formation de la membrane : Peroxynes 3, 16 et 19.

un groupe permettant la prolifération des Peroxysomes : Peroxyne 11.

Il existe d'autres protéines de la membrane qui ont une activité enzymatique, qui vont intervenir dans le métabolisme des acides gras et qui vont être nécessaire à la dégradation des acides gras via la β-Oxydation, qui se déroule dans la matrice du Peroxysome.

2. La matrice

Dans la matrice se trouve tout un groupe d'enzymes que l'on appelle des Oxydases qui vont être capables de dégrader des métabolites en consommant de l'oxygène. L'oxygène provient de la mitochondrie et diffusent à travers la membrane. Et ces Oxydases vont produire, outre la dégradation du métabolite, du peroxyde d'hydrogène H2O2.

Métabolite + O2 -----------------> Résidu + H202

Ces Oxydases sont spécifiques des métabolites :
  • Oxydation : On trouve des enzymes impliquées dans la β-oxydation. La β-oxydation qui consiste en la dégradation d'acides gras à très longues chaines carbonées (AGTLC) qui ont plus de 22 atomes de Carbones. Et ces enzymes vont donc réduire progressivement la taille de ces AGTLC et les raccourcir jusqu'à ce qu'ils fassent moins de 12 atomes de carbones, et produire en parallèle, de l'Acétyl-Coenzyme A. Cette β-Oxydation du Peroxysome fonctionne en parallèle avec celle se passant dans la mitochondrie.
  • Synthèse des Acides Biliaires : C'est dans le Peroxysome que vont être synthétisés les acides biliaires à partir du Cholestérol et ceci explique la forte concentration de Peroxysomes dans les hépatocytes.
  • Dégradation des protéines et des Acides Aminés : Les Oxydases vont être spécifiques de la dégradation des Acides Aminés ou des protéines : ce sont des Amino-Oxydases.
  • Synthèse du Plasmalogène : Ce plasmalogène est un élément fondamental dans la synthèse de la myéline, et ceci explique également la forte concentration de Peroxysomes dans le tissu nerveux.
Et enfin, il existe une Oxydase particulière : la Catalase. C'est l'enzyme la plus importante sur le plan quantitatif et le plan qualitatif. C'est une hémoprotéine et cette Catalase à la particularité, non pas d'utiliser de l'oxygène, mais d'utiliser le peroxyde d'hydrogène pour dégrader un substrat.

Les deux réactions sont possibles :
  • Ou bien la Catalase agit sur un substrat proprement dit, dégrade le substrat et produit de l'eau,
  • Ou bien la Catalase peut aussi dégrader le peroxyde d'hydrogène en produisant de l'eau et de l'oxygène. Ce rôle est fondamental dans la protection de la cellule contre le peroxyde d'hydrogène.
Substrat + H2O2 -----------------> Résidu + 2H2O

ou

H2O2 + H2O -----------------> O2 + 2H2O

L'autre intérêt est que l'on va pouvoir utiliser leur propriété enzymatique afin de pouvoir révéler la présence de Peroxysomes dans un tissu à l'aide d'une réaction histo-enzymatique. C'est-à-dire que l'on va faire incuber sur une coupe de tissu un produit particulier qui sera dégradé par les Catalases, et pendant sa dégradation, il changera de couleur. Ce qui permettra de révéler la position, le nombre des Peroxysomes dans une cellule. Ce sont également les Catalases qui interviennent dans la dégradation hépatique de l'alcool, de l'éthanol en acétaldéhyde.

B) Biogénèse

Les peroxysomes sont caractérisés par leur activité péroxydasique et catalasique.

1) Bourgeonnement

Comme tous les éléments de la cellule, les Peroxysomes ne sont pas figés mais toujours en déplacement, en dégradation. La production de Peroxysome se fait par bourgeonnement. Bourgeonnement qui se fait à partir d'un Peroxysome pré-existant qui va avoir accumulé suffisamment de matériel pour donner naissance à un second Peroxysome. Cette prolifération fait aussi intervenir des Peroxynes spécifiques : la Peroxyne 11. Elle fait intervenir également des petites Protéines G. Et cette prolifération se fait en parallèle du cycle cellulaire.

Les Peroxysomes ne sont pas immobiles et se déplacent dans le cytoplasme en utilisant des microtubules. Ils sont en permanence renouvelés. Leur durée de vie varie suivant les cellules. Elle est de 3 à 5 jours pour les hépatocytes. Leur renouvellement se fait par autophagie, donc via le Lysosome. Et en moyenne, dans un hépatocyte, le stock de peroxysome est renouvelé tout les 5 jours. On a donc une durée de vie beaucoup plus courte que celle des mitochondries.

2) Adressage

Le Peroxysome ne possède pas de génome, et doit donc importer tout ses composants depuis le cytoplasme. Il existe donc, comme pour la mitochondrie, des séquences d'adressages vers ces Peroxysomes. Il y en a 2 :

– PTS 1 (Séquence d'Adressage au Peroxysome) : elle est située au niveau Cterm d'une protéine, c'est un tri-peptide de type SKL (Sérine, Lysine, Leucine). Ce signal d'adressage est reconnu par un récepteur cytoplasmique appartenant à la famille des Peroxynes, c'est laPeroxyne 5.

– PTS 2 : elle est située au niveau Nterm. Elle est constituée de 9 AA. Le premier est soit de l'Arginine, soit de la Lysine. Le second est constitué principalement de Leucine, mais peut être remplacé par de la Valine ou de l'Isoleucine. On trouve ensuite 5 AA qui peuvent être n'importe lesquels. Et les deux derniers sont soit de l'Histidine ou de la Glutamine pour l'avant-dernier, soit de la Leucine ou de l'Alanine pour le dernier. Cette séquence est donc constituée principalement par des AA basiques ou apolaires. Ce signal est reconnu par un récepteur cytoplasmique spécifique :la Peroxyne 7.

Ces deux séquences sont mutuellement exclusives, c'est-à-dire qu'une protéine contiendra soit PTS1 soit PTS2 et jamais les deux ensembles. C'est PTS1 qui est la séquence d'adressage la plus souvent retrouvée.

Schéma de l'adressage

Les gènes sont situés au niveau du noyau. La synthèse d'une protéine suit le trafic post-traductionnel et fait donc appel à des ribosomes cytoplasmiques. Une protéine contient soit une séquence d'adressage de type PTS1 (en Cterm), soit de type PTS2 (en Nterm). Si c'est PTS1, la protéine est prise en charge par la Peroxyne 5. Si c'est PTS2, c'est la Peroxyne 7 qui la prendra en charge dans le cytoplasme.

Le déplacement se fera le long des microtubules. L'adressage vers le peroxysome fait intervenir des protéines de choc thermique, comme HSP70 qui sont des protéines chaperonnes et qui vont permettre l'arrimage de ce couple [Peroxyne 5 ou 7 + protéine] destinée au peroxysome sur un complexe d'arrimage membranaire. Ce complexe d'arrimage étant formé des Peroxynes 13, 14 et 17.

Une fois l'arrimage effectué, il va y avoir une étape qui va associer une dislocation et une translocation. Dislocation qui va permettre la libération du récepteur cytoplasmique (Peroxyne 5 ou 7) pour qu'elle soit recyclée. Et Translocation de la protéine qui doit être importée vers une Perméase. Cette Perméase est constituée des Peroxynes 2, 8, 10 et 12. Ce quiva entrainer une ouverture de la Perméase et l'incorporation, dans la matrice du peroxysome, du produit.

La synthèse de ces différentes protéines spécifiques du péroxysome est sous contrôle de facteurs de prolifération du peroxysome, que l'on appelle encore PP. Ces facteurs de prolifération sont pris en charge par un récepteur qui assurera sa translocation vers le noyau, et iront se fixer sur les séquences de régulation de gènes et de permettront ainsi de contrôler la transcription, puis la traduction.

C) Physiologie

1) Fonctionnement

Le rôle principal des Peroxysomes, en parallèle des Lysosomes, est d'assurer la dégradation des différents métabolites présent dans le cytoplasme des cellules. Ils peuvent être considérés comme des éboueurs de la cellule.

Cette dégradation est assurée par les Oxydases qui vont consommer de l'oxygène mais qui vont produire en parallèle le peroxyde d'hydrogène H2O2. Or, le peroxyde d'hydrogène est un composé instable, qui spontanément va se dégrader en produisant un radical particulier : le radical hydoxyle. Les radicaux sont des produits qui ont perdu un électron. Ce radical hydroxyle est lui même très instable et va chercher à compenser son électron manquant, ce qui va l'entrainer à interagir avec les protéines, les lipides, les acides nucléiques et qui va les dégrader. D'où le rôle très important des Catalases.

Exemple d'un acide gras à très longue chaine carbonée :

Cet acide gras va être dirigé vers le Peroxysome, va entrer à l'intérieur de ce dernier par l'intermédiaire de perméases, de la famille ABC, donc qui consomment de l'ATP. Ce métabolite va être pris en charge par des oxydases, donc le fonctionnement va être assuré grâce à l'oxygène qui va diffuser à travers la membrane.

Cela va produire de l'Acétyl-CoA qui va sortir du peroxysome via les Perméases. Dans le cas des AGTLC, on va produire des acides gras avec moins de 12 atomes de Carbone qui vont aussi sortir du peroxysome via des Perméase. L'Acétyl-CoA et les courtes chaines carbonées vont alors se diriger vers la mitochondrie pour alimenter le cycle de Krebs. Mais les Oxydases vont créer du peroxyde d'hydrogène qui va être pris en charge par les Catalases pour produire de l'eau et de l'oxygène, et cette action particulière des Catalases porte le nom de Détoxification.

2) Rôles

1. Utilisation et détoxification de l'oxygène moléculaire

Le peroxysome est peut être le vestige d'un organelle qui protégeait la cellule primitive des effets nocifs oxydants de l'oxygène ; son rôle est devenu moindre quand est apparue la mitochondrie qui utilise, elle aussi, l'oxygène mais qui a l'avantage de produire de l'énergie.

Les peroxydases catalysent la formation d'eau oxygénée ou peroxyde d'hydrogène.

R-H2 + O2 -------> R + H2O2

- L'eau oxygénée est très réactive; elle est utilisée par le polynucléaire pour détruire les bactéries.
- H2O2 est utilisée par la catalase pour oxyder certaines substances toxiques :

H2O2 + R' H2 --------> R' + 2 H2O

- R' peut être un groupement phénol, de l'acide formique, du formaldéhyde ou un alcool.
- L'alcool éthylique est transformé dans le foie en acétaldéhyde qui est détruit par la catalase.
- La catalase détruit l'excès d ' H2O2 produit dans la cellule :

2 H2O2 -------> 2 H2O + O2

2. Catabolisme de l'acide urique

Les purines (adénine, guanine) constituant des acides nucléiques sont catabolisées en acide urique. Chez la plupart des animaux , l'acide urique est dégradé par les peroxysomes en allantoïne soluble dans les urines grâce à l'urate oxydase. Cette enzyme n'existe pas chez l'homme, l'acide urique produit en excès provoque la goutte, la lithiase urique ou les insuffisances rénales au cours de la chimiothérapie des leucémies. On utilise l'urate oxydase dans les circonstances aiguës pour lutter contre l'accumulation néfaste d'acide urique.

3. ß-oxydation des acides gras à très longues chaînes

Les acides gras à très longues chaînes (C10 à C18, saturés et insaturés), quelques acides gras à longues chaînes. combinés au coenzyme A La beta-oxydation va conduire à la formation d'acétyl CoA qui va traverser la membrane du peroxysome et gagner la mitochondrie pour participer au cycle de Krebs. A noter que la mitochondrie n'oxyde que les acides gras à chaînes courtes, moyennes et la plupart des chaînes longues.

La chaîne latérale des éicosanoïdes (dérivés de l'acide arachidonique): prostaglandines, thromboxanes (impliqués dans le processus de coagulation), leucotriènes (impliqués dans l'inflammation ).

Les médicaments qui stimulent la formation des peroxysomes (fibrates) sont utilisés comme hypolipémiants (médicaments faisant proliférer les peroxysomes). Dans la maladie génétique appelée adrénoleucodystrophie, (une des maladies dégénérative du système nerveux d'origine génétique la plus fréquentée) il existe un déficit de transport des acides gras à très longue chaîne (AGTLC) qui ne peuvent pas être oxydés et qui s'accumulent dans la substance blanche du cerveau et d'autres tissus.

3) Pathologie

Malgré leurs caractères assez simples de ces peroxysomes, ils sont impliqués dans de nombreuses maladies chez l'homme. Ce sont des affections qui sont soit de transmission Autosomique Récessive, soit la transmission est RLX. Elles sont caractérisées par l'accumulation d'un métabolite qui ne peut être dégradé par le peroxysome, en raison de la mutation d'une enzyme. Et dans les cellules, on va retrouver de très larges vésicules qui sont constituées de la fusion des peroxysomes accumulant le métabolite qui ne peut être dégradé. Ce sont essentiellement des lipides qui se retrouvent accumulés.

Deux exemples :
  • Le syndrome de Zellweger , va aboutir à une accumulation de lipides dans le foie, le système nerveux, le rein et au niveau de la glande surrénale. Et ce syndrome est lié à un déficit de la production de peroxysome en raison d'une mutation sur la Peroxyne 1.
  • L'Adrénoleucodystrophie liée à l'X, qui va toucher les hommes et qui se caractérise par l'accumulation d'AGTLC au niveau de la glande surrénale et dans la substance blanche du système nerveux. Cette accumulation est liée à une mutation sur une enzyme de la β- Oxydation des AGTLC.
Peroxysomes
Peroxysomes

Histologie de rein d'une patiente atteinte d'oxalose (le champ du milieu est pris en lumière, polarisée ce qui permet de voir les cristaux brillants d'acide oxalique).

Peroxysomes
Peroxysomes

Chez la même patiente on voit très bien les reins sur une simple radio car ils sont imprégnés de cris.

Conclusion

Ces Peroxysomes sont des vésicules n'appartenant pas au système endomembranaire, constitués d'une seule membrane qui va délimiter une matrice. Les peroxysomes sont organisés en réseau à l'intérieur de la cellule. Ils assurent des réactions d'oxydation en deux étapes : la première est de consommer de l'oxygène et de produire du peroxyde d'hydrogène, la seconde étant de consommer ce peroxyde d'hydrogène par des enzymes spécifiques que sont les Catalases, et cette deuxième étape s'appelle la Détoxification.

Les peroxysomes nécessite l'importation de l'ensemble de leur constituants. Ils se déplacent le long du cytosquelette, ils bourgeonnent à partir d'un peroxysome pré-existant et ils sont dégradés par autophagie.

Retour à l'index des catégories ou à la catégorie "Biologie cellulaire"
Pas d'image
Détails
Version : 1
Vues : 16162
Téléchargé : 5 fois
SMITE
Contributeurs
Chaque cours est rédigé par des membres du site. Celui-ci est le fruit de travail de ces utilisateurs :
Florent
Voir ses contributions
Écrire à cet utilisateur
Autres catégories
En ligne
Il y a actuellement 7 biologistes connectés  sur eBiologie.
Liste des connectés :
  • 7 visiteurs