Mitochondries et Chloroplastes

Les cellules tirent leur énergie de leur environnement, généralement sous forme d'énergie chimique provenant de molécules alimentaires (comme le glucose) ou d'énergie solaire. Elles doivent ensuite convertir cette énergie en formes utiles pour les tâches quotidiennes. La fonction desmitochondries et des chloroplastes est de transformer l'énergie, d'une source d'énergie en ATP, pour l'utilisation cellulaire . Elles le font cependant de différentes manières, comme nous allons le voir.

Fig. 1 : Schéma d'une mitochondrie et de ses composants (à gauche) et de leur aspect au microscope (à droite).

La plupart des cellules eucaryotes (cellules de protistes, de plantes, d'animaux et de champignons) possèdent des centaines de mitochondries (singulier mitochondrion) dispersées dans le cytosol. Elles peuvent être de forme elliptique ou ovale et possèdent deux membranes bicouches avec un espace intermembranaire entre elles (Figure 1). La membrane externe entoure l'ensemble de l'organite et le sépare du cytoplasme. La membrane interne présente de nombreux plis vers l'intérieur qui s'étendent à l'intérieur de la mitochondrie. Les plis sont appelés cristae et entourent l'espace intérieur appelé matrice. La matrice contient l'ADN et les ribosomes de la mitochondrie.

Les mitochondries transfèrent l'énergie du glucose ou des lipides en ATP (adénosine triphosphate, la principale molécule énergétique à court terme des cellules) par le biais de la respiration cellulaire. Les différentes réactions chimiques de la respiration cellulaire se produisent dans la matrice et dans les cristaux. Pour la respiration cellulaire (dans une description simplifiée), les mitochondries utilisent des molécules de glucose et de l'oxygène pour produire de l'ATP et, comme sous-produits, du dioxyde de carbone et de l'eau. Le dioxyde de carbone est un déchet chez les eucaryotes ; c'est pourquoi nous l'exhalons par la respiration.

Les chloroplastes se trouvent uniquement dans les cellules des plantes et des algues (protistes photosynthétiques). Ils réalisent la photosynthèse, transférant l'énergie de la lumière du soleil en ATP, qui est utilisé pour synthétiser le glucose. Les chloroplastes appartiennent à un groupe d'organites appelés plastides qui produisent et stockent des matériaux dans les plantes et les algues.

Les chloroplastes ont la forme d'une lentille et, comme les mitochondries, ils possèdent une double membrane et un espace intermembranaire (figure 2). La membrane interne renferme la membrane thylakoïde qui forme de nombreuses piles de disques membraneux remplis de liquide et interconnectés, appelés thylakoïdes. Chaque pile de thylakoïdes est un granum (pluriel grana), et ils sont entourés d'un liquide appelé stroma. Le stroma contient l'ADN et les ribosomes du chloroplaste.

Fig. 2 : Schéma d'un chloroplaste et de ses composants (l'ADN et les ribosomes ne sont pas représentés), et aspect des chloroplastes à l'intérieur des cellules au microscope (à droite).

Les thylakoïdes contiennent plusieurs pigments (molécules qui absorbent la lumière visible à des ondes spécifiques) incorporés dans leur membrane. La chlorophylle, plus abondante, est le principal pigment qui capte l'énergie de la lumière du soleil. Lors de la photosynthèse, les chloroplastes transfèrent l'énergie du soleil en ATP qui est utilisé, avec le dioxyde de carbone et l'eau, pour produire des glucides (principalement du glucose), de l'oxygène et de l'eau (description simplifiée). Les molécules d'ATP sont trop instables et doivent être utilisées sur le moment. Les macromolécules sont le meilleur moyen de stocker et de transporter cette énergie vers le reste de la plante.

Chez les plantes, les chloroplastes sont largement répandus, mais ils sont plus communs et plus abondants dans les feuilles et les cellules d'autres organes verts (comme les tiges) où se produit principalement la photosynthèse (la chlorophylle est verte, ce qui donne à ces organes leur couleur caractéristique). Les organes qui ne reçoivent pas la lumière du soleil, comme les racines, n'ont pas de chloroplastes. Certaines bactéries cyanobactéries réalisent également la photosynthèse, mais elles n'ont pas de chloroplastes. Leur membrane interne (ce sont des bactéries à double membrane) contient les molécules de chlorophylle.

Il existe des similitudes entre les chloroplastes et les mitochondries qui sont liées à leur fonction, étant donné que ces deux organites transforment l'énergie d'une forme à une autre. D'autres similitudes sont davantage liées à l'origine de ces organites (comme le fait d'avoir une double membrane et leur propre ADN et ribosomes, dont nous parlerons bientôt). Voici quelques similitudes entre ces organites :

• Une augmentation de la surface grâce à des plis (cristae dans la membrane interne des mitochondries) ou des sacs interconnectés (membrane thylakoïde dans les chloroplastes), optimisant l'utilisation de l'espace intérieur.

• Compartimentation: Les plis et les sacs issus de la membrane constituent également des compartiments à l'intérieur de l'organite. Cela permet des environnements séparés pour l'exécution des différentes réactions nécessaires à la respiration cellulaire et à la photosynthèse. Ceci est comparable à la compartimentation donnée par les membranes dans les cellules eucaryotes.

• Synthèse de l'ATP : Les deux organites synthétisent de l'ATP par le biais de la chimiosmose. Dans le cadre de la respiration cellulaire et de la photosynthèse, des protons sont transportés à travers les membranes des chloroplastes et des mitochondries. En bref, ce transport libère de l'énergie qui entraîne la synthèse de l'ATP.

• Double membrane : Elles possèdent la membrane externe de délimitation et la membrane interne.

• ADN et ribosomes: Elles possèdent une courte chaîne d'ADN qui codifie un petit nombre de protéines que leurs propres ribosomes synthétisent. Cependant, la plupart des protéines des membranes des mitochondries et des chloroplastes sont dirigées par le noyau cellulaire et synthétisées par des ribosomes libres dans le cytoplasme.

• Reproduction: Elles se reproduisent toutes seules, indépendamment du cycle cellulaire.

Le but ultime de ces deux organites est de fournir aux cellules l'énergie nécessaire à leur fonctionnement. Cependant, ils le font de manière différente. Les différences entre les mitochondries et les chloroplastes sont les suivantes :

• La membrane interne des mitochondries se replie vers l'intérieur, alors que la membrane interne des chloroplastes ne le fait pas. Une membrane différente forme les thylakoïdes à l'intérieur des chloroplastes.

• Les mitochondries décomposent les glucides (ou les lipides) pour produire de l'ATP par la respiration cellulaire. Les chloroplastes produisent de l'ATP à partir de l'énergie solaire et la stockent dans les glucides grâce à la photosynthèse.

• Les mitochondries sont présentes dans la plupart des cellules eucaryotes (des animaux, des plantes, des champignons et des protistes), alors que seules les plantes et les algues possèdent des chloroplastes. Cette différence importante explique les réactions métaboliques distinctes que chaque organite effectue. Les organismes photosynthétiques sont autotrophes, c'est-à-dire qu'ils produisent leur nourriture. C'est pourquoi ils possèdent des chloroplastes. En revanche, les organismes hétérotrophes (comme nous) se nourrissent en mangeant d'autres organismes ou en absorbant des particules de nourriture. Mais une fois qu'ils ont obtenu leur nourriture, tous les organismes ont besoin de mitochondries pour décomposer ces macromolécules afin de produire l'ATP que leurs cellules utilisent.