ICEUs et communication intracellulaire

et al., 2000). Les mitochondries seraient organisées en une matrice de percolation avec les ROS comme messagers clés. La théorie de percolation décrit comment les interactions voisin- voisin déterminent les propriétés macroscopiques spatiotemporelles d’une matrice excitable (Aon et al., 2004).

Il existerait donc un facteur capable de synchroniser les unités entre elles au sein d’un même cardiomyocyte. De même, toutes les molécules de la phase cytosolique (bulk phase) servent de réserve à la vie de la cellule.

Les ICEUs sont organisées par les interactions entre les mitochondries, le réticulum sarcoplasmique et les sarcomères avec le cytosquelette (Fig. 23).

Fig 23. Schéma des Unités Energétiques Intracellulaires dans les cellules cardiaques. Les mitochondries, le RS et les Mg-ATPases des myofibrilles sont connectés par la canalisation métabolique des intermédiaires de réaction au sein des ICEUs par les systèmes de myokinase (ou adénylate kinase) et créatine kinases. Les facteurs protéiques (non identifiés à ce jour et marqués 'X'), certainement connectés au cytosquelette, fixent la position des mitochondries et contrôlent sans doute aussi la perméabilité de VDAC pour l’ADP et l’ATP. Ceci augmente la microcompartimentation des nucléotides adényliques dans les ICEUs. Par interaction avec les éléments du cytosquelette, les mitochondries et le RS sont précisément fixés entre 2 disques Z et 2 tubules T. Les nucléotides adényliques des ICEUs ne s’équilibrent pas rapidement avec ceux de la phase cytosolique et pourraient être connectés par des métabolites qui diffusent plus vite comme la créatine ou la phosphocréatine. L’ATP de la phase cytosolique pourrait constituer une réserve métabolique cellulaire ou servir à des fins de régulation. Abréviations: AK, adénylate kinase; AKcyt, adénylate kinase cytosolique AMP : Adénosine MonoPhosphate, CK créatine kinase; CKcyt, créatine kinase cytosolique, Cr, créatine, FoF1, ATPase-synthase mitochondriale, PCr, phosphocréatine, Pi, phosphate inorganique, 'X', facteur protéique encore inconnu contrôlant la fonction mitochondriale. (D’après Saks et al., 2001).

ICEU

ICEU ICEU

Bulk Phase AMP ADP ATP Cr PCr

CK cyt AKcyt

Pi

H+

ATP synthase

Mitochondrie

ANT CK

Ca2+

Cr

ADP ATPAMP

Réticulum Sarcoplasmique Ca2+

CK

ADP

ATP ADP

ATPase ATP CK Cr

PCr PCr

Ca2+

"X"

ADP ADP

Pi A Pi

NT

ATP AMP

Pi ADP ADP

ATP F0 F1

ATP

ADP

AK AK

ADP F0 F1 ATP

Myofibrilles

Tubule-T

Ca2+

Tubule-T

Réticulum Sarcoplasmique

Mb externe Mb interne

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A.5.2. Canalisation métabolique de l’ADP exogène et compartimentation intracellulaire Ces complexes jouent un rôle important dans la canalisation métabolique de l’ADP endogène par un couplage effectif entre la production locale d’ADP (par les systèmes compétents qui consomment de l’ATP) et son utilisation pour la synthèse d’ATP dans la matrice mitochondriale. Ces mécanismes de canalisation sont reliés à l’augmentation de l’hétérogénéité de la diffusion intracellulaire de l’ADP et de l’ATP ainsi qu’à leurs restrictions locales de diffusion dues à l’organisation spécifique des ICEUs.

Donc, selon cette hypothèse, l’augmentation de la valeur du Km pour l’ADP exogène dans la régulation de la respiration mitochondriale dans les fibres perméabilisées montre un meilleur degré d’organisation structurale. Dans les muscles lents, l’énergie est transférée entre les mitochondries et les myofibrilles par la navette Cr/PCr tandis que dans les muscles rapides l’énergie pour la contraction est fournie en grande partie par les systèmes glycolytiques via un équilibre entre les CK cytosoliques et les systèmes couplés myofibrillaires MM-CK (Fig. 24).

Fig. 24. Représentation schématique des différences entre les muscles oxydatifs et glycolytique. Organisation schématique intracellulaire de la production mitochondriale d’énergie et les transferts énergétiques pour le muscle glycolytique (A) et le muscle oxydatif (B). (A) Le muscle glycolytique est caractérisé par (1) une faible capacité oxydative maximale, représentée par une faible respiration maximale (Vmax) et une production d’ATP glycolytique; (2) une sensibilité élevée de la respiration mitochondriale pour l’ADP (faible Km), le signal pour la respiration est l’ADP cytosolique; (3) des transferts d’énergie non couplés dans la cellule entre les mitochondries et les ATPases. (B) Le muscle oxydatif est caractérisé par (1) une capacité oxydative maximale élevée, représentée par une respiration stimulée par l’ADP élevée; (2) une faible sensibilité de la respiration mitochondriale pour l’ADP (Km élevé), le signal pour la respiration est la créatine; (3) des transferts d’énergie couplés dans la cellule entre les mitochondries et les ATPases par la navette des CK. (D’après Ribera et al., 2003).

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Kaasik et al., ont montré que l’ATP mitochondrial est presque aussi efficace que l’ATP venant de la réaction de la CK pour stimuler la respiration mitochondriale, ces 2 sources d’ATP étant plus efficaces que l’ATP exogène, suggérant l’existence d’une canalisation directe ATP/ADP entre la mitochondrie, le RS et les myofibrilles. Il existerait donc des interactions directes entre ces organelles permettant d’expliquer la préservation de la fonction cardiaque chez les animaux déficients en CK cytosolique et mitochondriale (Kaasik et al., 2001). Ces observations de Kaasik confirment l’hypothèse d’une organisation en ICEUs où structure et fonction sont intimement liées.

Ainsi le système des CK participe activement au concept de système métabolique organisé où les enzymes sont contrôlées par leur micro environnement ainsi que par d’autres composants du même système. Un système de canalisation directe des substrats et des produits se met en place, permettant de diminuer les distances diffusion entre les intermédiaires et les temps de transit entre les différentes séquences de réactions enzymatiques grâce à une organisation structurale en complexes multienzymatiques. Cette vitesse de réaction élevée peut être atteinte dans ces systèmes de couplage indépendamment de la concentration moyenne des substrats et des intermédiaires. Ainsi la cellule possède plusieurs microcompartiments métaboliques qui sont, par définition, des situations dans lesquelles le métabolite passe d’une enzyme à l’autre et ne se mélange pas avec la réserve totale en métabolites du même macrocompartiment. Ces problèmes de compartimentation intracellulaire sont directement reliés aux problèmes de diffusion intracellulaire. Il a été prouvé qu’il existe des microcompartiments au niveau sous sarcolemmal et myofibrillaire, mais il n’est pas exclu que des microcompartiments dynamiques existent également grâce à des associations transitoires des enzymes cytoplasmiques incluant les enzymes glycolytiques et les CK (Saks et al., 1994).

Dans la préparation des fibres perméabilisées, l’effet stimulant de la créatine sur la respiration stimulée par l’ADP indique le couplage fonctionnel entre la MiCK et l’ANT en régénérant localement de l’ADP. Cet ADP produit par la MiCK au voisinage de l’ANT entre dans la matrice mitochondriale pour être rephosphoryler et activer la respiration. Ce cycle est répété plusieurs fois et c’est la raison pour laquelle la vitesse de respiration augmente pour des concentrations en ADP inférieures en présence de créatine comparée à celle sans créatine.

La PCr diffuse hors de la mitochondrie, trouve les CK myofibrillaires et donc produit localement de l’ATP. Ceci active les ATPases et reproduit de l’ADP endogène dans les myofibrilles. Celui–ci est produit après de longues chaînes de réactions et repart vers l’ANT.

En chemin, il peut éventuellement sortir dans le milieu. Donc, puisque les mitochondries sont

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activées et produisent de la PCr, cette PCr peut de nouveau rephosphoryler cet ADP déjà dans les myofibrilles et le cycle repart dans le compartiment myofibrillaire sans que l’ADP puisse repartir pour activer la mitochondrie. C’est la situation observée lors de l’étude de l’ATP exogène qui va activer la production d’ADP à la fois dans la mitochondrie et dans les myofibrilles et dans ces expériences, seul l’ADP endogène est suivi même si la créatine est absente.

La nature exacte des barrières de restrictions de diffusion n’est pas déterminée et la manière dont l’ADP endogène est canalisé non plus. Les ICEUs sont organisées par les interactions entre les mitochondries, le réticulum sarcoplasmique et les sarcomères avec le cytosquelette. Le problème se pose alors de déterminer quels composants du cytosquelette sont responsables de l’architecture intracellulaire.