Exercice 2 · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Métropole 2 remplacement 2022

EXERCICE 2: Une maladie mitochondriale, le syndrome NARP (8 POINTS)

Le syndrome NARP (Neuropathie Ataxie et Rétinite Pigmentaire) est une maladie génétique dont les symptômes cliniques apparaissent progressivement. Des recherches ont établi que cette maladie implique l'ATP synthase mitochondriale (ou complexe V), un complexe protéique enzymatique localisé dans la membrane interne des mitochondries.

QUESTION

Montrer qu'une mutation du gène de l'ATP synthase transmise par hérédité cytoplasmique peut être à l'origine du syndrome NARP.

Vous organiserez votre réponse selon une démarche de votre choix intégrant des données des documents et les connaissances utiles.

Document 1: organisation et fonctionnement des complexes enzymatiques de la chaîne respiratoire dans la membrane mitochondriale

Document 2: origine génétique des sous-unités des 5 complexes enzymatiques constituant la chaîne respiratoire

Chaque complexe enzymatique de la chaîne respiratoire est formé de plusieurs sous-unités, codées soit par le génome nucléaire, soit par le génome mitochondrial.

Complexes · Nom · Sous-unités codées par le génome nucléaire · Sous-unités codées par le génome mitochondrial

I · NADH-CoQ réductase · 36 · 7

II · Succinate-CoQ réductase · 4 · 0

III · Ubiquinol-cytochrome c réductase · 10 · 1

IV · Cytochrome c oxydase · 10 · 3

V · ATP synthase · 12 · 2

Source: Pierre Lescuyer. Étude de l'expression des gènes nucléaires codant pour les sous-unités du complexe I mitochondrial humain. Sciences du Vivant [q-bio]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2002.

Document 3: arbre généalogique d'une famille dont certains membres souffrent du syndrome NARP

Document 4: devenir de certains organites paternels lors de la fécondation chez Caenorhabditis elegans (un petit ver d'un millimètre environ, transparent et non-parasitaire)

Les microtubules de l'embryon de Caenorhabditis elegans participent à la localisation et à la séquestration des mitochondries spermatiques dans des autophagosomes. Un autophagosome est une structure permettant la dégradation par lyse de certains organites.

Des études ont montré que ce processus, appelé autophagie, participe également à la dégradation des organites paternels chez les mammifères. Néanmoins les mécanismes précis de cette autophagie restent encore à élucider.

Source: d'après Developement, V.Galy

Document 5: électrophorèse des complexes I à V de la chaîne respiratoire dans des cellules provenant d'un individu sain et d'un individu atteint du syndrome NARP

L'électrophorèse a pour but de séparer des molécules chargées au travers d'un gel sous l'effet d'un champ électrique. En fonction de différents paramètres (charge, masse...), la vitesse de migration va être variable, ce qui permet la séparation des différentes molécules. Après révélation avec une technique adaptée, celles-ci sont alors visualisables sous forme de bandes. La présence d'une bande indique la présence d'une molécule.

Le document ci-dessous présente le résultat d'une électrophorèse des complexes I à V de la chaîne respiratoire dans des cellules provenant d'un individu sain et d'un individu atteint du syndrome NARP. Pour en faciliter la lecture, les différentes bandes obtenues ont été replacées dans l'ordre des complexes au sein de la chaîne respiratoire.

CI à CV = complexe I à V de la chaîne respiratoire

Remarque: le décalage visible au niveau du complexe IV est un artéfact, donc non significatif.

Source: d'après Defective mitochondrial ATPase due to rare mtDNA m. 8969G> A mutation—causing lactic acidosis, intellectual disability, and poor growth - P Isohanni, CJ Carroll, CB Jackson, M Pohjanpelto... - neurogenetics, 2018 - Springer

Document 6: évaluation de l'activité de l'ATP synthase

Les protons accumulés dans l'espace intermembranaire grâce aux complexes I, III et IV, créent un gradient de protons entre l'espace intermembranaire et la matrice. Ce gradient permet la synthèse d'ATP par l'ATP synthase (complexe V) à partir d'ADP + Pi. Dans la matrice, les protons se combinent au dernier accepteur d'électrons, le dioxygène, pour former de l'eau:

$$\frac{1}{2} \mathrm{O}_2 + 2 \mathrm{H}^+ + 2 \mathrm{e}^- \rightarrow \mathrm{H}_2\mathrm{O}$$

Consommation d'O₂ dans des cellules provenant d'un individu non-atteint (sain) et d'un individu atteint du syndrome NARP, avant et après ajout d'ADP

ADP = ajout d'ADP

Source: modifié d'après Defective mitochondrial ATPase due to rare mtDNA m. 8969G> A mutation - neurogenetics, 2018