Capacité de régulation de la concentration du calcium

La régulation calcique intracellulaire est une fonction capitale de la mitochondrie, qui fait intervenir deux types de canaux : les canaux d’import du calcium constitué par le canal uniporteur et les canaux d’export du calcium, constitué par les échangeurs Na+/Ca2+, H+/Ca2+ et le PTP (Figure 45A) (Gunter et al. 2000; Carafoli 2003).

Le transport calcique mitochondrial a un rôle fondamental car il régule la synthèse d’ATP, la synthèse d’agents réducteurs comme le NADH par les enzymes du cycle de Krebs

(Hansford 1985; McCormack et al. 1990), la concentration cytosolique de Ca2+ reliée à la signalisation calcique intracellulaire et à la mort cellulaire (Carafoli 2004; Nicholls 2005). L’augmentation de la synthèse de l’ATP par le calcium se fait à trois niveaux : celui du transport des électrons soit directement au niveau du complexe I et du complexe II

(McCormack et al. 1990; Kotlyar et al. 1992) soit indirectement sur le complexe I par réduction du potentiel de membrane (Panov and Scaduto 1995), celui du transport des nucléotides par l’ANT (Moreno-Sanchez 1985) et celui de la synthèse de l’ATP par l’ATP synthase (Brown 1992; Das 2003) (Figure 45B). La synthèse de NADH est régulée par le calcium mitochondrial, au niveau de trois enzymes du cycle de krebs : la pyruvate deshydrogénase (Denton et al. 1972; Hansford and Castro 1985), l’isocitrate deshydrogénase

(Denton et al. 1978) et l’α-cétoglutarate deshydrogénase (McCormack and Denton 1979, 1984) (Figure 45B). Le transport de calcium régule quantitativement la concentration de Ca2+ cytosolique et matriciel (Nicholls 2005). Au niveau neuronal, le transport du calcium mitochondrial permet la synchronisation de la libération de neurotransmetteurs des motoneurones (David and Barrett 2003; Talbot et al. 2003), ainsi que la régulation de la transmission glutamatergique pour éviter le phénomène d’excitotoxicité (Nicholls 2005).

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BIBLIOGRAPHIQUE

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Le canal uniporteur de calcium mitochondrial est la voie unique d’import du calcium intermembranaire, provenant du cytosol par le VDAC, vers la matrice mitochondriale. Il comprends deux ou plusieurs sous-unités d’une protéine de 40 kDa (Saris et al. 1993; Mironova et al. 1994) mais n’a toujours pas été cloné. Il est localisé au niveau de la membrane interne mitochondriale (Gunter and Gunter 1994). Le canal uniporteur Ca2+ a une très haute affinité pour le calcium avec une constante de dissociation de 2 nM (Kirichok et al. 2004) et permet l’entrée de calcium de façon dépendante du voltage et non saturable, si la concentration cytosolique est supérieure à 200 nM (Gunter and Pfeiffer 1990). Il permet aussi le passage sélectif de cations apparentés comme le Sr2+, et avec une moindre affinité, le Mn2+, le Ba2+, le Fe2+ et le La3+(Drahota et al. 1969; Vainio et al. 1970; Kirichok et al. 2004). Il est inhibé par le rouge ruthénium et les lanthanides (Rossi et al. 1973; Reed and Bygrave 1974) et activé par les polyamines comme la spermine (Nicchitta and Williamson 1984; Rustenbeck et al. 1998b; Rustenbeck et al. 1998a). Dans les cas extrêmes comme lors d’une dépolarisation mitochondriale prolongée, l’uniporteur peut fonctionner dans le sens inverse pour exporter le Ca2+ mitochondrial (Montero et al. 2001). Dans ce cas là, l’ATP comme le Mg2+ sont capables d’inhiber la libération de calcium mitochondrial, en se fixant du côté intermembrnaire du canal (Litsky and Pfeiffer 1997). La vitesse d’entrée du calcium dans la mitochondrie est de deux types : rapide ou très rapide (RaM) mais il n’a pas été déterminé si deux types d’uniporteurs existaient. Les deux modes d’entrée sont cependant sensibles aux mêmes inhibiteurs et activateurs, ce qui est en faveur d’une différence de conformation plutôt que d’une différence d’isoforme (Gunter et al. 2000). La capacité de la mitochondrie à accumuler le Ca2+ est énorme et pourrait excéder 1000 nmoles/mg de protéines (Nicholls 2005).

Au niveau neuronal, l’augmentation de la concentration de Ca2+ intracellulaire provenant du milieu extracellulaire est reliée à une augmentation du transport du Ca2+ par le canal uniporteur, suivie d’une augmentation du Ca2+ mitochondrial (Peng et al. 1998; Wang and Thayer 2002) et d’une réduction du potentiel de membrane (Duchen 1992; Hayakawa et al. 2005). Il en résulte une activation du métabolisme énergétique avec augmentation de la consommation d’oxygène pour rétablir le potentiel de membrane mitochondrial et le potentiel de membrane plasmique (Duchen 1992; Hayakawa et al. 2005). En effet, la régulation du Ca2+ intracellulaire se fait aussi au niveau de la membrane plasmique par l’activation des Ca2+- ATPases chargées d’expulser le calcium en échange de la consommation d’ATP. C’est une des raisons de la demande accrue d’énergie, avec la réduction du potentiel de membrane mitochondrial, expliquant l’activation du métabolisme énergétique. Il est probable que c’est la perte du potentiel de membrane mitochondrial et l’activation du PTP, suite à l’activation du transporteur qui soit responsable de la mort neuronale. Ceci expliquerait l’absence de mort neuronale excitotoxique observée en présence d’un inhibiteur de la capture du calcium par la mitochondrie (Stout et al. 1998).

3.2.8.2. Echangeurs Na

/Ca

et H

/Ca

Il existe quatre possibilités d’efflux du calcium mitochondrial. Trois modes d’efflux interviennent en situation physiologique : l’échange du calcium mitochondrial contre le Na+ cytosolique par l’échangeur Na+/Ca2+, celui contre le H+ par l’échangeur H+/Ca2+, celui du passage par le PTP à faible conductance. Les deux autres modes d’efflux, représentés par le PTP à forte conductance et la réversion de l’uniporteur du Ca2+ (paragraphe précédent), sont mis en place dans les situations pathologiques.

mitochondrial. En bleu les enzymes activées par le calcium : l’ alphacétoglutarate déshydrogénase (α- CGDH), la pyruvate deshydrogénase (PDH) et l’isocitrate deshydrogénase (NAD-IDH). TCA cycle : cycle de Krebs ou des acides tricarboxyliques. Schéma issu de (Carafoli 2003)

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L’efflux du Ca2+ à partir de la matrice mitochondriale se fait contre le potentiel de membrane, négatif du côté matriciel et nécessite une quantité importante d’énergie d’environ 33kJ, soit l’équivalent énergétique apporté par l’hydrolyse d’une mole d’ATP (Gunter and Pfeiffer 1990). Cette énergie est apportée par le Na+ intermembranaire, le gradient de pH, l’oxydation ou l’hydrolyse de l’ATP. L’échangeur Na+/Ca2+ est l’isoforme majoritairement active dans le cerveau (Crompton et al. 1978) par rapport à l’échangeur H+/Ca2, plutôt active dans le foie et le rein (Wingrove and Gunter 1986b).

L’échangeur Na+/Ca2+ a été découvert dans la mitochondrie cardiaque et permet l’échange d’un ion Ca2+ de la matrice contre un ion Ca2+ ou deux ou trois ions Na+ de l’espace intermembranaire (Crompton et al. 1977; Baysal et al. 1994; Jung et al. 1995). Il est capable de transporter lentement un ion Sr2+ parallèlement à l’inhibition du transport du Ca2+ (Saris and Bernardi 1983). Il n’expulse pas le Mn2+ mais est inhibé par celui-ci ce qui explique que le Mn2+ entré par le canal Ca2+ uniporteur s’accumule dans la mitochondrie, en parallèle du Ca2+, dans laquelle il inhibe l’ATPase et le complexe I mitochondrial à l’origine de la neurotoxicité du manganèse (Gavin et al. 1999). Il est inhibé par de nombreux produits utilisés le plus souvent en tant qu’inhibiteur calcique ou diurétique dans l’indication de l’hypertension artérielle, comme le diltiazem (Chiesi et al. 1987), le vérapamil (Wolkowicz et al. 1983; Sordahl et al. 1984) et les dérivés de l’amiloride (Jurkowitz et al. 1983).

Il existe trois isoformes d’échangeurs Na+/Ca2+ ou NCX (sodium-calcium exchanger) dont les isoformes NCX1 de 108,5 kDa codé par le chromosome 2 (Komuro et al. 1992) et NCX2 de 100,4 kDa codé par le chromosome 19 (Li et al. 1994b; Kikuno et al. 1999) sont

fortement transcrites dans le cerveau. L’isoforme NCX3 de 103 kDa, codé par le chromosome 14 (Nicoll et al. 1996) a été isolé à partir de neuroblastome SH-SY5Y et un rôle important dans la transmission neuromusculaire (Gabellini et al. 2002). Les différentes isoformes semblent impliquées dans les processus physiopathologiques de l’ischémie cérébrale et de la maladie d’Alzheimer (Annunziato et al. 2004). Ces échangeurs sont à priori localisés à la membrane plasmique et leur localisation mitochondriale n’a pas été mise en évidence. Si les échangeurs mitochondriaux sont différents des NCX, ils n’ont pas encore été clonés. Récemment, le lithium possédant la caractéristique d’activateur des NCX (Iwamoto and Shigekawa 1998), a permis d’inhiber la mort cellulaire induite par le glutamate sur des neurones corticaux, hippocampaux et cerébelleux en culture (Nonaka et al. 1998).

L’échangeur Ca2+ ne dépendant pas du Na+, permet le passage d’un ion Ca2+, Mn2+ ou Sr2+ de la matrice vers l’espace intermembranaire, contre le gradient électrochimique. Cet échange est électroneutre mais aucun transfert de cation de l’espace intermembranaire à la matrice ni de cotransport d’anion vers l’espace intermembranaire n’a été mis en évidence

(Fiskum et al. 1979; Gunter et al. 1983). C’est pourquoi l’hypothèse de l’échange du Ca2+ contre deux H+ provenant de l’espace intermembranaire semble la plus plausible (Fiskum and Lehninger 1979). Cependant un autre facteur semble intervenir car l’échange est diminué par l’augmentation du pH mitochondrial et l’échange est possible même lorsque l’énergie nécesssaire est deux fois plus élevée que celle fournie par la force protonique (Gunter et al. 1991). Cet échangeur est inhibé par le Mn2+ (Gavin et al. 1999), le cyanure (Gunter and Pfeiffer 1990), des agents découplants à faible concentration comme le CCCP et le ruthénium rouge à forte concentration (Wingrove and Gunter 1986a).

3.2.9. Capacité de régulation de la concentration des autres