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Mitochondries
Canaux de la membrane externe : les VDAC

Sommaire
définition

Les mitochondries possèdent deux membranes, une membrane externe (OMM : outer mitochondrial membrane) et une membrane interne (IMM : Inner mitochondrial membrane), séparées par l'espace intermembranaire (IMS, intermembrane space)

La matrice mitochondriale contient de nombreux enzymes nécessaires au métabolisme, en particulier celles du cycle de Krebs : les ions et les molécules doivent donc traverser ces deux membranes.

  • Mitochondrie
    Mitochondrie
    (Figure : vetopsy.fr)
    La membrane mitochondriale externe est perméable aux petites molécules (taille inférieure à 5 kDa) et semble peu spécifique.
  • La membrane mitochondriale interne est bien plus spécifique et nécessite des transporteurs actifs : elle est imperméable aux molécules chargées, ce qui lui permet de maintenir le gradient de protons nécessaire à la phosphorylation oxydative.

Les canaux de la membrane externe laissent passer selon des processus différents :

1. des ions et des molécules de faible poids (moins de 5 kDa) par :

  • les VDAC, porines des eucaryotes,
  • les transporteurs d’ADP et d’ATP,
  • les transporteurs de superoxydes ;

2. des molécules plus grosses, comme des protéines par les transporteurs :

  • TIM/TOM (machinerie)
  • SAM (machinerie)

Vue d'ensemble des VDAC (Voltage Dependent Anion Channel)

Les porines sont des protéines transmembranaires qui laissent passer dans les deux sens des substances de faible poids moléculaire.

Les porines, d'abord découvertes chez les bactéries gram-positives, ont été retrouvées dans les mitochondries, étayant la théorie endosymbiotique (loupe chapitre spécial), i.e. les organites eucaryotes sont issus de bactéries gram-négatives.

Chez les Eucaryotes, les VDAC (Voltage Dependent Anion Channel) sont des porines, qui, sans nul doute, sont les canaux les plus importants de la membrane externe mitochondriale (OMM) pour les petites molécules hydrophiles (Supramolecular Assembly of VDAC in Native Mitochondrial Outer Membranes 2007).

Ces canaux permettent le passage (Voltage-dependent anion channel (VDAC) as mitochondrial governator—Thinking outside the box 2005) :

bien

Ces VDAC laissent donc passer presque tous les métabolites entrant ou quittant la mitochondrie, si bien qu'il est quelquefois qualifié de " gouverneur mitochondrial ".

  • De grosses protéines ou des protéines repliées ne peuvent pas passer : c'est les cas du cytochrome c qui, par son passage dans le cytosol, provoque le début de l’apoptose.
  • L'oxygène et les acides gras courts, composés lipophiles, traversent eux toutes les membranes contenant des phospholipides.

Structure des VDAC

Les VDAC sont des porines de 31 kDa, de 3 nm de large pour 5 nm de haut environ, qui peuvent former des dimères, des trimères et des multimères.

Structure de hVDAC1
Structure de hVDAC1
(Figure : vetopsy.fr d'après Bayrhuber et coll)

On connait 3 isoformes chez les mammifères: VDAC1, VDAC2 and VDAC3 qui ont environ 70% d'homologie (Structure of the human voltage-dependent anion channel 2009 et Solid-state NMR and Molecular Dynamics Characterization of human VDAC2 2017).

  • VDAC1 est le canal le plus exprimé.
  • Il existe des différences fonctionnelles entre ces canaux, en particulier au niveau du nombre de cystéines, ce qui suppose qu'ils puissent assumer des rôles quelque peu différents (cf. plus bas).

1. Les VDAC sont formés de 19 brins β transmembranaires (β-strand) formant un tonneau β (β barrel).

  • Ce nombre impair n'est observé que dans cette structure et impose que les brins 1 et 19 soient parallèles, contrairement aux autres, ce qui implique que la liaison hydrogène est plus faible à ce niveau.
  • Les charges sont placées principalement sur la première moitié du pore (brins β1-β8), alors que la seconde moitié est moins hydrophile (brins β9-19).

2. Les cystéines baignant dans l'espace intermembranaire mitochondrial (IMS) sont des cibles potentielles d'oxydation par les ROS (Reactive Oxygen Species ou dérivés réactifs de l'oxygène) et différent selon les isoformes (cf. plus bas).

3. Le segment N-terminal forme une hélice α déformée qui varie selon l'isoforme concernée (The N‑Terminal Peptides of the Three Human Isoforms of the Mitochondrial Voltage-Dependent Anion Channel Have Di ff erent Helical Propensities 2015).

  • Les résidus chargés positivement sont positionnés face à l'intérieur du tonneau,.
  • Les aspartates chargées négativement interagissent avec la paroi du tonneau. L
  • Les résidus de la paroi du cylindre (His181, Ser193, Tyr195, Lys224) sont hydrophiles et sont conservés parmi la plupart des protéines VDAC.

Des travaux récents montreraient plutôt le présence de 2 hélices α, 6–9 et 12–20 (The N-terminus of VDAC: Structure, mutational analysis, and a potential role in regulating barrel shape 2016).

Extrémité N-terminale des hVDAC
Extrémité N-terminale des hVDAC
(Figure : vetopsy.fr d'après Bayrhuber et coll)

Cette hélice α est située à mi-chemin du pore, et réduit le diamètre de la cavité, ce qui permet de réguler le flux de métabolites.

Une rotation de cette région peut ainsi déplacer l'hélice vers l'intérieur du pore et obstruer une partie plus importante du canal, bloquant ainsi les métabolites tout en laissant passer les ions.

Dans les dimères, il semble que l'hélice peut être située à l'intérieur d'un monomère alors qu'elle se trouve en dehors pour l'autre (VDAC1 at the crossroads of cell metabolism, apoptosis and cell stress 2017).

bien

Ce segment N-terminal du VDAC peut donc adopter différentes conformations (ouverte ou fermée), en fonction des facteurs externes.

Structure des VDAC
Structure des VDAC
(Figure : vetopsy.fr d'après ?????)

Ces facteurs externes, qui dépendent du potentiel membranaire (tension), peuvent être :

  • des interactions protéine-protéine,
  • des interactions ioniques,
  • l'environnement lipidique.

Différentes isoformes de VDAC

Les trois isoformes différent, entre autres, selon (VDAC isoforms in mammals 2012) :

VDAC1

VDAC1, le plus abondant (10000/cellule environ), a un rôle dans l'apoptose qui est due à la compétition entre :

Ses deux cystéines, situées loin l'une de l'autre, n'auraient aucune influence sur l'apoptose.

  • Cys127 (β8) est en contact avec le milieu phospholipidique hydrophobe.
  • Cys232 (β16) entre en contact avec le milieu aqueux du pore.
Structure de VDAC1 et VDAC2
Structure de VDAC1 et VDAC2
(Figure : vetopsy.fr d'après Maurya et coll)

VDAC2

VDAC2 est un canal qui contrôle le flux de métabolites, mais aussi l'homéostasie calcique dans le cardiomyocytes.

VDAC2 a un rôle antiapoptotique majeur.

1. D'une part, ses cystéines permettent, grâce à leur groupe thiol, de neutraliser efficacement les ROS, ainsi que de contribuer au repliement et à la stabilité du canal.

  • Cys36, Cys65 et Cys122 sont communs à VDC2 et VDC3.
  • Cys 92, Cys127, Cys216 et Cys199 sont exposés à l'espace intermembranaire mitochondrial (IMS) et contribuent à neutraliser les ROS
  • Cys2 et Cys8 sont dans la partie N-terminale, i.e. dans le milieu aqueux.

2. D'une part, il est le seul VDAC à pouvoir séquestrer la protéine pro-apoptotique BAK (Bcl-2 homologous antagonist killer) dans l'OMM et à la maintenir dans l'état inactif (VDAC2 inhibits BAK activation and mitochondrial apoptosis 2003).

Un rapport récent du groupe Hajnóczky a identifié des segments clés du tonneau VDAC2 qui peuvent être importants pour la liaison constitutive de Bak, et l'importation de tBid lorsque l'apoptose est déclenchée (Motifs of VDAC2 required for mitochondrial Bak import and tBid-induced apoptosis 2016).

Le VDAC2 possède 11 acides aminés supplémentaires dans l'hélice N-terminale, ce qui permet (The N‑Terminal Peptides of the Three Human Isoforms of the Mitochondrial Voltage-Dependent Anion Channel Have Di ff erent Helical Propensities 2015) :

  • de mieux configurer cette hélice pour l'interaction avec le tonneau et la stabilisation de la structure,
  • de la rendre moins flexible, ce qui entraîne une différence dans la liaison avec d'autres protéines comme l'hexokinase ou les Bcl-2, ce qui explique aussi son rôle antiapoptotique.

VDAC2 se lie à StAR (Steroidogenic Acute Respiratory), une protéine MAM (Mitochondria-Associated endoplasmic reticulum Membrane) .

Rôles des VDAC
Rôles des VDAC
(Figure : vetopsy.fr d'après Shoshan-Barmatz et coll)

VDAC3

VDAC3, malgré son homologie de 70% avec VDAC1 et VDAC2, semble avoir évolué indépendamment et aurait un rôle cellulaire différent, en particulier dans les centrosomes.

VDAC3 possède 6 cystéines chez l'homme (VDAC3 As a Potential Marker of Mitochondrial Status Is Involved in Cancer and Pathology 2016).

Les propriétés oxydantes de ce compartiment cellulaire rendent les cystéines hautement réactives et elles peuvent exister dans différents états d'oxydation.

En outre, un pont disulfure est formé entre les cystéines 2 et 8 (VDAC3 as a sensor of oxidative state of the intermembrane space of mitochondria: the putative role of cysteine residue modifications 2016).

Mécanisme

Ouverture du canal

Les VDAC permettent le passage de molécules dans la mitochondrie dans les deux sens et mettent ainsi en relation les composés énergétiques comme l'ATP au plus près des enzymes et des métabolites qui s'inscrivent dans la production énergétique (glycolyse, phosphorylation oxydative) et l'homéostasie cellulaire.

Déplacements possible de l'hélice α
Déplacements possible de l'hélice α
(Figure : vetopsy.fr d'après Hiller et coll)

Le canal se présente dans (The 3D structures of VDAC represent a native conformation 2010) :

  • une conformation ouverte (conductance d'environ 4 nS), à des potentiels membranaires faibles, où il est peu sélectif aux anions,
  • une conformation fermée (conductance d'environ 2 nS) à des potentiels supérieur à +30 mV ou inférieur à -30 mV, où il est faiblement sélectif aux cations.

On décrit, pour mVDAC1, des sous-populations d'états fermés, en particulier deux sous-états, S1 et S2, avec des conductances de 2,6 et 1,9 nS (Flexibility of the N-Terminal mVDAC1 Segment Controls the Channel’s Gating Behavior 2012).

Le processus d'ouverture du canal repose sur le repositionnement de l'extrémité N-terminale :

En outre, il semble maintenant acquis que le tonneau n'est pas rigide et peut s'effondrer sur lui-même selon des conformations elliptiques (β-Barrel Mobility Underlies Closure of the Voltage-Dependent Anion Channel 2012).

Ouverture et fermeture en fonction du voltage
Ouverture et fermeture en fonction du voltage
(Figure : vetopsy.fr d'après Zachariae et coll)

Cet aplatissement réduit la distance entre β1 et β9 et allonge le pore le long de l'axe β4-β14.

De plus, certains modèles décrivent la formation d'un pont disulfure entre une cystéine de l'hélice α et une cystéine du tonneau, indiqué par une étoile sur les figures.

Déclenchement par la tension

Le déclenchement des VDAC dépend essentiellement de la tension.

L'emplacement précis du capteur de tension dans la protéine n'est pas connu de manière exacte, mais est situé au niveau des résidus 1-23, i.e. au segment N-terminal décrit plus haut : d'autres études montreraient que les résidus 39-48, 55-65, 79-88, 144-153, 275-283.

Structure de hVDAC1 et hélice α N-terminale
Structure de hVDAC1 et hélice α N-terminale
(Figure : vetopsy.fr d'après Bayrhuber et coll)

Déclenchement par d'autres stimuli

D'autres stimuli peuvent fermer le canal par une perturbation des liaisons hydrogènes plus faibles entre la région N-terminale et le tonneau, ce qui permet la réorientation de l'hélice α dans le pore grâce à la région charnière.

1. La coordination des ions métalliques entre deux monomères antiparallèles aussi bien pour le $\ce{Ca++}$ que pour le $\ce{Mg++}$ (par Glu73) pourrait être déterminante.

  • Le $\ce{Ca++}$ joue un rôle important, avec le VDAC, dans la mort cellulaire mitochondriale-dépendante, mais aussi comme cofacteur pour des enzymes comme la pyruvate déshydrogénase (PDH) ou l'isocitrate déshydrogénase, i.e. la production énergétique et l'homéostasie sont toutes deux affectées par la perméabilité du VDAC au $\ce{Ca++}$.
  • Le $\ce{Mg++}$ est indispensable à la liaison de l'extrémité hydrophobe N-terminale de l'hexokinase à la surface du canal, enzyme protectrice contre l'apoptose, mais aussi enzyme clé dans le couplage de la glycolyse à la phosphorylation oxydative.

2. Les enzymes cytosoliques ATP-dépendantes hexokinase, glucokinase et glycérol kinase (GK), ainsi que l'enzyme mitochondriale créatine kinase (CPK) se lient au VDAC, ce qui les positionnent à proximité de l'ATP libérée par les mitochondries (loupehexokinase et VDAC).

3. D'autres régulateurs sont étudiés dans le chapitre VDAC et apoptose :

VDAC et apoptose

Bibliographie
  • Marieb E. N. - Anatomie et physiologie humaines - De Boeck Université, Saint-Laurent, 1054 p., 1993
  • Maillet M. - Biologie cellulaire - Abrégés de Masson, 512 p, 2002
  • Lodish et coll - Biologie moléculaire de la cellule - De Boeck Supérieur, Saint-Laurent, 1207 p., 2014