SPECIALITE PHARMACEU
3. Dysfonction mitochondriale
3.2. Physiologie mitochondriale
3.2.9. Capacité de régulation de la concentration des autres ions
3.2.9.1. Capacité de régulation de la concentration du
sodium
Les canaux sodiques mitochondriaux sont représentés par un uniporteur Na+ permettant l’influx de Na+ dans la mitochondrie et un échangeur Na+/H+ spécifique du Na+ permettant l’efflux du Na+ et la régulation du pH.
L’uniporteur Na+ mitochondrial a une sélectivité pour le Na+ et le Li+, une imperméabilité au K+ et une inhibition compétitive par le Mg2+ se fixant à sa surface, de
l’ordre du nM (Bernardi et al. 1990). Il est stimulé par des concentrations physiologiques d’ATP et ne fonctionne que dans une zone de pH comprise entre 7,5 et 8, et un potentiel de membrane inférieur ou égal à -140 mV.
L’échangeur Na+/H+ mitochondrial ou NHE6 (Na+ exchanger 6) est un canal antiport situé au niveau de la membrane interne, permettant le passage du Na+ de la matrice mitochondriale vers l’espace intermembranaire, contre le H+ intermembranaire, provenant de la phosphorylation oxydative. Il est très spécifique pour le Na+ et ne permet pas l’efflux du K+
(Nakashima and Garlid 1982). C’est une protéine de 74,2 kDa codée par le chromosome X , dont l’expression est ubiquitaire avec un niveau particulièrement élevé de trancription dans le cerveau humain (Numata et al. 1998). Des localisations extramitochondriales ont été décrites pour cette protéine, notamment au niveau du réticulum endoplasmique (Miyazaki et al. 2001), compartiment de maturation de la protéine et des endosomes, compartiment de recyclage vésiculaire (Brett et al. 2002). Il faut noter qu’il existe une dizaine d’isoformes d’échangeurs Na+/H+ (NHE1 à 10), situés au niveau de la membrane plasmique, des membranes du Golgi et des lysosomes. Ces isoformes ont un rôle de régulation du volume cellulaire et du pH intracellulaire et intravésiculaire. L’isoforme mitochondriale a un rôle particulier dans la régulation du Ca2+ matriciel, car c’est le sodium de l’espace intermembranaire qui permet la sortie du calcium matriciel par l’échangeur Na+/Ca2+. Il interviendrait aussi dans la régulation du pH et du volume mitochondrial. Il permet de maintenir un niveau faible de concentration du Na+ matriciel et d’équilibrer le gradient de Na+ au niveau du gradient de H+(Brierley et al. 1994).
3.2.9.2. Capacité de régulation de la concentration du
potassium
Les échanges potassiques au niveau de la mitochondrie interviennent dans la régulation du volume mitochondrial et la régulation des H+ (Garlid and Paucek 2003). Les canaux potassiques mitochondriaux sont de deux types : uniporteur ou échangeur K+/H+. A l’état basal, il y a un équilibre entre l’influx de K+ par les uniporteurs et l’efflux de K+ par l’échangeur K+/H+ (Nakashima et al. 1982).
L’influx de K+ dans la mitochondrie via les uniporteurs entraîne la diffusion d’eau et la capture d’un contre-anion souvent le Pi, qui entraîne un gonflement de la matrice mitochondriale (Garlid and Paucek 2003). Cette fonction est assurée par trois types de canaux K+ uniporteurs : sensible à l’ATP et au glibenclamide, sensible au ruthénium et uniporteur classique (Brierley et al. 1994). Il n’est pas certain que l’uniporteur classique soit différent de
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celui sensible à l’ATP, et on peut simplifier la classification en deux catégories : l’uniporteur K+ sensible à l’ATP et l’uniporteur sensible au Ca2+ (Facundo et al. 2006).
L’uniporteur K+ mitochondrial sensible à l’ATP est caractérisé par une faible conductance au K+ mais est très spécifique pour le K+ (Inoue et al. 1991). Il a ensuite été partiellement purifié sous la forme d’une protéine de 54 kDa (Paucek et al. 1992) et est six à sept fois plus exprimé dans le cerveau que dans le foie ou le cœur (Bajgar et al. 2001).
L’uniporteur K+ sensible à l’ATP est fortement inhibé par des esters d’AcylCoA à longue chaîne comme l’oléylCoA (Ki 260nM) et le palmitoylCoA (Ki 80nM) (Paucek et al. 1996). Il est aussi inhibé par la quinine (Ki <100µM) (Bednarczyk et al. 2004). En cas de déficit en ATP dans la matrice, le canal uniporteur est activé et responsable d’une dépolarisation de la membrane mitochondriale (Inoue et al. 1991), et d’une activation de la consommation d’oxygène (Bajgar et al. 2001),mais elle est insuffisante pour interrompre la synthèse d’ATP
(Kowaltowski et al. 2001).
Par ailleurs, la diminution de l’activité des canaux K+ sensibles à l’ATP interviendrait dans l’ischémie cérébrale car leur activation a un effet neuroprotecteur, bloqué par le glibenclamide. En effet, la chromakiline reverse l’ischémie induite par le iodoacétamide dans une culture primaire neuronale(Reshef et al. 1998).De plus, la chromakiline, le nicorandil et le pinacidil sont neuroprotecteurs dans un modèle d’ischémie de l’hippocampe chez le rat par un mécanisme d’inhibition de l’expression des gènes c-Fos et c-jun(Heurteaux et al. 1993).
En outre, l’activation de ces canaux serait associée à l’absence de sensibilité des interneurones cholinergiques au 3-NP contrairement aux MSN dans des tranches striatales
(Marti et al. 2003). Le mécanisme potentiel d’insensibilité des interneurones au 3-NP serait associé à une baisse de production de radicaux libres et une réduction de l’ouverture du PTP
(Facundo et al. 2005).
L’uniporteur K+ mitochondrial activé par le Ca2+ s’ouvre en présence d’une concentration µM de Ca2+(Siemen et al. 1999). Il a aussi été démontré que leur activation par le NS-1619 permettait une protection de l’ischémie cardiaque reliée à la baisse du potentiel de membrane mitochondrial (Xu et al. 2002).
L’échangeur K+/H+ permet l’efflux du K+ intramitochondrial contre l’entrée du H+ intermembranaire (Martin et al. 1984). Il a un rôle essentiel dans la régulation du volume mitochondrial, notamment dans les situations d’excès de Ca2+ mitochondrial (Brierley et al. 1994). Une délétion du gène LETM1 codant un échangeur K+/H+ de 83,5 kDa, situé sur le bras court du chromosome 4 à côté du gène de l’huntingtine serait impliqué dans la maladie de Wolf-Hirschhorn, caractérisée par un de croissance pré et postnatal, un retard mental, une microcéphalie et des anomalies du tonus musculaire (Endele et al. 1999)..
3.2.9.3. Capacité de régulation de la concentration du
magnésium
Les mitochondries sont capables d’importer et d’exporter du Mg2+, par des voies actuellement mal définies (Jung and Brierley 1994). L’influx de Mg2+ est médié par un transport saturable et dépendant de la concentration, activé par le potentiel de membrane et dépendant de la respiration (Jung et al. 1997). L’efflux de Mg2+ est activé par l’absence de Mg2+ intracellulaire et nécessite un gradient de pH, ce qui oriente vers un efflux dépendant d’un échangeur Mg2+/H+ (Rutter et al. 1990). Récemment, par homologie avec la protéine bactérienne CorA de transport du Mg2+, la protéine Mrs2p de 54 kDa a été identifiée comme le transporteur responsable de l’influx du Mg2+ chez la levure, dont l’expression influence la capacité de capture du Mg2+ (Kolisek et al. 2003). La régulation du Mg2+ est importante pour
le transfert des nucléotides (Moreno-Sanchez 1985), l’activité des canaux ioniques mitochondriaux et celle des enzymes matricielles et de la chaîne respiratoire sensibles au Mg2+(Rodriguez-Zavala and Moreno-Sanchez 1998).
3.2.9.4. Capacité de régulation de la concentration du
chlorure
Un agent découplant, le cérébrocast est capable d’induire l’influx de H+ en cotransport avec le Cl- en s’incorporant dans la membrane interne mitochondriale (Fernandes et al. 2005). Des canaux Cl- de deux types ont été mis en évidence dans le tissus adipeux : un canal inhibé par le GDP (guanosine 5'-diphosphate) et un canal inhibé par le DCCD et les amines amphiphiles et activé par l’alcalinisation de la matrice ou la déplétion en Mg2+ (Jezek et al. 1989). Dans ce même tissu, chez le hamster, le canal Cl- sensible au GDP a été isolé comme un uniproteur de 32 kDa perméable au Cl-, Br-, nitrate et F- (Jezek et al. 1990). Ces canaux n’ont pas été clonés ni isolés dans les mitochondries mais il est possible qu’ils soient en fait identiques aux UCP (Jezek et al. 1994).
3.2.9.5. Capacité de régulation du gradient de protons par
les protéines découplantes
Les protéines découplantes mitochondriales UCP (uncoupling carrier protein) sont chargées de découpler le transport d’électrons de la chaîne respiratoire mitochondriale de la synthèse d’ATP. Pour ce faire, les UCP dissipent le gradient de protons existant entre l’espace intermembranaire riche en H+ et la matrice mitochondriale, créé par la phosphorylation oxydative dont la fonction est de former de l’ATP (Nicholls 1974). Cette voie de fuite de H+ est utile lorsque l’ATP synthase ne fonctionne pas, par exemple en cas de manque d’ADP dans la matrice mitochondriale. Ils sont, en outre, perméables aux chlorures et les acides gras anioniques, tout en étant inhibés par l’ATP, l’ADP, le GTP et le GDP et sont activés par les acides gras et les superoxydes (Krauss et al. 2005). Il existe cinq isoformes de protéines découplantes mitochondriales dont l’isoforme UCP2 ubiquitaire de 33,2 kDa, codée par le chromosome 11 (Fleury et al. 1997) et les deux isoformes fortement exprimées dans le cerveau, UCP4 de 36 kDa codée par le chromosome 6 (Mao et al. 1999) et UCP5 ou BMCP1 (Brain mitochondrial carrier protein 1) de 36,2 kDa codée par le chromosome X (Sanchis et al. 1998). La protéine UCP5 est fortement exprimée dans les ganglions de la base et semble être exclusivement neuronale (Kim-Han et al. 2001).
Au niveau neuronal, les protéines UCP assureraient d’augmentation de la transmission synaptique, de diminution du potentiel de membrane mitochondrial et de régulation de l’homéostasie calcique et de la production de superoxydes.
En effet, la régulation de la transmission dopaminergique a été observée au niveau du noyau accumbens, consécutivement à la production de chaleur par UCP2 permettant d’accélérer l’accès de la dopamine aux récepteur D1 (Fuxe et al. 2005).
Par ailleurs, le rôle des UCP dans la diminution du potentiel membraniare mitochondrial a été mis en évidence par l’observation d’un taux d’ATP et d’un potentiel de membrane plus élevé dans les souris invalidées pour UCP2 (Krauss et al. 2002). De plus la surexpression d’UCP2, d’UCP4 ou de BMCP1 réduit le potentiel de membrane mitochondrial
(Mao et al. 1999; Kim-Han et al. 2001; Yamada et al. 2003). Ce rôle sur le potentiel de membrane est important pour l’homéostasie calcique cellulaire car la diminution du potentiel de membrane par les agents découplants comme le DCCP et le 2,4-dinitrophénol, permet la
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réduction de la capture du calcium par la mitochondrie parallèle à une réduction de la mort cellulaire excitotoxique induite par le glutamate (Stout et al. 1998). De même, l’expression de UCP2 dans le cerveau immature protège de l’excitotoxicité et de la production de radicaux libresinduites par l’acide kaïnique (Sullivan et al. 2003).
Enfin, le rôle des UCP dans la réduction de la production de superoxydes pour prévenir un excès de radicaux libres a été mise en évidence par la mesure d’une augmentation des superoxydes en présence d’un ARN antisens dirigé contre UCP2 (Duval et al. 2002).