Introduction

Les organites énergétiques des cellules eucaryotes sont les mitochondries et les chloroplastes. Les mitochondries sont le siège de la respiration cellulaire, les chloroplastes sont le siège de la photosynthèse.

Ces organites sont considérés comme des bactéries endosymbiotiques. L'endosymbiose est un phénomène au cours duquel un organisme est incorporé au sein d'un autre organisme.

Nous allons envisager les arguments qui ont conduit à considérer que les mitochondries des cellules eucaryotes actuelles résultent d'une endosymbiose passée.

I. Caractères remarquables des mitochondries

1. Existence d'une double membrane

Les mitochondries sont des organites limités par une double membrane : une membrane externe et une membrane interne présentant des replis (crêtes).

Elles sont le siège de la respiration cellulaire, c'est-à-dire oxydation de matières organiques avec utilisation du dioxygène (O₂). En particulier, la membrane interne et les crêtes sont le support de la chaîne respiratoire, où l'O₂ est réduit en H₂O.

Cette respiration cellulaire assure la conversion de l'énergie des matières organiques venues du cytoplasme en énergie chimique sous forme d'ATP (adénosine triphosphate) utilisable, hors de la mitochondrie, pour les diverses activités cellulaires.

2. Présence d'un ADN mitochondrial

Contrairement aux autres organites cellulaires (mis à part le noyau), les mitochondries possèdent leur propre ADN. Il s'agit d'un ADN circulaire comme celui des bactéries.

Cet ADN comprend un certain nombre de gènes qui codent pour des protéines mitochondriales, dont celles qui sont impliquées dans la respiration cellulaire.

Les mitochondries possèdent des ribosomes qui permettent la synthèse de ces protéines.

3. Une semi-autonomie

Dans la cellule, de nouvelles mitochondries se forment­ à partir des mitochondries préexistantes, indépendamment de la division cellulaire.

La réplication de l'ADN mitochondrial est suivie d'une division binaire de la mitochondrie (figure 1).

II. Caractères des bactéries

Le génome bactérien est constitué par un chromosome circulaire qui n'est pas entouré d'une enveloppe nucléaire. Dans le cytoplasme des bactéries existent des ribosomes qui assurent la synthèse de toutes les protéines de la bactérie. Chaque bactérie-fille récupère une copie du génome bactérien.

La multiplication asexuée des bactéries est assurée par une réplication de l'ADN du chromosome bactérien suivie d'une division binaire de la bactérie. Chaque bactérie-fille récupère une copie du génome bactérien.

Plusieurs espèces de bactéries actuelles sont capables de respiration cellulaire, semblable à celle qui existe chez les eucaryotes.

Par tous ces caractères morphologiques et physiologiques, les mitochondries apparaissent comme très proches des bactéries actuelles.

III. Association endosymbiotique mitochondriale

Il y a 2 milliards d'années environ, existaient des cellules eucaryotes sans mitochondries. Il existait également de nombreuses espèces de bactéries, dont certaines étaient capables de respirer. La cellule eucaryote était limitée par une membrane souple lui permettant de phagocyter des proies.

Le mécanisme à l'origine de l'endosymbiose mitochondriale consiste en une phagocytose de bactéries pratiquant la respiration par une cellule eucaryote primitive anaérobie. La phagocytose se traduit par l'incorporation de la bactérie dans la cellule eucaryote (figure 2, en rouge, la cellule eucaryote primitive sans mitochondries, en bleu la bactérie). Le génome de la cellule eucaryote se trouve dans le noyau, limité par une enveloppe nucléaire (les points rouges sont les ribosomes). Le génome de la bactérie est dans le cytoplasme et non entouré d'une membrane nucléaire.

La bactérie, dans la cellule hôte, est alors non seulement limitée par sa propre membrane, mais également par une membrane externe provenant de la membrane de la cellule eucaryote (membrane de la vésicule de phagocytose). Par ce processus, l'endosymbiote est ainsi limité par une double membrane. L'existence de cette double membrane conforte donc l'hypothèse de l'origine bactérienne des mitochondries.

IV. Endosymbiose mitochondriale et histoire évolutive des eucaryotes

Toutes les mitochondries actuelles descendent de l'endosymbiose primitive. Cela signifie qu'au cours de l'histoire évolutive des cellules eucaryotes, lors de la reproduction asexuée et sexuée de tous les eucaryotes, il y a eu transmission des mitochondries de génération en génération.

Cette transmission s'est accompagnée de l'évolution du génome des mitochondries. Il y a eu transfert d'un grand nombre de gènes initialement mitochondriaux dans l'ADN de la cellule hôte. De nombreuses protéines mitochondriales sont codées par des gènes nucléaires, synthétisées dans le cytoplasme puis transférées aux mitochondries.

Cela explique que les mitochondries ne soient plus des organismes autonomes et que l'association actuelle est si intime et bénéfique que les deux associés sont inséparables.

Conclusion

Les mitochondries ne sont pas les seuls organites cellulaires résultant d'une endosymbiose, les chloroplastes sont le résultat d'une endosymbiose entre une cellule eucaryote déjà pourvue de ses mitochondries avec des bactéries chlorophylliennes (cyanobactéries).

Les eucaryotes ont acquis leurs mécanismes énergétiques de bactéries qu'ils ont emballées dans leurs cellules et qui sont devenues héréditaires.

La cellule eucaryote est une chimère, non seulement parce qu'elle contient des bactéries endosymbiotiques, mais aussi parce que le génome de leur noyau est un mélange génétique de gènes eucaryotiques et de gènes bactériens.

L'endosymbiose est un phénomène qui a certainement joué un grand nombre de fois au cours de l'histoire évolutive des êtres vivants et qui a encore lieu actuellement (endosymbiose des algues unicellulaires xanthelles dans les cellules de coraux par exemple).