L`organisation de la cellule animale

MOLECULES CELLULES
L’ORGANISATION DE LA CELLULE
ANIMALE
Sabine Lindenthal – [email protected] – http://mednuc.unice.fr/tiro/ rub. Cours.
Références: Biologie moléculaire de la cellule, B. Alberts, Flammarion ; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ rub.
Books, dispo en français à la bu ; Biologie, N. Campbell, JB Reece
Plan du cours disponible sur le web.
Les cours traitera uniquement de la cellule eucaryote animale.
I - INTRODUCTION
DEFINITION DE LA CELLULE
La cellule est la plus petite unité structurale d’un organisme vivant. Cet organisme doit pouvoir croitre, se
multiplier, se reproduire indépendamment (on exclut les virus). Cet organisme doit être unicellulaire ou
pluricellulaire.
La cellule est une structure organisée, elle doit donc garder sa forme et nécessite donc un apport d’énergie. En
général, cette énergie est fournie par des molécules comme du glucose. Pour cela, elle doit être en contact
permanent avec le milieu extracellulaire. Ces molécules ingérées doivent être digérées, transformées. L’énergie
est
transformée
de
molécules
riches
en
glucose
en
molécules
riches
en
ATP.
Cette forme universelle d’énergie est utilisée pour catalyser d’autres réactions chimiques et donc pour
synthétiser de nouvelles structures qui permettent à la cellule de garder sa forme. Lors de cette digestion, des
déchets sont accumulés, ceux-ci doivent être évacués. A un moment ou un autre, la cellule doit mourir.
La cellule est donc une structure dynamique, elle renouvelle sans cesse les molécules qui la constituent, et ce
même pour une cellule au repos.
COMPARAISON DE LA CELLULE EUCARYOTE/PROCARYOTE
Il existe deux types de cellules, les eucaryotes, de « eu » vrai, en grec, et procaryotes, la particularité étant que
les procaryotes n’ont pas de noyau.
LA CELLULE PROCARYOTE
Elles n’ont pas de noyau, ce sont en
général des unicellulaires. C’est le type
cellulaire le plus abondant aujourd’hui
sur terre. Ces cellules sont de petite taille
(entre 1 et 10µm maxi).
Elles n’ont pas de noyau, et pas de
compartiment
intracellulaire
(endomembrane). Il y a une seule
membrane qui entoure un seul
compartiment, la membrane plasmique.
Un procaryote contient une seule
molécule d’ADN, qui est circulaire. On
l’appelle également le nucléoïde. Cet
ADN est attaché à la membrane plasmique, où celle-ci forme une invagination. Cette structure s’appelle le
mésosome. L’ADN occupe souvent un grand espace dans la cellule. Quelquefois, les procaryotes sont entourés
d’une seconde paroi, une capsule.
S’il y a abondance en nutriments, les procaryotes peuvent se diviser toutes les 20 minutes, en pouvant donner
naissance à 5 milliards de cellules en moins de 11 heures.
LA CELLULE EUCARYOTE ANIMALE
Quelle que soit la fonction de la cellule eucaryote, il y a toujours deux compartiments : le noyau et le
cytoplasme. La cellule est entourée d’une membrane plasmique. Exception : les hématies ou globules rouges
sont des cellules hautement spécialisées, et n’ont plus du tout d’organisme intracellulaires . On ne peut plus
parler d’organisme vivant. Sa durée de vie est donc très limitée (environ 30 jours).
Le noyau est formé par deux membranes que l’on appelle enveloppe nucléaire. Il contient l’ADN, qui est
associé à des protéines (histones) qui servent surtout à enrouler l’ADN sur lui-même à cause de sa grandeur
(1000x supérieur à celui des procaryotes). Cette association ADN-protéines est la chromatine. L’ADN est
attaché dans le noyau à une membrane appelée la lamina nucléaire. Il existe plusieurs molécules d’ADN sous
forme linéaire nommées chromosomes. Le nombre et la quantité de chromosomes est variable en fonction des
espèces.
Une caractéristique des eucaryotes est qu’elles possèdent des cytosquelettes de microtubules qui donnent une
forme à la cellule.
Le cytoplasme comprend tout le compartiment contenant la membrane plasmique à l’exception du noyau. Si
on parle du cytozole, on exclut tout les compartiments intracellulaires. La taille des eucaryotes est supérieure à
la taille d’un procaryote (entre 10 et 1000µm). La cellule est parcourue par un grand nombre
d’endomembranes.
L’enveloppe nucléaire est en contact avec le réticulum endoplasmique, qui joue un rôle dans la synthèse des
protéines et des lipides. Il diffuse vers l’appareil de Golgi. Cet appareil ressemblant à des ballons écrasés joue
un rôle de régulateur vésiculaire et participe au renouvellement membranaire, et possède des vésicules qui
rejoignent la membrane plasmique mais également le réticulum endoplasmique. Toute cette population de
vésicules est appelée le système endomembranaire. Ce système comprend donc le réticulum, l’appareil de
golgi et toutes leurs vésicules qui circulent entre ces compartiments.
Les mitochondries qui sont des compartiments clos (car n’échangeant pas avec le système endomembranaire)
ont pour rôle d’oxyder les molécules (oxydation=déshydratation) et nutriments.
La cellule va ensuite se diviser, et réguler sa reproduction. Une cellule ne doit pas si diviser n’importe
comment, pour le maintien des organes. Une dérégulation mène a l’apparition de cancers.
FORMATION DE LA CELLULE ANCESTRALE
Tous les organismes vivants proviennent d’une seule cellule ancestrale, apparue environ il y a 3 milliards
d’années. Il y a des hypothèses concernant son apparition.
Concernant l’information génétique…
L’information génétique est stockée sous forme de molécules d’ADN, désoxyribonucléotides double brin,
capables de se répliquer avant la méiose. Le flux d’informations dans la cellule est transcrit en ARN qui est
composé de ribonucléotides simple brin, qui va traduire et diriger la synthèse de protéines, effecteurs
cellulaires. La transcription et la traduction se produisent dans des endroits différents, la première dans le
noyau, la seconde dans le cytoplasme. Cependant, on a trouvé des virus qui gardent leur information sous
forme ARN mais qui ont besoin de refaire passer leur information via ADN pour synthétiser des protéines.
EVOLUTION DE LA CELLULE
Différents stades ont été suggérés concernant l’évolution de la cellule.
STADE 1
On pense qu’il y a 4 milliard d’années, dans cette soupe prébiotique, se sont formées par réactions spontanées
les premiers polypeptides. Il y a aussi l’apparition des premières molécules d’ARN, le tout par réaction
spontanées.
STADE 2
Puis, à un certain moment, les molécules d’ARN ont acquis la capacité de s’autorépliquer, et pouvaient ensuite
diriger la synthèse de certaines protéines, autrement dit pouvaient agir de matrices pour la synthèse de
protéines.
STADE 3
Lors du stade suivant, la première membrane autoformée entoura les molécules d’ARN et les protéines, de
façon sélective. Cette compartimentation a permis de garder ces protéines et ARN très proches. La probabilité
de rencontres de ces molécules à donc augmenté, et incidemment la probabilité de réactions chimiques et
donc la synthèse de protéines.
STADE 4
Les cellules sont devenues de plus en plus complexes, posant un problème concernant le stockage de cette
masse d’informations héréditaires. En effet, les molécules d’ADN, dans leur succession linéaire de nucléotides,
sont très fragiles. On pense donc que l’ADN, composé de deux molécules linéaires, est plus facilement
réparable, donc plus stable et moins sensible que l’ARN. La cellule a donc développé des protéines capables de
synthétiser de l’ARN à partir de l’ADN. On note que cette cellule est procaryote.
1,1Ga - Apparition
de la cellule à
activité de
photosynthèse
0Ga Formation
de la Terre
0,7Ga - Apparition
de la cellule
ancestrale
anaérobie (tirant
son énergie de la
dégradation de
glucose)
•
•
•
3Ga Apparition
des
cellules à
respiration
aérobie
2,5Ga Augmentation
de la teneur en
02 de
l'atmosphère
de par les
cellules
photosynthèse
3,6Ga Apparition
des
organismes
pluricellulai
res
3,3Ga Apparition de la
cellule eucaryote
à activité de
photosynthèse
La cellule anaérobie a donc utilisé la dégradation du glucose pour convertir de l’énergie. Ces cellules
effectuant la glycolyse existant toujours de nos jours. Ce sont les procaryotes anaérobies.
Mais ces cellules devenaient rares.
Les cellules à activité de photosynthèse, les cyanobactéries, utilisèrent l’énergie des rayons solaires
pour synthétiser des molécules riches en énergie. Malheureusement, lors de la photosynthèse, de
l’oxygène est libéré, et commence donc à s’accumuler dans l’atmosphère. Cette molécule était
toxique pour la plupart des molécules anaérobies. La plupart des procaryotes ont donc disparu,
essayant de trouver des niches où ils peuvent se développer, ou bien ont appris à utiliser l’oxygène.
Les cellules précitées qui sont les cellules aérobies ont bien compris que l’oxygène permet d’oxyder
efficacement les molécules de glucose, contribuant à leur survie. Ce sont toujours les cellules
procaryotes capables de respiration.
L’ORIGINE DES CELLULES EUCARYOTES
La cellule eucaryote apparait donc il y a 1,5Ga.
HYPOTHESE ENDOSYMBIOTIQUE
On pense que les procaryotes se sont nourris d’autres
procaryotes plus petits, par exemple des
cyanobactéries capables de photosynthèse, ingérés,
mais pas digérés, induisant une relation de symbiose.
La même chose se serait déroulée avec des
procaryotes capables de respiration, ingérés mais pas
digérés, devenant alors des mitochondries au sein de
leur cellule-hôte.
RAPPORT SURFACE/VOLUME
Les
endomembranes
représentant
donc
un
agrandissement de la surface de la cellule, via les
invaginations.
Le rapport surface/volume n’es pas le même selon les
cellules. Plus les cellules sont petites, plus le rapport
surface/volume est grand. C’est en vue de ce rapport
que la cellule a développé les surfaces
endomembranaires.
On imagine donc la formation d’un système
endomembrane par une invagination de la membrane plasmique et, à un certain moment, la liaison entre la
membrane et le cytoplasme se rompt, induisant la formation d’une spécialisation de la membrane plasmique.
Par la suite, les cellules se sont regroupés en amas, qui sont devenus interdépendants les uns des autres, créant
les premiers organismes pluricellulaires.
II - LES MEMBRANES BIOLOGIQUES
STRUCTURE ET COMPOSITION DE LA MEMBRANE PLASMIQUE
Une membrane est constituée de lipides et de protéines. Dans une cellule, il existe beaucoup de membranes
différentes, avec beaucoup de fonctions différentes, mais ont toutes une structure de base identique, une
bicouche lipidique mettant en place les fonctions structurales, et ce sont les protéines qui mettent en place les
spécificités des membranes.
Nous allons voir comment les lipides forment la structure de base, les bicouches lipidiques.
A - LES LIPIDES MEMBRANAIRES
On parle de deux feuillets de lipides. Quand on parle de la membrane plasmique, on a un feuillet extracellulaire
et un feuillet intracellulaire. Cette couche représente une barrière entre les deux milieux, compartiments
aqueux. Elle doit être imperméable à l’eau, sinon elle ne pourrait pas contenir la cellule. Elle doit être
hydrophobe. Elle est formée d’interactions non covalentes.
Pour le lymphocyte, on note un feutrage appelé cell-coat ou couche lipidique.
Il existe trois classes de lipides membranaires :
•
•
•
Les phospholipides
Les glycolipides
Le cholestérol
LES PHOSPHOLIPIDES
FORMATION DE LA BICOUCHE LIPIDIQUE
La phosphatidylcholine représente 55% des phospholipides. Dans un milieu aqueux, cette molécule peut
former toute seule une bicouche lipidique. On y trouve un groupement glycérol qui est un trialcool attaché à
deux chaines d’acides gras. Le troisième groupement OH est attaché à un groupement phosphate ayant des PH
physiologiques et étant ionisé de façon négative, qui peuvent être lié a un groupement de tête choline, ionisé
positivement. Cette molécule est neutre. La tête est polaire et hydrophile, et la queue est hydrophobe et
apolaire.
Cette molécule est donc amphiphile, qui à la fois est hydrophile et polaire, et a une partie hydrophobe et
apolaire.
La chaine d’acide gras peut être saturée (liaisons simples) et insaturée (double liaisons entre C). Cette double
liaison cys impose un coude à cette chaîne malgré la flexibilité globale de la molécule.
Donc ces molécules sont amphiphiles comme toutes les phospholipides membranaires. Ils possèdent tous deux
chaines d’acides gras, un groupement de tête polaire et un groupe phosphate. La plupart de ces molécules sont
globalement non chargées.
LA LIAISON HYDROGENE
L’eau est une molécule polaire. Elle porte donc des charges partielles
négative au niveau de l’oxygène, positive au niveau des H.
Dans l’eau, les molécules forment un réseau, et sont tenues ensemble
par des liaisons hydrogène, interactions de faible énergie entre H et O
de deux molécules différentes. Ces associations sont nombreuses. Ce
réseau n’est pas fixe, au contraire il est mouvement, les particules
sont très mobiles.
MOLECULES HYDROPHILES ET HYDROPHOBES
Les molécules en solution aqueuse forment des liaisons hydrogène. Certaines polaires comme l’acétone
peuvent toujours établir des liaisons autour du réseau, elles sont donc hydrophiles. Cette molécule est soluble.
D’autres, comme le 2-Méthyl-propane, apolaire, ne peut pas s’intégrer dans le réseau des molécules en
formant de réseau d’hydrogène. Il va donc forcer les molécules d’eau à former une « cage » autour de la
molécule, interrompant le réseau polaire.
LES HYDROCARBURES DANS L’EAU
Les hydrocarbures sont des chaines longues de plusieurs atomes de carbone, totalement apolaire. Le réseau
de molécules d’eau va donc être dérangé, formant une cage autour des chaines carbonées. L’entropie d’un
système naturel tend toujours à s’agrandir, cherche à se désordonner. En introduisant les molécules, le
désordre va diminuer. Les molécules d’eau vont faire en sorte de rétablir l’ordre autour des chaines carbonées
en formant un état plus ordonné, de façon naturelle, en regroupant les molécules hydrophobes en formant
une seule cage autour des molécules. De cette façon, l’entropie diminue moins. Les chaines d’acides gras vont
donc se regrouper dans l’eau.
LES PHOSPHOLIPIDES DANS L’EAU & L’AUTOASSEMBLAGE/AUTOFERMETURE
En solution aqueuse, les phospholipides vont se regrouper ; les queues
sont hydrophobes, tandis que les têtes polaires sont exposées à l’eau,
elles forment donc spontanément des bicouches lipidiques, de 5 à 7nm
de largeur le tout se repliant de façon sphérique, formant un
compartiment clos, une vésicule.
LA MICELLE
La micelle se forme lorsque la forme, l’occupation spatiale du
phospholipide est conique, contrairement aux chaines doubles, qui
forment des bicouches lipidiques.
LES GLYCOLIPIDES
Ils possèdent donc des sucres, et pas de groupement phosphate. La
sérine porte un monosaccharide, représentant la partie polaire de la
molécule, ainsi que des acides gras, partie hydrophobe de la
molécule. Elles sont réparties également dans l’appareil transgolgien,
ainsi que dans toutes les membranes plasmiques des cellules. Le
groupement de tête peut également contenir des polysaccharides
chargés ou non. Très grande variabilité du groupement de tête. Ils
font partie de la formation du cell-coat et du glycocalix.
LE CHOLESTEROL
Il est caractéristique des cellules eucaryotes animales. C’est aussi
un lipide, une molécule amphiphile, mais la partie hydrophile se
résume à un seul groupement –OH, attaché à un noyau stéroïde
rigide, portant une chaîne hydrocarbonée relativement courte,
mais assez déformable et flexible. Ce sont les parties
hydrophobes. Le cholestérol s’insère dans chacun des deux
feuillets de la bicouche lipidique avec un groupement –OH au
niveau des groupements de tête des phospholipides. La partie
rigide gène un peu les mouvements libres des chaines
hydrocarbonées des phospholipides avoisinantes.
DISTRIBUTION DES LIPIDES DANS LA BICOUCHE LIPIDIQUE
La répartition est asymétrique. Il existe une différence de charge entre les deux parois de la membrane,
définissant les potentiels électriques de celle-ci, à l’origine du potentiel membranaire.
Feuillet
Extracellulaire
Intracellulaire
Lipide
Cholestérol
Glycolipides
Phosphatidylcholine +
Sphingomyeline +
Cholestérol
Phosphatidylcholine –
Sphingomyeline –
Phosphatidylserine (porteur de charge -)
Phosphatidylinositol (porteur de charge -, rare)
LA DYNAMIQUE DE LA MEMBRANE BIOLOGIQUE
LE FLUIDITE MEMBRANAIRE
•
•
•
•
Les lipides peuvent fréquemment se déplacer rapidement avec les molécules avoisinantes (2µm/sec),
phénomène de diffusion latérale.
Flexion des chaînes hydrocarbonées (possible).
Les phospholipides peuvent également tourner sur place autour d’un axe perpendiculaire à la
membrane.
Très rare, le changement de feuillet, ou « flip-flop », demande un apport d’énergie. Les enzymes
catalysant la réaction sont les flippases. Cette réaction n’est pas favorable énergétiquement.
La bicouche lipidique est décrite comme un fluide bidimensionnel. Les lipides se déplacent rapidement, mais
chacun dans son feuillet.
La membrane est fluide à température ambiante. En
abaissant la température, elle va devenir visqueuse (gel),
puis cristalline, et donc rigide. Ces transitions sont
appelées transition de phase, caractérisées par des
températures. En cas de baisse de température, les
chaines hydrocarbonées s’agitent moins, l’agitation
moléculaire baisse, alignant les chaines, permettant des
liaisons de Van der Waals de faible énergie, baissant la
fluidité de la membrane, et ce d’autant plus que les
chaines carbonées sont longues. Chaines longues et
saturées, va geler rapidement. Chaines courtes et insaturées, va rester fluide a plus faible température. Les
cellules de milieux froids vont donc synthétiser des chaines courtes et insaturées.
LA FLUIDITE MEMBRANAIRE ET LE CHOLESTEROL
Le cholestérol possède un noyau stéroïde rigide,
empêchant les mouvements des chaines. A
température ambiante, il va donc rendre moins
fluide la bicouche lipidique. Par contre, lorsque la
température baisse, le cholestérol permet de
limiter les interactions de Van der Waals, il agit
donc comme un fluidifiant.
LA PERMEABILITE MEMBRANAIRE
On utilise pour les étudier les BLM « black
lipid
membranes »
ou
membranes
lipidiques noires. On sépare deux
compartiments par un trou, et on choisit la
composition lipidique. On passe à travers le
trou un pinceau avec le mélange lipidique,
se crée une bicouche, spontanément. Celleci est noire à la lumière. On introduit
ensuite
un
composant
dans
un
compartiment, et on étudie son passage,
ou non.
La bicouche est hydrophobe et apolaire, et sépare deux
compartiments aqueux. Il ne passe donc pas de molécules
chargées, même ions, mais aussi aux molécules polaires, comme
les sucres. Les molécules passant sont de petites molécules,
même polaires, comme l’eau, l’urée ou le glycérol. Passent
également des molécules non chargées, non polaires,
notamment les gaz.
Il existe donc forcément des voies de passage pour les molécules
indispensables à la vie des cellules, c’est à dire protéines
permettant leur passage, ce sont les protéines membranaires,
qui définissent les fonctions spécifiques des protéines
membranaires.
B - LES PROTEINES MEMBRANAIRES
Il y a dans la membrane cellulaire, en nombre, un ratio de 1 protéine pour 50 lipides, correspondant à 50/50 en
masse. Dans la membrane interne mitochondriale, il y a 75% de protéines pour 25% de lipides. Dans la gaine de
myéline des neurones, il y a 25% de protéines pour 75% de lipides.
DIFFERENTS MONDES D’ASSOCIATIONDES PROTEINES AVEC LA BICOUCHE LIPIDIQUE
Une protéine est une molécule linéaire composée d’acides aminés, très longue et repliée. On trouve 20 acides
aminés différents au niveau de leur chaine latérale, qui peuvent être polaire, non polaires, ou chargées. Elles
possèdent des structures secondaires. Selon sa composition, une protéine peut comporter des parties
hydrophiles ou hydrophobes. Il existe deux grandes classes d’association avec la bicouche lipidique :
PROTEINES INTRINSEQUES
Elles ont des liaisons covalentes avec la bicouche lipidique.
•
Protéines
transmembranaires
Lorsque la protéine traverse la
bicouche lipidique, elle se replie en
hélice alpha. A cet endroit, les acides
aminés
sont
principalement
hydrophobes (chaines latérales non
chargées). On trouve des acides aminés
hydrophiles à l’extérieur de la bicouche.
Elles peuvent traverser des membranes
plusieurs fois, alternant entre parties
hydrophiles, hydrophobes. Une protéine transmembranaire est une molécule amphiphile. Elle peut
quelque fois être ancrée à la bicouche par une ancre lipidique. Elles peuvent aussi traverser la
membrane via un feuillet plissé antiparallèle bêta. C’est toujours une molécule linéaire, qui peut
former un canal aqueux. Elles peuvent donc former des voies de passage hydrophile, sous forme de
feuillet bêta ou alpha.
•
Protéines
ancrées
par
des
lipides
Ce ne sont pas des molécules amphiphiles. Elles ont des liaisons
covalentes avec la bicouche, mais sont hydrophiles. Elles sont liées
avec l’un des deux feuillets uniquement via un lipide, ou via un
oligosaccharide lié à un ophospholipide membranaire. Ces liaisons
oligosaccharides se trouvent principalement en milieu
extracellulaire, et les liaisons lipidiques dans le milieu
intracellulaire.
PROTEINES PERIPHERIQUES/GLYCOPROTEINES/CELL-COAT
On peut les enlever facilement. Il s’agit de molécules hydrophiles
associées
aux
parties
hydrophiles
d’une
molécule
transmembranaire, par exemple. Les liaisons qui sont faites sont de
nature électrostatique. Comme les lipides, ces protéines
membranaires peuvent porter des chaines oligosaccharides, mais
ceci ne se fait que du côté extracellulaire. On dit que la protéine
est glycosylée si elle porte un sucre. Avec les glycolipides et les
glycoprotéines, ils forment le cell-coat, ou glycocalix. La cellule
possède donc une zone riche en glucides a sa périphérie, qui
protège la cellule cotre les attaques chimiques, mécaniques, mais
permet aussi une reconnaissance cellulaire.
LA MOBILITE DES PROTEINES DANS LA MEMBRANE
On peut par l’expérience induire une fusion cellulaire ; La cellule résultant est hybride. C’est un hétérocaryon.
On a observé la distribution des protéines membranaires dans cet hétérocaryon. Au début, les protéines
restent dans la zone de la cellule originale. Par la suite, les protéines sont entremêlées. Elles se sont donc
déplacées à travers la membrane plasmique. Elles peuvent donc comme les lipides diffuser latéralement dans
la membrane. Elles peuvent également subir un mouvement de rotation, mais ils ont une orientation unique
dans la membrane.
LA CRYOFRACTURE
On congèle une cellule rapidement, dans de l’azote liquide (-196°C). On obtient donc un bloc de glace. On le
fracture. La fracture passe entre les deux feuillets de la bicouche lipidique. Par un traitement spécifique on
peut ensuite observer séparément les deux couches.
LE RADEAU LIPIDIQUE
Dans ces radeaux se trouvent du cholestérol, mais au niveau de ces micro domaines (jusqu’à 70nm), le
cholestérol et la Sphingomyeline ont souvent une chaine carbonée un peu plus longue. La membrane devient
donc un peu plus épaisse. Les protéines et les lipides se déplacent facilement, mais il existe des endroits plus
enrichis de certaines protéines.
QUELQUES FONCTIONS DES PROTEINES MEMBRANAIRES
Les
protéines
membranaires
permettent
le
passage
des
molécules
chargées
ou
hydrophobes, sous forme d’un tube
ou d’un canal, ou bien se lier à ces
molécules pour leur fournir une
solution de transport. Elles peuvent
aussi
posséder
une
activité
enzymatique. Elles peuvent aussi
permettre la transmission d’un signal extracellulaire vers intracellulaire. Elle peut aussi servir de protéine de
reconnaissance cellulaire, d’adhérence pour lier deux cellules ensemble. Elles peuvent aussi lier une cellule à la
MEC
« matrice
extracellulaire » d’un côté, et
au cytosquelette de l’autre
côté.
III - LE S QUATRE GRANDS ENSEMBLES DE COMPARTIMENTS CELLULAIRES
LE NOYAU
C’est un des quatre grands compartiments cellulaires, parmi :
•
•
•
•
Le cytoplasme, qui correspond à l’intérieur de la cellule, sauf le noyau.
Le cytosol, qui correspond à l’intérieur de la cellule, sauf les compartiments.
Le système endomembranaire, qui est constitué du réticulum endoplasmique, l’appareil de golgi. Ils
communiquent via trafic vésiculaire.
Les compartiments clos, qui sont les mitochondries, les peroxysomes et les plastes. Ils ne font pas
partie du système endomembranaire car ne participent pas au trafic vésiculaire. Le compartiment
cytosolique contient beaucoup d’enzymes, des multitudes de protéines, et beaucoup d’eau.
L’ORGANISATION. STRUCTURE GENERALE
L’ADN ne quitte jamais le
compartiment
nucléaire.
La
double membrane entoure le
noyau. Elle est constituée de deux
bicouches lipidiques, une interne
et une externe, c’est l’enveloppe
nucléaire. L’espace entre ces deux
membranes est appelé l’espace
périnucléaire (de 7 à 10nm). Par
endroits, ces membranes se
rejoignent pour former des trous,
ce sont les pores nucléaires.
L’ENVELOPPE NUCLEAIRE
Elle se referme par endroits pour former des pores. La membrane
externe est en continuité avec le réticulum endoplasmique rugueux, qui
porte les ribosomes. L’espace périnucléaire aussi. La membrane fait
partie du réticulum endoplasmique rugueux.
Lors du cycle cellulaire existent des phases de division appelées M. Le
noyau est visible uniquement à l’interphase. L’ADN sous forme
interphasique est présent sous forme de chromatine. Il existe
l’hétérochromatine et l’euchromatine.
On peut être en présence d’une cellule mononucléée à plusieurs lobes,
qui peuvent apparaître comme des compartiments séparés à cause de la
coupe. L’euchromatine apparait en clair, l’hétérochromatine en foncé.
LA LAMINA NUCLEAIRE
L’enveloppe nucléaire est soutenue et stabilisée par des
protéines filamenteuses qui forment un enchevêtrement
soutenant l’enveloppe nucléaire. C’est la lamina nucléaire. Il
existe la lamine A, B et C. Elle a une épaisseur de 10 à 20nm et
est formée de protéines, les lamines. Celles-ci font parties des
protéines du cytosquelette. Elles se trouvent exclusivement dans
le cytosol, à l’exception des lamines.
Les protéines du cytosquelette sont divisées en trois classes :
•
•
•
Les microtubules (diamètre de 25nm)
Filaments intermédiaires (10-12nm)
Filaments fins (8nm)
Les lamines font partie de la classe des filaments intermédiaires, sont présentes dans le noyau et forment la
lamina nucléaire donnant la forme au noyau et le stabilisant. On les trouve aussi dans le cytosol, toujours dans
le même but.
ASSEMBLAGE DES FILAMENTS INTERMEDIAIRES
Les lamines ont une forme allongée, et ont aux extrémités des repliages arrondis. Il existe deux monomères de
lamines, qui vont s’associer pour former un dimère. Dans ce cas là, il s’agit d’un homodimère. Ils s’associent de
façon parallèle, et vont s’enrouler l’un sur l’autre. Ils vont ensuite s’associer deux à deux de façon antiparallèle
et décalée pour former un tétramère. Ces tétramères vont s’associer en longueur et largeur pour former un
filament, puis une corde. C’est cette corde qui est le filament. Ils peuvent s’assembler, mais aussi se
désassembler.
LA DEPOLYMERISATION DES FILAMENTS INTERMEDIAIRES
La lamina nucléaire peut aussi se dépolymériser et disparaître, démembrant également l’enveloppe nucléaire.
L’assemblage des structures intermédiaires n’a pas besoin d’énergie. C’est la dépolymérisation se fait par
phosphorylation des parties globulaires des lamines aux extrémités C et N terminales et nécessite de l’énergie
provenant de l’ATP. Via cette phosphorylation, on induit une polarisation négative des globules, rendant les
lamines solubles.
La lamine B est ancrée dans l’enveloppe nucléaire interne via une ancre lipidique. La lamine B reste toujours
ancrée dans la membrane, même par dépolymérisation, et va former des vésicules.
C’est donc le désassemblage des lamines qui va nécessiter de l’énergie.
L’EMPAQUETAGE DE L’ADN DANS LES FIBRES DE CHROMATINE
REMARQUES GENERALES A PROPOS DE L’ADN
C’est une succession d’acides nucléiques, très
longue. Tout l’ADN ne porte pas d’information
codant pour des protéines. C’est une molécule
linéaire chez les cellules eucaryotes. La cellule
humaine comporte 46 chromosomes, dont deux
lots homologues. Elle est diploïde. Il y a 2x22
chromosomes homologues, appelés autosomes,
et deux chromosomes sexuels, X et Y. Ces
chromosomes ont des tailles variées, et font
entre 1,7 et 8,5cm de longueur. Une cellule
humaine a 6 milliards de paires de bases par lot
de chromosomes. En mettant bout à bout tous
les chromosomes, on atteint 2m d’ADN.
Elle doit donc être compactée pour rentrer non seulement dans une cellule, mais dans un noyau. La quantité
d’ADN n’a donc rien à voir avec la complexité d’un organisme. Ce qui compte, c’est le nombre de gènes.
A PROPOS DES GENES
Un gène est une partie d’ADN bien définie qui peut être convertie en ARN et qui porte l’information par un
acide ribonucléique qui peut être traduit en protéines. Les parties qui sont transcrites en ARN sont appelées
gènes. L’humaine comporte à peu près 30000 gènes, et chaque gène comporte en moyenne 10000 paires de
bases. L’ADN comporte donc un grand nombre de parties non codantes. En comparaison, une bactérie
comporte 500 gènes. Ces molécules doivent donc être compactées pour rentrer dans le noyau.
ETUDE DE L’ADN
C’est délicat d’étudier l’empaquetage de
l’ADN, les chercheurs ont du trouver un
moyen de lyser la cellule suffisamment
doux pour ne pas altérer l’ADN. On a donc
déposé sur une solution saturée en
saccharose le lysat cellulaire ainsi créé. On
dépose au fond du bécher un portoir pour
microscopie
électronique.
Après
centrifugation, l’ADN s’y dépose. On aspire
le surnageant, et on récupère le portoir. On
vaporise de façon oblique avec un métal,
puis du carbone pour stabiliser le tout. On
enlève le matériel biologique, et on observe
le moulage de l’échantillon.
L’ADN est présent sous forme de fibre de 30nm de diamètre, alors que la double hélice à un diamètre de 2nm.
L’ADN est donc visiblement empaqueté.
Si on lyse de façon agressive la cellule, on pourra observer une fibre plus fibre, d’un diamètre de 11nm, aussi
appelée « collier en perles », de par sa forme significative. C’est la structure fondamentale d’empaquetage de
l’ADN. Le perles en présence sont des nucléosomes.
LES NUCLEOSOMES
Si l’on désagrège encore cette fibre avec un traitement
doux de nucléases dégradant l’ADN (ADNases), on obtient
les nucléosomes de façon isolée. On augmente la
concentration en sel de la solution, on les dissocie. Ils sont
donc composés d’ADN, et de protéines. L’ADN possède
146 paires de bases par nucléosome. Les protéines sont
des histones, et elles sont toujours 8 à s’assembler pour
former un disque. C’est un octamère qui forme ce disque.
Il existe 4 classes d’histones différentes :
•
•
•
•
H2A
H2B
H3
H4
Les séquences d’acides aminés de ces histones sont très
proches. H2A+H2B et H3+H4 vont former des
hétérodimères, puis entre eux pour former des
tétramères, puis des octamères. L’ADN s’enroule autour
de cette structure. H1 n’est pas un histone
nucléosomique, mais possède une fonction particulière,
qui sera de verrouiller l’ADN autour du nucléosome.
Si H1 est présent, le nucléosome portera 166 paires de
bases. L’ADN s’entoure selon 1,65 tours. Les histones font
partie des molécules les plus conservées au cours de
l’évolution.
LES HISTONES
Ces protéines sont riches en Lysines et en Arginines,
possédant des chaînes latérales chargées positivement.
L’ADN est chargé négativement de par le groupe
phosphate. Donc, les histones sont liés à l’ADN par des
liaisons non covalentes. Les histones possèdent des parties
N-dev et C-term, et peuvent être méthylées ou acetylées,
c'est-à-dire modifiées chimiquement, pouvant neutraliser
les charges positives. Ces réactions sont réversibles et se
font après la synthèse et le repliement de ces protéines. Ce
sont des modifications post-traductionelles.
LA FIBRE DE 30NM
L’ADN de liaison (liant deux nucléosomes) peut faire de 80 à 200 paires de bases. Celui-ci est lié à des protéines
non-histones qui stabilisent l’ADN. Cette fibre va s’enrouler davantage pour former la fibre de 30nm. Pour cela,
l’histone H1 est nécessaire. En effet, les H1 vont se rapprocher et donc rapprocher les nucléosomes associés.
On trouve 6 nucléosomes par tour de spire H1. Cette fibre de 30nm est un solénoïde.
LES DOMAINES EN BOUCLE
La fibre de 30nm a ensuite être arrimée à des protéines d’armatures pour former des repliements. Mais sous
cette forme, le double brin n’est pas accessible pour la transcription. On émet donc l’hypothèse que par
endroits, cette fibre doit donc se déplier en 11nm pour permettre l’expression des gènes et la synthèse d’ARN.
On a trouvé dans les glandes salivaires de la drosophile des cellules géantes, polyploïdes, où il existe des cycles
de réplication de l’ADN sans division. Il y a donc des milliers de brins d’ADN allongés parallèlement. On peut
donc observer la décondensation de l’ADN, et sa recondensation quand la cellule n’en a plus besoin. Ces
parties sont appelées nodules chromosomiques.
Dans cette configuration, l’ADN mesure 300nm.
LES DEUX FORMES DE LA CHROMATINE
L’hétérochromatine est plus foncé, et l’euchromatine plus claire. Le premier se trouve toujours à la périphérie
du noyau. L’euchromatine plutôt au centre du nucléole. Ce sont deux formes d’empaquetage. Dans
l’hétérochromatine, l’ADN est un peu plus compact que l’euchromatine. Le rapport
euchromatine/hétérochromatine est de 90/10. Mais 10% ne peut être transcrit. L’euchromatine est donc plus
lâche et peut donc être transcrit en ARN. L’hétérochromatine peut à un moment donné peut devenir
euchromatine.
•
•
L’hétérochromatine constitutive n’est jamais transcrite (très peu)
L’hétérochromatine facultative peut devenir plus lâche et être transcrite en ARN.
SCHEMA BILAN
DE L’EUCHROMATINE A L’HETEROCHROMATINE
COMPACTAGE DIRECT
Par déacétylation, on peut restaurer les charges
portées par les histones, permettant une
interaction plus forte avec l’ADN et une
condensation plus grande. Inversement, par
acétylation, on annule les charges, les histones
interagissent moins, l’Adn est moins condensé.
Ceci est encore à ce stade un modèle.
COMPACTAGE PAR SIGNAUX ET SIR
Les structures des histones peuvent être reconnues par les protéines Sir (silent information regulation),
notamment les modifications chimiques, et peuvent se lier dessus. Ces protéines régulent si ces parties doivent
rester silencieuses ou pas. Ces protéines vont donc se lier les unes aux autres, créant l’hétérochromatine. Elles
peuvent également se détacher pour permettre la transcription d’ARN.
Un même chromosome peut avoir des informations compactées sous forme de chromatine ou
d’hétérochromatine, chaque modification étant réversible.
LE CHROMOSOME METAPHASIQUE
Quand la cellule rentre en phase de division, l’ADN va se condenser davantage, on
peut le même voir à l’œil nu. Cette forme la plus condensée est sous forme de
chromosome métaphasique. Ces chromosomes métaphasiques sont constitués de
protéines, les ribonucléoprotéines. En enlevant ce manteau protéique nonhistone, on peut voir en microscopie des microconvules.
En enlevant les protéines histones, on peut apercevoir ceci. De cette façon, on peut proposer le modèle de
regroupement suivant.
Les microconvules correspondraient aux boucles formées par le solénoïde.
On a pu montrer ainsi que l’ADN se condense davantage grâce à une phosphorylation de l’histone H1. On
trouve aussi qu’un certain type de protéines non-histone, les condensines, jouent un rôle dans la condensation
de l’ADN. Ce sont des protéines allongées avec des extrémités globulaires associées par dimères au niveau
d’une articulation. On sait qu’à ces extrémités globulaires, ils peuvent se fixer à l’ADN, et ils peuvent également
hydrolyser de l’ATP. Ils vont ainsi amener l’ADN à s’enrouler davantage.
LA FONCTION DE LA CHROMATINE
ROMATINE
•
•
C’est
’est un stockage d’information
L’information génétique se trouve compartimentée dans le noyau, et ne le quitte jamais. Elle doit
néanmoins être transmise à la cellule sous forme transcrite, qui quittera le noyau vers le cytosole.
Cette information ARNm transcrite
transcrite est traduite en protéines. Cette information doit être répliquée
avant utilisation dans la cellule.
Transmission de l’information
Celle-ci
ci va tout d’abord être transcrit en une autre molécule, l’ARN ribonucléique, c’est la
transcription.
ADN
•Transcription
ARN
•traduction
Protéine
•utilisation
utilisation
Dans le noyau, 4 grandes catégories d’ARN sont synthétisés :
•
•
•
ARNm, portant l’information pour les protéines.
protéines. Il en existe autant que de protéines.
ARNr (ribosomial), il en existe 4 de taille différente, mais on les trouve en grande quantité : 28S, 18S,
5,8S, 5S.
ARNt
RNt (transfert), il en existe quelques dizaines.
Quand ils sont matures, ils vont quitter le noyau et vont servir tous trois dans le cytosol à la synthèse
protéique.
•
ARNsn (small nuclear), ils ne quittent pas le noyau et jouent un rôle dans la maturation des trois
classes d’ARN différents.
LE TRANSPORT AU TRAVERS DE L’ENVELOPPE NUCLEAIRE
LA STRUCTURE DU COMPLEXE DU PORE NUCLEAIRE
En microscopie électronique, on peut remarquer qu’à
certains endroits, la double membrane est ouverte : c’est
le complexe du pore nucléaire. On a pu dénombrer ces
structures : il en existe 3000 à 4000 par noyau. Il ne s’agit
pas d’un simple canal, selon les observations par
micrographie par cryofracture. Une coupe à très haute
résolution permet d’observer clairement une structure
interne, mais également des structures protéiques de
chaque côté de l’enveloppe. On remarque que cette
structure possède toujours une symétrie octogonale. On a
donc établi un modèle.
Il doit donc y avoir une circulation de molécules de l’intérieur à l’extérieur du noyau. Lors de la réplication de
l’ADN, celui-ci va s’associer à des histones, qui sont synthétisées dans le cytosol, et doivent être importées dans
le noyau. La cellule doit importer 100 molécules d’histones par minutes par pore si elle est en train de
synthétiser de l’ADN. Il y a donc un flux bidirectionnel à travers de ces pores nucléaires.
On a donc injecté des molécules protéiques radioactives dans le cytosol d’une cellule et on a regardé la
diffusion de celles-ci. On remarque qu’elles arrivent facilement à se répartir dans le cytosol et le noyau. Pour
des composés de taille inférieure à 5000 Daltons, elles passent par circulation libre. Ce complexe est donc
perméable dans les deux sens à cette échelle.
Il existe deux types de passage à travers ce complexe :
•
•
Transport non sélectif de particules petites (ions, eau) à travers la périphérie du pore
Transport sélectif de protéines plus grandes que 5000Da dans le canal central
LES ECHANGES NUCLEO-CYTOPLASMIQUES
TRANSPORT SPONTANE
On a donc injecté des billes d’or sur des protéines destinées au noyau, denses, qui sont visibles au MEB. Après
10 minutes, les protéines s’approchent des pores nucléaires et sont en interaction avec les fibrilles. A 30
minutes, les protéines sont au centre du complexe, puis sont transportés après 1h dans le nucléoplaste. Ce
transport prend néanmoins du temps.
On a également réussi grâce a différentes tailles de billes d’or à mesurer le complexe : l’ouverture de l’orifice
central est de 9nm et peut se dilater jusqu’à 26nm.
TRANSPORT VIA INTERMEDIAIRE
On a comparé des protéines à localisation nucléaire, et on a pu identifier des séquences de 4 à 8 acides
aminées chargées positivement, riches en Lys et Arg et ce quelle que soit leur position dans la séquence totale.
C’est cette séquence qui va être reconnue par le port. Celle-ci sera appelée NLS (signal de localisation
nucléaire). L’intermédiaire à cette importation est une protéine hydrosoluble cytosolique, le récepteur
d’importation nucléaire. Il va amener la protéine jusqu’aux fibrilles cytosoliques des nucléoporines où il va
réagir, puis amener la protéine à travers de l’orifice central, qui peut changer de diamètre. Une fois la protéine
entrée, l’intermédiaire retourne dans le cytosol. Cette association n’a pas besoin d’énergie, contrairement à
une diffusion spontanée. De cette façon, on peut également faire ressortir des protéines du noyau.
Ce processus-ci est sélectif, car on a greffé ces billes à d’autres protéines résidant en temps normal uniquement
dans le cytosol, et celles-ci ne sont pas transportées. Ce transport demande un apport d’énergie sous forme
d’hydrolyse de GTP.
TRANSLOCATION DE L’ARN MARQUE AU TRAVERS D’UN PORE NUCLEAIRE
L’ARN en cours de synthèse va se replier en association avec des protéines. Il doit sortir du noyau. Une fois la
molécule empaquetée et le processus de maturation terminé, cette molécule va être amenée vers le complexe
de pore nucléaire. On pense que ce sont des protéines associées à l’ARN qui vont être reconnues par le pore
nucléaire pour lui permettre sa sortie du noyau. On remarque que la molécule doit se déformer pour pouvoir
passer au travers de ce complexe. Il y a là aussi un signal, c’est un transport sélectif, uniquement des ARN
matures et fonctionnels qui passent hors du noyau. Ce processus nécessite de l’énergie.
On ne sait pas aujourd’hui comment le pore arrive à coordonner ces flux moléculaires.
LE NUCLEOLE
L’ORGANISATION DU NUCLEOLE
C’est un sous-compartiment du noyau qui n’est
pas entouré d’une membrane. Il peut y en avoir
plusieurs, et sa taille peut varier. Il peut occuper
jusqu’à 23% du volume du noyau, dépendant de
la cellule.
Au niveau du nucléole se trouvent des portions
d’ADN codant pour les ARNr. C’est l’ADNr. Cette
information est contenue sur 5 chromosomes,
donc par un total de 10 chromosomes. Cet ADN
se trouve au niveau du nucléole. Le nucléole
contient donc de l’ADRr.
LA STRUCTURE DU RIBOSOME
Ces ARN font partie d’une structure que l’on trouve dans le cytosol,
le ribosome. Ils sont constitués de deux sous-unités : la 40S et la 60S.
Les ARNr s’associent à un grand nombre de protéines et forment les
sous-unités ribosomiales. Les 4 types d’ARNm s’associent :
• 28S, 5,8S, 5S et 50 protéines vont former la sous-unité 60S
• 18S et 35 protéines vont former la sous-unité 40S
• Le tout va former un ribosome. Celui-ci est constitué de
60% d’ARNr en masse.
LA FONCTION DU NUCLEOLE
Il y a synthèse de l’ARNr à partir de l’ADNr dans le nucléole. Celui-ci va s’associer à des protéines ribosomales
synthétisées dans le cytoplasme, va être hydrolysé en deux parties pour former les parties préribosomales. Le
nucléole joue donc le rôle d’usine préribosomale, les ribosomes ne pouvant être formés dans le noyau. Pour
former un ribosome, les deux sous-unités doivent se joindre sur un brin d’ARNm. Les ARNt amènent les
différents acides aminés nécessaires à la synthèse de la protéine. Le polypeptide synthétisé ressortia par un
canal de la grande sous-unité. Ils ne sont pas fonctionnels dans le noyau car les ARNt du noyau ne sont pas
chargés d’acides aminés.
LE SYSTEME ENDOMEMBRANAIRE
Il est composé du Réticulum endoplasmique lisse, réticulum endoplasmique granuleux, l’appareil de golgi, et
d’une population de différentes vésicules ayant divers rôles (transport, sécrétion, digestion intracellulaire, etc.).
Ces compartiments sont communicants grâce au trafic vésiculaire.
LA STRUCTURE DU RETICULUM ENDOPLASMIQUE LISSE ET GRANULEUX (REL ET REG)
Le REG possède une structure différente du
REL. Le REG est formé par des ribosomes et
saccules aplatis, alors que le REL est
composé de tubules branchés entre eux. Le
REG et le REL forment un seul
compartiment, qui communique. Le
réticulum endoplasmique occupe 10% du
volume total de la cellule et 50% de sa
surface membranaire. Il est lié à l’enveloppe
nucléaire, la membrane externe du noyau
étant en continuité avec celui-ci.
EXPERIENCE MARQUAGE METABOLISME ET CHASSE
La synthèse des protéines a lieu au
niveau
du
REG.
Le
réticulum
endoplasmique est entouré d’une simple
membrane. Les ribosomes du REG sont
attachés sur le feuillet cytosdique. Il y a
deux lieux de synthèse des protéines :
• Le cytosol, pour les ribosomes
libres
• Le REG pour les ribosomes
attachés.
Il existe deux types de transports :
•
•
Le transport vectoriel de protéines, amenant à la voie de biosynthèse/sécrétion
Le transport vectoriel inverse, voie d’endocytose, pour internaliser, digérer, trier et réexporter les
molécules.
LES FONCTIONS DU REG
SYNTHESE DES PROTEINES
Il sert pour la synthèse protéique. Les
protéines synthétisées à son niveau sont des
protéines membranaires et des protéines
hydrosolubles.
Les protéines hydrosolubles vont rester dans
le complexe du système endomembranaire,
ou vont être secrétées vers le milieu
extracellulaire.
Les protéines membranaires vont aller dans la membrane plasmique ou dans les membranes du système
endomembranaire.
Ces protéines ont une séquence signal du côté N-term (extrémité quittant en premier la lumière du ribosome).
La séquence est reconnue par des protéines cytosoliques, SRP, qui se lie sur la protéine au niveau de la
séquence signal, provoquant l’arrêt de la traduction.
Dans la membrane du REG, le récepteur SRP emmène ensuite toute la structure (SRP, protéine et ribosome)
vers le récepteur translocateur. Celui-ci forme un canal aqueux à travers la partie hydrophobe de la membrane.
Le fragment protéique va être mis au centre du translocateur, la protéine et la séquence plongent dans le
canal, le ribosome se fixe sur le translocateur.
Le récepteur SRP et SRP se détachent du ribosome grâce à l’hydrolyse de GTP. La traduction reprend à travers
le translocateur, c’est la translocation cotraductionelle.
Le signal-peptidase va hydrolyser la séquence signal. Une fois la traduction terminée, le polypeptide est libéré
par le ribosome. Elle passe dans la lumière du REG (protéine hydrosoluble). Cette protéine se replie dans la
lumière du REG grâce aux protéines chaperonnes. Le translocateur est de nouveau disponible.
Les protéines membranaires ont des parties hydrophobes. Leur synthèse se déroulera de la même façon que
précédemment. Seulement, la partie hydrophobe va présenter un signal d’arrêt de transfert de protéines à
travers le translocateur. La signal-peptidase hydrolyse ensuite le signal SRP, et la protéine passe dans la
membrane. Pour une protéine traversant plusieurs fois la membrane, il y a présence de signaux d’arrêt ou de
début de traduction et transfert.
TRANSLOCATION POST-TRADUCTIONNELLE
Dans le cytosol, les protéines ne se replient pas mais se
liens à d’autres protéines. Le polypeptide possède un
signal pour aller vers le translocateur. La protéine passe
à travers celui-ci sous forme dépliée. Les protéines
chaperonnes tirent les protéines et les gardent pour
aider à se replier ou non.
LA N-GLYCOSILATION DES PROTEINES
La synthèse des arbres oligo-saccharidiques commence dans le cytosol sur des lipides longs (dolichol) car les
monosaccharides sont dans le cytosol. Puis cette molécule va basculer et les arbres vont se trouver dans la
lumière du REG par effet de flip-flop grâce à l’enzyme flippase qui va catalyser la réaction. Puis les arbres vont
s’agrandir.
Enfin, ils vont être transférés sur la protéine qui vient d’être synthétisée par translocateur, grâce à
oligosaccharil transférase qui ne se trouve que dans le REG.
LE REPLIEMENT DES PROTEINES
La structure de l’arbre va être simplifiée (perte de 3 glucoses et 1 mannose) et être reconnue par des protéines
chaperonnes, induisant un repliement et une formation de ponts disulfure sur la protéine grâce à la présence
de Cys. La protéine prend donc sa structure secondaire, qui est importante pour sa fonction.
Seulement, ces ponts sont formés aléatoirement, les molécules chaperonnes vont contrôler les ponts disulfures
en détruisant les liaisons non-sens et en les refaisant aux endroits adéquats. La structure secondaire devient
donc correcte. 80% des protéines produites n’obtiendront jamais la bonne structure secondaire. Seules les
bonnes protéines sortiront du REG.
SYNTHESE DES PHOSPHOLIPIDES
Synthèse des phospholipides membranaires au niveau du
REG et du REL, sur feuillet cytosolique du RE. Elle commence
par l’association de 2 acides gras avec un glycérophosphate.
Les trois molécules proviennent du cytosol. Elles forment un
acide phosphatildique, qui est hydrophobe et qui s’insère
dans la bicouche ou dans le feuillet cytosolique->ajout du
groupement de tête.
On va donc avoir plus de molécules sur le feuillet cytosolique
que sur le feuillet de la lumière. On a donc un effet
d’équilibrage par effet de flip-flop catalysé par la scramblase,
induisant une distribution symétrique des lipides
membranaires.
Si le phospholipide est transporté vers la membrane
plasmique, on a un effet de flip-flop catalysé par la flippase,
et la bicouche lipidique redevient asymétrique. C’est le
même système pour l’agrandissement membranaire des
compartiments clos à l’exception du transport moléculaire
via des molécules.
LES FONCTIONS DU REL
DETOXIFICATION DES MOLECULES LIPOSOLUBLES
Très développé dans les cellules du foie. Les molécules liposolubles vont vers la membrane cellulaire, où le
cytochrome rend ces molécules hydrosolubles, qui passent dans la lumière du RE. Ces molécules vont être
attachées à un groupement –OH polaire puis à un acide glucuronique, puis la molécule hydrosoluble est
transférée dans la lumière du REL, puis sécrétée dans le milieu extracellulaire.
STOCKAGE DES IONS CALCIUM
Il sert de lieu de stockage du CA2+. En cas de besoin, la cellule peut se servir grâce à une pompe qui pousse le
Ca2+ à travers le canal calcique.
SYNTHESE D’HORMONES STEROÏDES
Il sert aussi de lieu de synthèse d’hormones stéroïdes.
RAPPEL
On rappelle que la traduction commence toujours dans le cytosol, sur des ribosomes, par des ARNm. Le début
de la synthèse protéique se déroule toujours dans le cytosol. Il y a deux possibilités : soit la protéine porte un
signal d’adressage au réticulum endoplasmique, soit non (elle est dans ce cas traduite dans le cytosol). Ce
signal est porté par l’extrémité N-terminal de la protéine. Ce signal va être reconnu par une protéine
cytosolique, la SRP (particule de reconnaissance du signal), qui va arrêter la traduction et amener le ribosome
au niveau du RE. La traduction va se poursuivre et se terminer au niveau du REG. Ces protéines traversent
complètement la membrane du RE, ou ne la traversent qu’à moitié pour devenir des protéines
transmembranaires. Ils vont donc devenir des composants du système endomembranaire et de la membrane
plasmique, où ils peuvent encore être sécrétés.
Une protéine synthétisée dans le cytosol peut y rester et y exercer ses fonctions, ou possède une séquence de
signal spécifique, par exemple pour une destination nucléaire, mitochondriale ou péroxysome, et va y être
transportée par la suite.
LE TRANSPORT VESICULAIRE DU RE A L’APPAREIL DE GOLGI
Le trafic vésiculaire permet une communication entre le RE et l’appareil de Golgi.
FORMATION VESICULAIRE
A partir d’un compartiment donneur, on va trouver à un moment donné la formation d’un bourgeon, et par
fusion et pincement des membranes, une vésicule va se détacher. Celle-ci va arriver à un autre compartiment
receveur, s’en approcher, la membrane de la vésicule va fusionner avec celle du compartiment receveur et va
en faire partie. La vésicule transporte une partie de la membrane ainsi qu’une partie du lumen du
compartiment. Il y a ainsi transport de protéines, membranaires et libres. Le contenu de la vésicule ainsi libéré
dans le compartiment receveur va désormais en faire partie, tout comme les protéines de membrane. Une
vésicule peut se former à partir d’un compartiment mais aussi de la membrane plasmique, on parle à ce
moment là d’endocytose. Lorsque la vésicule fusionne avec la membrane plasmique, on parle d’exocytose
(libération en milieu extracellulaire).
Mais comment se forme la vésicule ? On voit bien que la membrane se courbe afin de bourgeonner, il y a donc
un mécanisme agissant pour cela.
La membrane ne va pas se courber seule. Pour former un bourgeon,
on trouve d’abord un assemblage, une association de protéines
cytosoliques sur le feuillet cytosolique de la membrane du RE. Ces
protéines sont les sous-unités du manteau.
Elles vont s’associer entre elles pour former un « puits recouvert ».
Formation du bourgeon. De plus en plus de molécules vont s’associer
et tirer la membrane dans un bourgeon. L’assemblage de ces
protéines procure la force mécanique nécessaire à la courbure du
manteau, cet assemblage n’a pas besoin d’énergie.
Les protéines vont provoquer un pincement jusqu’à la fusion des
membranes.
La vésicule va finalement se détacher de par ce pincement du
réticulum endoplasmique. La vésicule est recouverte de protéines du
manteau.
Perte du manteau : La membrane de la vésicule doit réagir
directement avec une autre membrane receveuse, elle doit donc se
débarrasser de son manteau : celui-ci se désassemble et forme la
vésicule à surface lisse.
Selon le type de protéines formant le manteau, on distingue trois types de vésicules :
•
•
•
Clathrine
COP-I
COP-II
STRUCTURE D’UN MANTEAU DE CLATHRINE
La protéine est formée de trois chaînes légères et trois chaînes lourdes.
Elle forme ce qu’on appelle un triscélion. L’association de triscélions
n’a pas besoin d’énergie, ils forment donc spontanément une cage
autour de la membrane. C’est le désassemblage du manteau qui en
général nécessite l’hydrolyse d’ATP ou de GTP.
TRANSPORT VESICULAIRE SELECTIF
Le transport vésiculaire ici présent est non sélectif. Il existe néanmoins un transport sélectif.
Les différentes étapes sont approximativement les mêmes. Il y a présence de récepteurs dans la membrane.
Ces protéines sont transmembranaires. Elles protéines peuvent fixer des macromolécules « cargo » qui leurs
sont complémentaires. Les sous unités du manteau ne vont pas s’associer directement à la membrane, mais à
des protéines cytosoliques, les Adaptines, qui se fixent aux récepteurs. C’est le type de récepteur qui va
déterminer quelle protéine présente dans la lumière du réticulum endoplasmique va passer sous forme
vésiculaire. La formation de la vésicule se déroule ensuite de la même façon que lors de la formation non
sélective : il y a désassemblage du manteau, avec production d’une vésicule à surface lisse, les protéines du
manteau et les adaptines sont libérées ans le cytosol. On arrive de cette façon à enrichir les vésicules de
protéines d’un facteur 1000 par rapport à la lumière du RE.
Il y a un grand nombre de macromolécules à transporter : il existe un récepteur spécifique pour chacune
d’entre elles, mais il n’existe que trois protéines de manteau. L’Adaptine joue donc un rôle important
d’adaptateur. Ainsi, la clathrine peut engendrer le transport d’un millier de vésicules protéiques différentes.
LE TRAFIC VESICULAIRE ET LE MAINTIEN DE LA COMPOSITION PROTEIQUE DU RE
Certaines protéines doivent quitter le RE, d’autres doivent y rester, comme les récepteurs SRP, les
translocateurs, les protéines chaperonnes, etc. Il y a donc un transport antérograde du RE vers l’appareil de
Golgi. Chaque protéine qui est correctement repliée et assemblée peut quitter le RE par un transport
vésiculaire non sélectif. Ainsi, mêmes certaines protéines résident dans le RE vont être transportées vers le cisGolgi.
A partir de celui-ci existe un transport vésiculaire rétrograde, sélectif. Les protéines devant résider dans le RE y
seront renvoyées par des récepteurs. Ces protéines ne réagissent pas avec leurs récepteurs une fois de retour
dans le RE, car le pH du cis-Golgi est légèrement acide, ce qui n’est pas le cas dans le RE (pH neutre). Ce
processus de transport rétrograde sélectif des protéines du RE continue dans les parties suivantes du Golgi.
La protéine de retour est la protéine KDEL. Elle reconnait toutes les protéines résidentes du RE, car celles-ci
possédant toutes les séquences KDEL (Lysine, Acide Aspartique, Acide glutamique, Leucine).
L’APPAREIL DE GOLGI
En général, on n’en possède qu’un par cellule, et se trouve d’un côté du noyau, assez proche.
STRUCTURE
C’est une structure polarisée, elle possède deux faces distinctes : cis (face d’entrée vis-à-vis de RE) et trans
(face de sortie). Elle est formée de saccules golgiens. Au niveau de la face cis, on a donc fusion avec des
vésicules provenant du RE. On parle de réseau cis-golgien. A l’opposé, le bourgeonnement des vésicules forme
le réseau trans-golgien. Entre ces deux faces, les saccules sont appelées dictyosomes. On y distingue les
citernes cis, médianes ou trans. On en trouve de quatre à six. Les citernes ne sont pas interconnectées.
FONCTIONS
Dans le réseau cis-golgien intervient une modification des chaînes N-liées : oligosaccharidiques, N-glycosilation
(transfert sur une liaison NH d’une Asparagine), phosphorylation, etc.
TRANSPORT ANTEROGRADE
Dans les saccules, les vésicules bourgeonnent à la périphérie d’un saccule puis fusionnent à la périphérie du
saccule suivant. Il s’agit toujours d’un transport antérograde, via vésicules non sélectives. Les chaînes
oligosaccharidiques vont être modifiées davantage : les lipides vont être glycosylés, on parle d’une Oglycosylation car les arbres sont formés sur le groupement OH de Ser ou Thr. Ose par ose, l’arbre
oligosaccharidique va grandir.
Chaque saccule est un compartiment de composition bien définie. Il va conserver ses propriétés chimiques et
protéiques. On parle de compartimentalisation biochimique.
TRANSPORT RETROGRADE
Il y a également un
trafic
vésiculaire
rétrograde sélectif
qui va ramener les
protéines dans leur
citerne respective.
LES VOIES DU TRI PROTEIQUE
Dans le réseau transgolgien, se déroule un transport sélectif à destination définies.
On différencie ainsi trois voies de sortie :
1.
2.
3.
Voie lysosomiale qui va servir à la digestion cellulaire, les lysosomes
Exocytose (fusion avec la membrane plasmique, sert toujours à la sécrétion)
a. Sécrétion constitutive (en permanence)
b. Sécrétion régulée (elles sont tout d’abord stockées dans la cellule et excrétées en grande
quantité sous demande)
Biosynthèse-sécrétion
LA DIGESTION INTRACELLULAIRE
LE LYSOSOME
Les lysosomes se voient sous forme dé vésicules très denses car contenant une grande quantité de protéines.
Dans ces lysosomes sont enfermées les hydrolases acides, une quarantaine différentes. Ce sont des molécules
qui permettent l’hydrolyse de macromolécules. Exemple : protéase, nucléase, lipases. On y trouve également
une pompe à protons, qui fait descendre le pH jusqu’à 5, alors que celui du cytosol est de 7,4. Cette pompe à
protons nécessite un apport d’énergie sous forme d’hydrolyse d’ATP. Dans les lysosomes, au niveau du réseau
transgolgien, vont être triées les hydrolases acides (via une étiquette Mannose-6-Phosphate) et les pompes à
protons.
LES VOIES D’ENTREE AUX LYSOSOMES
On a donc crée un compartiment permettant la digestion. Il existe différentes voies d’entrée dans les
lysosomes.
LA PHAGOCYTOSE
Limitée à quelques types cellulaires. Les macrophages utilisent cette technique. La bactérie est entourée par la
membrane plasmique et enfermée dans un phagosome. C’est en quelque sorte une endocytose, appelée
phagocytose de par la taille. Le phagosome va fusionner avec les lysosomes primaires, car ils sont petits et leur
pH n’est pas encore à 5. Il va ensuite fusionner avec un lysosome secondaire (formé de lysosomes primaires),
de pH plus bas. La bactérie entière va donc être détruite, les 40 hydrolases étant capables de détruire les
macromolécules.
L’ENDOCYTOSE
C’est la formation d’une vésicule à partir de la membrane plasmique, on appelle cette vésicule endosome. Les
vésicules vont fusionner entre eux. Leur pH sera égal à celui du milieu extracellulaire, à 7,4. Les endosomes
vont fusionner avec les lysosomes primaires et secondaires pour être dégradées à pH 5.
L’AUTOPHAGIE
La cellule doit se débarrasser de ses propres organites lorsqu’ils ne sont plus fonctionnels, comme par exemple
la mitochondrie, qui a une durée de vie de 10 jours. Elle va donc entourer une partie d’elle-même, ici la
mitochondrie, par une membrane, dont l’origine n’est pas encore bien connue. Ce processus est appelé
autophagie, le structure résultante est un autophagosome. Fusion avec des lysosomes primaires puis
secondaires, qui vont dégrader la mitochondrie.
ENTREE DIRECTE DU CYTOSOL
Des structures dont la cellule n’a plus besoin vont être transportée
directement dans un lysosome secondaire pour être dégradées.
Les particules digérées peuvent quitter le lysosome et peuvent retourner dans
le cytosol pour être réutilisées. L’autophagie peut donc être un moyen de
nutrition cellulaire. Certains métabolites dont la cellule veut se débarrasser
vont être enfermées dans des vésicules par voie d’exocytose et excrétés dans
le milieu extracellulaire.
Les hydrolases acides sont appelées ainsi car leur milieu est de pH 5 et
correspond à leur pH d’action.
Les hydrolases acides sont enfermés dans un compartiment pour des raisons
de sécurité évidentes, et ne sont actifs qu’a des pH faibles.
L’EXOCYTOSE
SECRETION CONSTITUTIVE
En permanence, la cellule va amener des vésicules de l’appareil de Golgi vers la membrane. Par exocytose, elle
va donc amener des protéines et des lipides à la membrane plasmique, la cellule en croissance ou pas. La
cellule va remplacer la membrane qu’elle a perdu en endocytose par une exocytose.
Dans la membrane plasmique, on trouve des protéines, celles-ci ont une durée de vie limitée et doivent être
renouvelées, ici par ce processus d’endocytose équilibrée par l’exocytose.
SECRETION REGULEE
C’est également une exocytose effectuée par des cellules spécialisées pour cela, après stimulation externe.
VOIE D’ENDOCYTOSE
Avec la voie d’endocytose, on a un flux commençant a la membrane plasmique, se dirigeant vers les lysosomes.
LES COMPARTIMENTS CLOS
Ils ne participent pas au trafic vésiculaire.
LA MITOCHONDRIE
L’ORGANISATION GENERALE DE LA MITOCHONDRIE
Elle est souvent représentée sous forme ovale ou sphéroïde. Elle est entourée d’une double membrane,
chacune formée par une bicouche lipidique. L’espace entre la membrane externe et interne est l’espace
intermembranaire. La surface de la membrane interne est trois à cinq fois plus grande que la membrane
externe, étant repliée vers l’intérieur de la mitochondrie et formant les crêtes mitochondriales. L’espace
intermembranaire s’y prolonge. Les mitochondries ont une taille générale entre 0,5 et 2µm de long. Elle est
considérée comme centrale énergétique de la cellule. Elle ne produit néanmoins pas d’énergie, mais va la
convertir, de molécules organiques aux molécules d’ATP, l’ATP étant une forme universelle d’énergie utilisée
dans les cellules. On parle donc d’organite de conversion énergétique.
a. Cellule de foie – b. cellule musculaire – c. cellule rénale – d. cellule sécrétrice stéroidienne
Le nombre de mitochondries par cellule est variable et dépend du type de cellule et du besoin d’énergie de la
cellule. Une cellule économe n’aura besoin que de deux mitochondries, alors qu’un autre peut en posséder 200
si elle nécessite de l’ATP. Elle peut augmenter le nombre de ses mitochondries. Le lumen de la mitochondrie
est la matrice mitochondriale. On remarque également que le nombre de crêtes mitochondriales est
également variable, dépendant du besoin en énergie, l’ATP étant synthétisé sur la membrane interne.
LA PLASTICITE MITOCHONDRIALE
Les mitochondries changent sans cesse leur forme. Elles sont très mobiles et polymorphes, et peuvent
également former des réseaux, qui se trouvent généralement à la périphérie cellulaire. Il existe aussi des
phénomènes de fission et de fusion mitochondriales, rendant le réseau également polymorphe.
LABIOGENESE DE LA MITOCHONDRIE
Si une cellule a besoin d’ATP, elle va produire de nouvelles mitochondries, forcément issues d’une division de
mitochondrie déjà existante. Les néo-mitochondries vont ensuite croitre. La division des mitochondries est
totalement indépendante de la division cellulaire, leur durée de vie étant de l’ordre de 10 jours. Les
mitochondries remplacées seront digérées par autophagie.
L’EMPLACEMENT DE LA MITOCHONDRIE DANS LA CELLULE
On remarque que les mitochondries se retrouvent à proximité des microtubules du cytosquelette. Les
mitochondries sont en fait attachées à ces filaments qui jouent le rôle de rails pour leur déplacement. Elles
peuvent donc être acheminés à l’endroit précis où l’on nécessite de l’ATP.
LE GENOME MITOCHONDRIAL
Le Bromure d’éthidium (agent intercalant liposoluble) peut
facilement pénétrer les membranes cellulaires et atteindre les
lieux de stockage d’ADN pour s’y intercaler et provoquer des
mutations. La fluorescence sera rouge. On utilise ici en plus un
agent fluorescent vert qui permet de mettre en évidence la
matrice mitochondriale. L’addition des deux fluorescences
donne une couleur jaune. On retrouve de cette fluorescence
dans certains endroits sur la microscopie : il y a donc de l’ADN
dans les matrices
mitochondriales.
La structure de
l’ADN mitochondrial ressemble à l’ADN bactérien, avec une
structure circulaire. La mitochondrie contient 5 à 10 copies de
molécules identiques, attachées à la membrane interne. Cet
ADN est transcrit en ARN dans la mitochondrie, et cet ARN y est
aussi traduit. Le génome mitochondrial est petit, et code pour
deux ARNr, vingt ARNt. Sont traduites 13 protéines, mais la
mitochondrie contient plus de 500 protéines différentes, la
plupart provenant du cytosol. L’ADN mitochondrial est donc très
limité. Toute protéine encodée par l’ADN mitochondrial reste
dans la matrice mitochondriale. Les ADN polymérases ne font pas partie des 13 protéines synthétisées, la
mitochondrie est donc complètement dépendante de l’information contenue dans le noyau. On note que les
ribosomes effectuant la traduction de l’ARNm mitochondrial sont légèrement différents que ceux présents
dans la cellule, malgré qu’ils proviennent du cytosol.
IMPORTATION DES PROTEINES DANS LA MITOCHONDRIE
Certaines protéines portent une
séquence signal d’adressage pour
la mitochondrie, elles sont donc
reconnues par des protéines
cytosoliques qui vont mener la
protéine vers celle-ci. Des
chaperonnes gardent la protéine
sous forme dépliée. Arrivée au
niveau de la membrane, elle va
être transloquée à travers les
deux membranes en même
temps, c’est une translocation
post-traductionnelle, au travers
du complexe Tom au niveau de la
membrane externe, et Tim dans
la membrane interne. Ces deux
complexes doivent être alignés
pour former un canal aqueux
permettant la translocation de la
protéine non repliée. La séquence signal est finalement clivée, et des protéines chaperonnes vont permettre le
repliement de la protéine transloquée. Des petites protéines, petites molécules et ions peuvent également
traverser la membrane externe grâce à la protéine transmembranaire porine.
TRANSPORT DES LIPIDES DU RE VERS LA MITOCHONDRIE
Les mitochondries vont recevoir des lipides synthétisées
dans le réticulum endoplasmique ; celles-ci vont être
apportées une à une par des protéines d’échange présentes
dans le cytosol, en entourant les parties hydrophobes des
lipides. Des flippases vont permettre l’équilibrage des lipides
dans les deux feuillets externes de la mitochondrie. Les
lipides de la membrane interne de la mitochondrie sont
transférés de la membrane externe à la membrane interne.
On n’a pour l’instant jamais observé ces protéines, mais on
est certain que cette activité leur est due.
LA FONCTION DE LA MITOCHONDRIE
Par définition, les molécules riches en énergie sont moins stables que les molécules de CO2 et d’eau. Dans la
mitochondrie, ces molécules vont pouvoir se lier à l’oxygène pour réagir et se transformer en un état plus
stable et incidemment moins riche en énergie. Cette énergie libérée sera utilisée pour la synthèse de molécules
d’ATP.
LA REDUCTION DU NAD+
Cette oxydation a lieu dans la mitochondrie en plusieurs étapes.
•
•
•
La
dégradation
des
molécules
organiques :
elle peut avoir lieu à l’extérieur comme à l’intérieur de la cellule. Les protéines, polysaccharides et
lipides vont respectivement être dégradées en acides aminés, monosaccharides, et acides
gras+glycérol.
Ces molécules arriveront à l’intérieur de la cellule par des perméases, ou par endocytose via
lysosomes, et vont être acheminés dans le cytosol, où la dégradation des acides aminés et
monosaccharides continue jusqu’au pyruvate.
Ces molécules vont arriver dans la mitochondrie sous forme d’Acétyl-CoA (2C), ou bien être dégradés
petit à petit sous cette forme. La dégradation aura lieu dans le cadre du cycle de Krebs (avec formation
de CO2, où les atomes de carbone vont s’associer à l’oxygène), ou du cycle de l’acide citrique.
La dégradation des molécules organiques débute donc dans l’espace extracellulaire, continue dans la
mitochondrie, continue lors du cycle de Krebs ou des protons sont arrachées aux molécules pour être fixées sur
le NAD+ (Nicotinamide Adénine Dinucléotide), qui peut ainsi transporter les protons et électrons.
Les atomes d’hydrogène sont
séparés par la mitochondrie en
protons et électrons, ces derniers
étant riches en énergie. Ils seront
transférés sur des complexes
protéiques, qui, de proche en
proche,
vont
permettre
la
dissipation d’énergie. Ils vont être
transférés finalement sur l’oxygène
pour former de l’eau. Il y a
formation de CO2 et de NADH dans
la mitochondrie lors du cycle de
Krebs.
LA GENERATION DU
GRADIENT
ELECTROCHIMIQUE DE
PROTONS
Les complexes présents dans la
paroi interne mitochondriale sont des pompes à protons : ils récupèrent l’énergie perdue par le passage des
électrons pour pomper des protons de la matrice mitochondriale vers l’espace intermembranaire. On se
retrouve donc avec plus de protons à l’intérieur de l’espace intermembranaire, créant un gradient chimique,
mais aussi électrique avec un potentiel membranaire. Les protons ont tendance à entrer à nouveau dans la
matrice pour équilibrer le gradient. On note que la membrane interne mitochondriale possède un lipide, le
cardiolipide, qui la rend extrêmement imperméable aux protons. La seule voie existante pour ce passage
protonique est une protéine, l’ATP synthase.
LA PHOSPHORYLATION OXYDATIVE ET LA SYNTHESE D’ATP
Cette protéine est présente en
très grand nombre dans la
membrane
interne
mitochondriale, elle consiste en
un complexe de plusieurs
molécules
visible
en
microscopie électronique.
Il est formé de deux parties : le
rotor, inséré dans une tête fixée
à la membrane, le stator. Le
canal est placé entre les deux
parties, où les protons passent
en provoquant une rotation du
rotor. L’énergie du gradient électrochimique est convertie en énergie mécanique. Cette énergie mécanique va
être finalement convertie en énergie chimique : le mouvement du rotor va amener à un changement de
conformation spatiale de l’ADP pour permettre sa phosphorylation en ATP. Une centaine de molécules d’ATP vont être ainsi synthétisées par l’ATP-synthase par seconde. On parle de formation de la chaîne respiratoire par
les protéines de transport d’électrons et d’ATP synthase.
La membrane interne mitochondriale possède 75% de protéines.
LE PEROXYSOME
ORGANISATION
On a beaucoup de mal à faire la différence entre les vésicules
et le peroxysome, du moins en microscopie électronique.
Contrairement aux mitochondries, il est entouré d’une simple
membrane. La partie très sombre visible au centre est une
région cristalline.
On s’est aperçu grâce à des reconstitutions 3D que le
peroxysome n’est pas constitué de vésicules : il s’agit d’un
réseau développé interconnecté grâce aux canalicules. Le
peroxysome ne possède pas d’ADN, il est contrôlé par la
cellule et donc dépendant. Il ne possède pas non plus de
ribosome, il n’y a donc pas de traduction. Les protéines dont
le peroxysome a besoin sont synthétisées dans le cytosol, et
sont ensuite transloquées.
Les peroxysomes sont présents dans toutes les cellules eucaryotes. Ils sont toujours issus d’un
bourgeonnement d’une partie d’un réseau préexistant. On peut éliminer chimiquement tout ce réseau, la
cellule ne peut pas fabriquer à nouveau ce compartiment.
Il est comme la mitochondrie un lieu d’utilisation de l’oxygène moléculaire, arrivant par diffusion dans ce
compartiment.
LES FONCTIONS DU PEROXYSOME
L’oxygène moléculaire est utilisé ici pour la dégradation des molécules organiques, dont certaines exigent pour
leur dégradation de peroxyde d’hydrogène.
En fait, le peroxysome permet la production de ce peroxyde d’hydrogène. Pour cela, le peroxysome possède
donc en grande quantité deux enzymes :
•
•
les oxydases, qui utilisent l’oxygène moléculaire pour dégrader les molécules organiques
(« découpage » des acides gras)
les catalases, qui utilisent l’eau oxygénée, très réactive et donc dangereuse pour la cellule, expliquant
la nécessité d’une compartimentation. Le peroxyde d’hydrogène permet l’oxydation de façon
contrôlée des substances toxiques pour la cellule, dont elle veut se débarrasser. On retrouve ainsi, par
exemple, en grande quantité des peroxysomes dans les hépatocytes.
Les oxydases et catalases sont parfois présents en telle quantité dans les peroxysomes qu’ils cristallisent et
deviennent visibles en microscopie électronique.
LE COMPARTIMENT CYTOSOLIQUE
On rappelle que lorsqu’on parle de cytosol,
on parle du cytoplasme en soustrayant les
compartiments clos. Il contient jusqu’à 80%
d’eau mais contient des milliers de
protéines, le rendant plus ou moins
visqueux. Cette consistance peut être
contrôlée par la cellule, entre un état de gel
et de fluide. Il contient aussi en très grand
nombre, selon son état métabolique, des
ribosomes sous forme libre ou en synthèse.
LES RESERVES ENERGETIQUES
La cellule va stocker dans le cytosol les graisses et les sucres, principales formes de réserve énergétique.
Les graisses sont stockées sous forme de triglycérides (trois chaines d’acides gras et glycérol). Ces molécules
sont extrêmement hydrophobes et s’associent pour former des gouttelettes lipidiques, plus ou moins
développées selon le tissu (on parle d’adipocytes lorsque la cellule est spécialisée dans ce stockage). Ces
gouttelettes ne peuvent pas fusionner avec les membranes de par les groupements polaires de tête des
molécules membranaires.
Les sucres sont stockés sous formes de molécules oligosaccharidiques très ramifiées, d’aspect rosette. On parle
de glycogène.
LES PROTEASOMES
Ce sont des complexes multi-protéiques formant une structure cylindrique.
Ceux-ci possèdent des zones catalytiques pouvant dégrader spécifiquement des
protéines, et ce dans le cytosol. Ils possèdent néanmoins un système de sécurité
permettant de ne pas dégrader n’importe quelle protéine. Ainsi, ce protéasome
va dégrader uniquement des protéines :
•
•
•
qui ne sont pas correctement repliées,
qui ne sont plus fonctionnelles,
et celles dont la cellule n’a plus besoin.
La cellule peut donc grâce au protéasome contrôler la
quantité de protéines la constituant très rapidement. A
peu près 33% des protéines du cytosol vont se replier
correctement toutes seules, 33% vont se replier
correctement grâce aux protéines chaperonnes, et 33%
n’y arrivent jamais.
Les protéines à dégrader portent une étiquette, une
petite protéine de 76 protéines, l’ubiquitine,
permettant la reconnaissance des protéines à
dégrader. Ce sont les chaperonnes qui vont provoquer
la polyubiquitinylation des protéines mal repliées. Ces
protéines marquées vont être enfin dépliées -processus
nécessitant un apport d’énergie- pour entrer dans le
protéasome où elles vont être découpées en peptides.
LE CYTOSQUELETTE
LES TROIS TYPES DE POLYMERES FIBREUX
On visualise par phosphorescence les trois types de
filament composants le cytosquelette :
•
•
•
Les faisceaux d’actine, qui traversent de façon rectiligne la cellule,
Les microtubules, qui démarrent en général à un seul endroit de la cellule, à proximité du noyau et
vont aux extrémités de la cellule,
Les filaments intermédiaires, qui ont une grande densité et se répartissent approximativement de la
même façon que les microtubules.
Ces trois types de réseaux existent dans une même cellule, et sont interconnectés. Ils sont extrêmement
dynamiques et se réorganisent continuellement. Les trois types de filaments sont des polymères. Deux types de
ces filaments sont formés de monomères globulaires : les microfilaments d’actine et les microtubules, creux.
Les filaments intermédiaires sont composés de monomères de protéines fibreuses. Des protéines associées
vont organiser ces réseaux du cytosquelette
LES FILAMENTS INTERMEDIAIRES
LA STRUCTURE DES FILAMENTS INTERMEDIAIRES
L’ADN est repéré en rouge et les filaments en vert sur
cette microscopie à fluorescence. A la périphérie du
noyau, on remarque la présence de fluorescence jaune,
indiquant la présence de filaments dans le nucléoplasme,
c’est la lamina nucléaire. Ce sont les seuls filaments
inclus dans un compartiment cellulaire, tous les autres
étant contenus dans le cytosol. Les filaments
intermédiaires forment des câbles qui ne sont pas
polarisés, de diamètre de 8 à 12 nm. On les trouve dans
le cytosol et dans le nucléoplasme, où ils doublent
l’enveloppe
nucléaire
et
la
stabilisent.
La
dépolymérisation, due à une phosphorylation des
extrémités globulaires, nécessite un apport d’énergie.
Ces protéines fibreuses des filaments intermédiaires ont
des différences dans leurs séquences d’acides aminés en
fonction des tissus concernés. Ces différences ne sont
néanmoins pas très importantes, et les protéines vont
toujours s’associer pour faire des câbles. On parle donc
d’une famille de protéines cellulaires.
LES FONCTIONS DES FILAMENTS INTERMEDIAIRES
Les câbles formés sont assez durables
dans le temps, et peuvent se déformer
sans se rompre. Ils sont présents dans toutes les cellules
animales, et en très grande quantité dans des cellules
exposées à des contraintes mécaniques, telles les
cellules épithéliales. Les filaments sont ancrés à la
membrane plasmique, et peuvent donc contribuer à la
liaison des cellules les unes avec les autres. On les trouve
par exemple dans les kératinocytes. Ils stabilisent
incidemment la cellule. Les microtubules, par exemple,
ne peuvent pas absorber ces contraintes sans se rompre.
Des protéines liées vont organiser le réseau et vont
influencer le réseau
LES MICROFILAMENTS D’ACTINE
STRUCTURE
L’actine est une molécule très répandue ayant été très
bien conservée au cours de l’évolution. Elle représente 5
à 20% du contenu protéique cellulaire. Les filaments
d’actine sont formés par une association de monomères
selon un filament rectiligne non ramifié. Le diamètre de
celui-ci est aux alentours de 7nm.
Ces protéines globulaires possèdent un sillon où se
trouve liée une molécule d’ATP ou d’ADP. L’actine G
(globulaire) doit toujours porter une de ces molécules
ou doit être rapidement dégradée. La polymérisation du
filament n’a pas besoin d’apport d’énergie, malgré que
les monomères portent une molécule d’ATP. Les
monomères vont s’associer selon toujours la même
orientation ; le sillon aura incidemment toujours la
même direction. La structure est donc polarisée, les
deux extrémités n’étant pas équivalentes. On parle
d’extrémité + et d’extrémité -. On pourrait avoir
l’impression en microscopie que le polymère d’actine
est composé de deux filaments de par sa forme, mais
cet effet est dû à la conformation spatiale du polymère
vis-à-vis de la forme de la protéine. On note que
l’extrémité – du polymère se trouve du côté sillon.
Les filaments d’actine sont organisés en réseau par association avec d’autres protéines.
Expérimentalement, on peut purifier l’actine, et observer la polymérisation des filaments. La polymérisation en
fonction du temps est constituée de :
• Une période de nucléation, une latence, processus long où les
premiers monomères s’associent pour former des oligomères,
• une phase de polymérisation, ou ces oligomères vont s’allonger
des deux côtés pour former des filaments, processus rapide. Pendant le
processus d’élongation, il y a ajout rapide de monomères,
contrebalançant grandement avec la perte de monomères ayant lieu
simultanément. On note que la polymérisation côté + est 10 fois plus
rapide qu’au côté -.
• La concentration de monomères d’actine va par la suite baisser,
et la vitesse également. On va finalement arriver à un plateau ou la
longueur totale du filament ne changera plus, état d’équilibre où l’ajout
de monomères contrebalance exactement avec la perte. On parle de
concentration critique en monomères.
En abaissant encore la concentration du monomère, le filament d’actine
va dépolymériser, la perte de monomères étant plus importante que
l’ajout. Une fois organisés en filaments, il y a hydrolyse des molécules
d’ATP en molécules d’ADP, entraînant un déséquilibre, et une
dépolymérisation du filament. En inhibant chimiquement l’hydrolyse, les
filaments deviennent extrêmement rigides et ne peuvent plus
dépolymériser. Ainsi , on peut trouver les monomères d’actines sous
forme libre ADP.
FONCTION
On connait une centaine de protéines associées permettant d’organiser
l’actine en faisceaux, mais aussi en réseaux. Les faisceaux sont formés par
un alignement de polymères plus ou moins dense. Ces faisceaux peuvent
être contractiles, ayant donc un rôle à jouer dans la division cellulaire ou
dans les cellules musculaires. Les protéines associées peuvent également
permettre une organisation en réseau des filaments, créant des gels
lâches dans le cytosol, dont la fluidité peut être contrôlée, toujours via ces
protéines.
Une des fonctions principales des filaments d’actine
est la stabilisation de la cellule, ainsi que la
modification de la forme de la cellule.
LE MOUVEMENT DU TAPIS ROULANT
Dans la cellule, à concentration critique en
monomères d’actine, va avoir lieu une
polymérisation côté - selon la même cinétique que
la polymérisation du côté +, et ce indéfiniment.
Incidemment, en regardant les monomères de ce
filament, on pourrait avoir l’impression que le
monomère se déplace. Ce phénomène est dit « du
tapis roulant ». De ce fait, les filaments ancrés à la membrane plasmique vont permettre une modification de la
forme de la cellule, contribuant à sa mobilité. Ce processus est donc impliqué dans la mobilité cellulaire, la
contraction musculaire et la division cellulaire.
MOLECULES MOTRICES ASSOCIEES AUX FILAMENTS D’ACTINE
Les moteurs moléculaires sont des protéines associées aux microfilaments
d’actine, ils sont capables d’hydrolyser de l’ATP pour glisser le long du filament, en
sachant s’orienter dessus. On prend pour exemple de protéine moteur la Myosine
II.
Le dimère de Myosine II est formé de deux molécules de Myosine II, liés l’une à
l’autre sur leur chaîne allongée, chacune sur un filament différent. Les deux
filaments d’actine associés sont antiparallèles. Les protéines vont glisser toutes
deux vers l’extrêmité + de leur filament. Ainsi, ces dernières ne pouvant pas se
détacher l’une de l’autre,
les filaments d’actine
vont glisser l’un par
rapport à l’autre. Les
filaments d’actine étant
liés à la membrane, il y a
contraction. Les moteurs
moléculaires sont donc
importants
dans
le
processus de contraction
musculaire.
MICROTUBULES
Structurellement, ce sont des polymères tubes creux rectilignes dont
les monomères sont des protéines globulaires de deux types, la
Tubuline α et β. Le diamètre extérieur des microtubules est de 25nm,
et intérieur 15nm. Ils vont démarrer à un seul endroit de la cellule, près
du noyau, et sont présents uniquement dans le cytosol. On les retrouve
dans toutes les cellules eucaryotes. Il ne s’agit pas de familles de
protéines homologues: les microtubules sont mêmes quels que soient
les tissus qu’ils composent.
STRUCTURE
Les Tubulines α et β sont
associées pour former un
hétérodimère,
portant
une molécule de GTP ou
GDP par sous unité. Sur la
sous unité α, le GTP n’est
jamais hydrolysé, on peut donc considérer qu’il fait partie de la
protéine. La molécule de GTP portée par le β peut être hydrolysée
en GDP.
Les hétérodimères peuvent s’associer avec la même orientation,
donnant une alternance tubulines β et α, constituant un
protofilament. Treize de ces protofilaments vont s’associer pour
former un tube creux, et ce de façon latérale et avec la même
orientation. Comme l’actine, le microtubule est polarisé, et sa
polymérisation ne nécessite pas d’énergie, malgré que la tubuline β
doive porter une molécule de GTP.
ETUDE DE LA TUBULINE
Pour étudier le comportement d’une protéine, on la purifie. On sait
que la tubuline est présente en très grande quantité dans les cellules
neuronales. Pour aller récolter ces protéines, on va récupérer des
tissus frais de cerveau que l’on homogénéise. Pour séparer la
protéine des autres composés, on utilise la propriété qu’ont les
microtubules de polymériser à 37°C et dépolymériser à 4°C. On
centrifuge donc à 4°C l’homogénat, les débris cellulaires vont donc
sédimenter, le monomère se retrouvant dans le surnageant. En
l’incubant à 37°C en présence de GTP, les microtubules vont
polymériser, et une centrifugation à 37°C va permettre leur
sédimentation, alors que toutes les protéines solubles vont
surnager. Le culot va finalement contenir le polymère. En répétant ce protocole, on obtient une préparation de
tubulines assez pures.
On peut donc étudier les propriétés de cette protéine in vitro. Notamment, la mesure de la polymérisation se
fait par étude de densité optique. La vitesse de polymérisation des microtubules, étudiée de la même façon
que pour les microfilaments d’actine, est inférieure à celle des microfilaments d’actine, et le pôle + polymérise
trois fois plus rapidement que le pôle -.
INSTABILITE DYNAMIQUE DANS UNE CELLULE VIVANTE
On peut également greffer sur les tubulines un fluorophore, et observer le devenir de ces sous unités chez les
entités vivantes, via des techniques de vidéo-microscopie à fluorescence. Cette dynamique tubulaire ne
dépend pas de la concentration en tubulines libres : d’autres facteurs jouent un rôle dans cette régulation.
HYDROLYSE DE GTP ET STABILITE DU MICROTUBULE
Seuls les dimères possédant une molécule de GTP peuvent
polymériser pour former un protofilament capable de
donner naissance à un nouveau microtubule. Après la
formation de ce microtubule, le GTP va être hydrolysé en
GDP et phosphate inorganique. Les jeux de
phosphorylations/déphosphorylations vont entraîner un
changement de la conformation des protéines, induisant
une baisse des forces d’attraction entre les hétérodimères.
Le microtubule va donc se recourber et devenir plus
instable, jusqu’à finir par se dépolymériser. Pour que les
hétérodimères puissent reprendre un nouveau cycle de
polymérisation, la molécule de GDP doit être échangée
contre une molécule de GTP.
CROISSANCE D’UN MICROTUBULE
La polymérisation d’un microtubule est
toujours
plus
lente
que
sa
dépolymérisation : elle se déroule à
peu près à une vitesse de 1µm/min,
alors que la dépolymérisation se fait à
7µm/min. Le principe est le suivant :
une des extrémités d’un microtubule
va subir l’ajout d’hétérodimères
portant une molécule de GTP (on
parle de coiffe de GTP), qui est
hydrolysé avec le temps en GDP. Il y a
un temps de latence entre l’ajout et
l’hydrolyse des hétérodimères. Si la
concentration de tubulines libres diminue en dessous de la concentration critique, la vitesse d’ajout des
nouveaux hétérodimères va baisser, et le microtubule finira par perdre sa coiffe de GTP. Incidemment, le
microtubule ne sera plus stabilisé et va donc dépolymériser.
Au contraire, si la concentration en
hétérodimères
augmente,
le
microtubule en train de dépolymériser
peut être sauvé (processus du
sauvetage), la coiffe de GTP va donc
être reconstituée, le tubule va pouvoir
recroître. On précise que dans une
cellule vivante, ce processus n’est pas
contrôlé par la concentration libre en
tubulines, mais par d’autres facteurs : Il
est par exemple contrôlé par des protéines associées.
PROTEINES ASSOCIEES AUX MICROTUBULES
En effet, les microtubules sont associés à
des protéines, les MAP (microtubule
associated protein), qui sont capables d’en
organiser le réseau. Elles sont aussi
capables d’influencer, donc de contrôler,
leur vitesse de polymérisation ou de
dépolymérisation. MAP2 et tau vont
déterminer un espacement, autrement dit
organiser et stabiliser des microtubules.
Par exemple, des microtubules dans un
axone sont assez stables de par cette
association.
DEUX TYPES DE MAP MOTRICES
Chez les microtubules, on trouve également deux grandes classes de MAP moteurs moléculaires :
•
•
les kinésines, capables de se mouvoir vers l’extrémité +
les dynéines, capables de se déplacer vers l’extrémité -
Elles utilisent pour cela la réaction de l’hydrolyse d’ATP. Ces deux protéines peuvent également s’associer. Les
parties globulaires des molécules sont capables de s’associer aux vésicules ou aux grands complexes
moléculaires afin de permettre leur transport vectoriel.
En effet, une des fonctions principales des microtubules est de permettre la circulation dans le cytoplasme des
vésicules, mitochondries, etc. Ils vont également être responsables de l’emplacement et de l’organisation
spatiale des organistes intracellulaires dans l’espace cytoplasmique. Celui de l’appareil de Golgi, par exemple.
Le réseau des filaments de microtubules fait aussi contribution à la stabilité de la cellule, et est aussi
responsable de la migration des chromosomes
LES CENTRIOLES
La nucléation des microtubules
démarrent tous en un point
identique, le centrosome, ou
COMT
pour
« centre
organisateur des microtubules ».
Leur orientation est identique
pour tous : on retrouve ainsi
l’extrémité – au COMT, et
l’extrémité + en périphérie.
Dans les cellules animales, ces
centres
organisateurs
contiennent une structure nommée centriole, dont on ne connait pas encore
précisément la fonction. Les centrioles sont formés par 9 triades de
microtubules regroupés par des protéines associées. Au centrosome, on
retrouve toujours deux centrioles adoptant une configuration perpendiculaire
l’un par rapport à l’autre. L’espace entourant les centrioles est constitué par la
matrice péri-centriolaire, dans laquelle on trouve en quantité un grand nombre
de protéines nécessaires à la nucléation des microtubules. Les centrioles ne
touchent néanmoins pas les microtubules. On note que les cellules végétales
ont également un centrosome, mais pas de centrioles.
IV - LE CYCLE DE DIVISION CELLULAIRE
Chaque cellule est normalement capable de se diviser en deux cellules filles. Incidemment, chaque cellule
existante est donc issue d’une division. Cette division est appelée la mitose, et va permettre l’obtention de
deux cellules filles ayant un matériel génétique identique. On parle de phase M, pour « mitose ». Ces phases de
division sont interrompues par d’autres phases plus longues, des interphases. L’interphase est subdivisée en
trois sous-phases ; la phase G1, la phase S et la phase G2.
•
•
•
A l’interphase, pendant la phase G1, les cellules issues d’une division cellulaire vont croitre, grandir, se
différencient, en fonction de l’endroit où elles se trouvent dans l’organisme. Ces cellules filles
possèdent le même matériel génétique que la cellule mère. Le noyau contient la plus grande partie du
génome de la cellule, et ce sous forme linéaire, c'est-à-dire sous forme de chromosomes composés
d’une seule molécule : les chromosomes à une seule chromatide.
En phase S, la cellule va synthétiser de l’ADN et répliquer son génome : elle va exactement doubler la
quantité d’ADN nucléaire. En fin de phase S, les noyaux possèdent des chromosomes formés de deux
chromatides sœurs tenues ensemble par une colle protéique, la cohésine, sur toute leur longueur, et
en particulier au niveau du centromère. La cellule a dupliqué son matériel génétique, qui est
maintenant composé de deux molécules d’ADN identiques.
En phase G2, la cellule va se préparer à la division cellulaire et vérifier si tout son ADN a été. Elle ne
risque donc rien si elle venait à commencer la division cellulaire.
Le cycle cellulaire a un seul sens : la cellule ne peut jamais faire demi-tour dans le cycle, mais peut néanmoins
s’arrêter. Certains types cellulaires peuvent quitter le cycle cellulaire au niveau de la phase G1 pour entrer dans
un « état caisson » G0 : les cellules du cristallin de l’œil, par exemple, ne se divisent pratiquement plus une fois
différenciées, mais peuvent quitter cette phase G0 pour entamer de nouveau un cycle de division cellulaire.
Selon le type cellulaire, le temps de parcours du cycle cellulaire diffère. Ainsi, pour une cellule humaine
cancéreuse en culture d’un cycle de 24h, la répartition temporelle des phases se fera de la manière suivante :
•
•
•
•
phase G1 : 9h
phase S : 9h
phase G2 : 4h30
phase M : 30min
La majorité des différences de vitesse se jouent durant la phase G0. Il existe aussi des cellules se divisant
rapidement, toutes les semaines. Chez celles-ci, les différences de temps se jouent dans la phase G1. Pour
donner un dernier exemple, les cellules hépatiques, quant à elles, se diviseront une fois par an.
La phase M est subdivisée également en deux phases : la caryocinèse et la cytocinèse. Dans la caryocinèse, le
matériel génétique contenu dans le noyau va être divisé en deux lots identiques, a la fin de celle-ci, le noyau est
divisé en deux, et suit la cytocinèse, plus courte, qui consiste en la séparation des deux cellules. La caryocinèse
est sous-divisée en cinq sous phases PPMAT, visibles en microscopie photonique, les chromosomes se
condensant davantage.
LA REPLICATION DU CENTRIOLE
La préparation à la phase M débute très tôt et commence avec une duplication des centrioles au niveau du
centrosome, commençant déjà en phase G1. Pour cela, les deux centrioles vont s’éloigner légèrement l’un par
rapport à l’autre.
Pour visualiser plus précisément le
phénomène, on peut injecter de la tubuline
marquée dans des cellules G1, on pourra
ainsi voir ou celle-ci se trouvera. On
remarque donc que les deux centrioles
vont
légèrement
s’écarter,
et
perpendiculairement à ces premiers, à
partir de la phase S, l’on voit apparaitre un
nouveau centriole. Il s’agit d’une
réplication semi conservative. A la fin de la
phase G2, le centrosome contient deux
paires de centrioles. C’est à cet endroit que
naissent les microtubules.
LA PHASE M ET LA REORGANISATION DES MICROTUBULES
LA CARYOCINESE
LA PHASE G2 TARDIVE
Pendant cette phase, dans le noyau, l’ADN commence à se condenser davantage, et les chromosomes
deviennent visibles. Dans un noyau en transition au début de la prophase, les chromosomes ne sont pas encore
visibles. A partir du centrosome débutent des microtubules qui vont s’étaler à la périphérie cellulaire.
LA PROPHASE
NOYAU
L’ADN va se condenser de plus en plus, et les chromosomes vont devenir visibles. L’enveloppe nucléaire reste
intacte.
CYTOSQUELETTE
Le réseau de microtubules va se réorganiser : les asters vont migrer et vont se placer aux côtés opposés du
noyau. Le fuseau mitotique se forme, composé de microtubules et protéines associées. L’instabilité dynamique
des microtubules va changer et augmenter, leur demi-vie va diminuer.
On précise que la demi vie d’un microtubule dans une cellule en interphase est de 5/10 minutes, et va passer à
15/30s en phase M. Ainsi, la vitesse de nucléation va augmenter. Les microtubules seront donc plus nombreux,
mais plus courts. Les microtubules astraux
vont polymériser en direction de l’aster
opposé, et vont être stabilisés par des
protéines associées. Ils peuvent donc
devenir plus longs, jusqu’à se lier avec les
microtubules venant de face. On parle de
microtubules polaires. Le fuseau mitotique
est donc une structure bipolaire et contient
d’abord les microtubules astraux, puis les
microtubules polaires qui sont liées aux
microtubules venant de face.
Les microtubules polaires sont associés par
des MAP motrices de type kinésines s’étant
polymérisés (formation de dimères). Ainsi,
les microtubules étant organisés de façon
antiparallèle et les protéines motrices étant
liées de manière fixe l’une à l’autre, ces
dernières vont mécaniquement éloigner les
deux asters l’un par rapport à l’autre,
permettant leur mise en place polaire.
PROMETAPHASE
NOYAU
En prométaphase, l’enveloppe nucléaire va se désagréger en vésicules, tout comme l’appareil de Golgi et le
Réticulum Endoplasmique. On peut distinguer en microscopie optique les chromosomes, qui sont tenus par els
microtubules à un seul endroit, au niveau du centromère.
CYTOSQUELETTE
Ces microtubules sont appelés microtubules kinétochoriens. On connait le mécanisme moléculaire à l’origine
de ce processus : Si un microtubule polymérise par hasard en direction d’un chromosome, il va être stabilisé
par des protéines, et va ainsi continuer à polymériser dans sa direction jusqu’à rencontrer et glisser au long des
chromatides sœurs jusqu’au centromère, au niveau du kinétochore. Chaque chromatide sœur va former un
kinétochore, qui consiste en des plaques protéiques. Les microtubules arrivés à un kinétochore vont s’associer
avec le chromatide sœur lié.
On rappelle que le fuseau mitotique est composé de trois microtubules : astraux, polaires, et kinétochoriens. La
cellule va maintenant rentrer en métaphase.
METAPHASE
Les centromères des chromosomes se placent à l’équateur de la cellule de par le jeu de polymérisation
dépolymérisation des microtubules, les chromosomes oscillent plus ou moins sur leur position, de manière
aléatoire. On note une perte de cohésine des chromosomes à leur périphérie. Les microtubules kinétochoriens
ont de part et d’autre même longueur. On note que la dépolymérisation, à l’aster, et la polymérisation, au
kinétochore, est toujours effectuée sans que la taille des filaments ne change.
TRANSITION METAPHASE/ANAPHASE
La séparation des chromatide sœurs est conséquence d’événements moléculaires :
•
•
•
•
les kinétochores non liés émettent un signal inhibiteur de l’APC (anaphase promoting domain)
une fois les kinétochores liés, activation d’un complexe enzymatique APC, qui est un complexe
ubiquitine ligase permettant la destruction de protéines régulatrices de la mitose, en particulier de la
sécurine
L’APC activé permet l’ubiquitinylation (poly 3x) et la destruction de la protéine sécurine par les
enzymes du protéasome. Or, cette sécurine était précédemment liée à une séparase, enzyme déjà
présente en métaphase, cette liaison permettant d’inhiber l’enzyme citée. La destruction de la
sécurine permet donc l’activation de la séparase.
La séparase, devenue active, clive une sous-unité du complexe cohésine. Les chromatines se séparent
donc.
Si la répartition des chromosomes est inégale, on parle d’aneuploïdie.
ANAPHASE A
Pendant l'anaphase A, les chromatides, en réalité, se déplacent en direction du pôle sur les microtubules
kinétochoriens qui raccourcissent car ils se dépolymérisent au fur et à mesure de la progression du
kinétochore. En effet, les kinétochores permettent non seulement d'« arrimer » une chromatide au
microtubule, mais aussi de les faire transporter le long des microtubules. Au niveau des kinétochores on trouve
des « moteurs » moléculaires (de type dynéine) utilisant de l'ATP qui permettent de tracter les chromatides le
long des microtubules qui eux, restent fixes.
L’ANAPHASE B
Pendant l'anaphase B, les microtubules polaires s'allongent, et les pôles du fuseau mitotique s'éloignent l'un de
l'autre entrainant avec eux les chromatides. Les microtubules astraux se raccourcissent également, la cellule
s’allonge.
TELOPHASE
Durant cette phase,
•
•
•
•
Les chromosomes dépourvus de microtubules kinétochoriens se décondensent
Les microtubules polaires arrêtent leur élongation
L’enveloppe nucléaire se reforme autour des chromosomes individuels
Le sillon de division sépare la cellule en deux
Seule la zone de chevauchement des microtubules polaires reste après la dépolymérisation, formant la fibre
interzonale.
LA DECOMPOSITION ET LA REORGANISATION DE L’ENVELOPPE NUCLEAIRE
Les lamines A et C sont solubles une fois phosphorylées. La lamine B est toujours ancrée à la membrane interne
de l’enveloppe nucléaire. En fin de télophase, chaque chromosome est entouré par de la lamina, autrement dit
une petite enveloppe nucléaire. On parle de kariomère. Ils vont ensuite fusionner pour donner une enveloppe
nucléaire unique.
CYTOCINESE
Appelée aussi cytodiérèse, elle agit après la mitose.
Durant cette période, le sillon de division se forme
dans un plan perpendiculaire à l'axe du fuseau
mitotique et sépare la cellule en deux. Il peut en
fait commencer à se former dès l'anaphase. Le
clivage est dû à un anneau contractile qui est
composé principalement de filaments d'actine et
de myosine II. Le sillon de division se resserre
jusqu'à former un corps intermédiaire, formant un
passage étroit entre les deux cellules filles et qui
contient le reste du fuseau mitotique. Celui-ci finira
par disparaître entièrement et les deux cellules filles se sépareront complètement. La rencontre du sillon et des
fibres interzonales induit la formation d’un corps intermédiaire.
LE CONTROLE DU CYCLE CELLULAIRE
LES COMPOSANTS CLE DU SYSTEME DE CONTROLE
Le système de contrôle déclenche des processus essentiels lorsqu’il atteint des points spécifiques, dont les plus
importants sont G1/S et G2/M. Le système de contrôle est lui-même contrôlé par des mécanismes de
surveillance qui peuvent retarder le cycle ou l’arrêter au niveau de points de contrôle spécifiques.
Des expériences de fusion de cellules en différentes phases du cycle cellulaire ont été réalisées. Ainsi quel que
soit le stade de la cellule (G1, S ou G2), si elle est fusionné avec une cellule en phase M, ses chromosomes sont
aussi entraînés en phase M. Il existe donc un facteur diffusible qui contrôle l’entrée en phase M, appelé MPF
(facteur promoteur de phase M). Un noyau en G1 fusionné avec un noyau en phase S entre en phase S, il existe
donc un facteur appelé SPF mais un mécanisme bloque toute nouvelle réplication si la mitose n’a pas encore eu
lieu après duplication : un noyau en G2 est réfractaire à ce signal (exception : cellules polythènes qui répliquent
plusieurs fois l’ADN).
La cycline et les Cdk (kinases dépendant des cyclines) sont les composants clés du système de contrôle. Les
cyclines n’ont pas d’activité enzymatique et leur présence varie au cours du cycle. Les Cdk sont des protéines
kinases non activables sans la cycline.
LE POINT DE CONTROLE G2/M
Exemple : cycline B/Cdk1 qui une fois activé phosphoryle toute une série de protéines spécifiques impliquées
dans les événements mitotiques : lamine nucléaire, histones H1 et H3, condensines (condensation de l’ADN en
superenroulements), protéines associées aux microtubules (modifie le taux de nucléation), protéines associées
au filament d’actine (anneau contractile), myosine II, complexe promoteur de l’anaphase (APC) qui devient
activable mais est activé plus tard dans la métaphase.
L’ACTIVATION DE LA KINASE DEPENDANTE DE LA CYCLINE (CDK1)
L’activation de la Cdk1se fait par association avec la cycline B, grâce à des phosphorylations. Ensuite la Cdk
active transfère le phosphate aux protéines cibles, mais c’est la cycline qui est responsable de la spécificité : la
cycline choisit la cible et la Cdk transfère le phosphate.
Une fois un certain nombre de complexes cyclineB/Cdk1 actifs, la cellule rentre en mitose de façon irréversible.
Il existe des mécanismes de surveillance permettant de retarder cette activation (CKI).
La régulation se fait sur 3 niveaux :
•
•
•
activation par un cycle de synthèse/dégradation de la cycline
contrôle de l’activité enzymatique des Cdk par phosphorylation/déphosphorylation (CAK, Wee1,
Cdc25)
interaction directe avec le complexe cycline/Cdk (CKI)
Il est aussi possible d’arrêter le cycle :
•
•
Cdc25 inactive en cas de lésion de l’ADN
synthèse de protéines inhibitrices si ADN endommagé
LE ROLE DE LA PROTEINE 53
Il existe un dispositif de sécurité chez les mammifères : la protéine p53, très instable. Son taux augmente en
réponse à un dommage sur l’ADN (par stabilisation). Cette protéine active la transcription de p21 qui inhibe les
Cdk et la réplication de l’ADN, empêchant la cellule de rentrer en phase M. Les mutations du gène de p53 sont
responsables de la genèse d’un grand nombre de cancers humains.
LA SORTIE DE LA PHASE M
L’APC activé provoque la dégradation de la cycline B par ubiquitinylation et permet ainsi la sortie de la mitose.
Une phosphatase constitutive déphosphoryle en permanence les protéines (les mêmes qui ont été
phosphorylées pour entrer en mitose : lamine, histones…) mais de manière assez lente. Celle-ci prend le dessus
lorsque l’activité du complexe Cdk1/cycline B décline.
C’est le complexe cycline B/Cdk1 qui rend l’APC activable. Mais l’APC n’est activé qu’à la métaphase, quand
tous les chromosomes sont attachés au fuseau mitotique. En polyubiquitinylisant la cycline qui est alors
détruite par les protéasomes, elle permet l’inactivation des Cdk et la sortie de la mitose. En G1, l’APC est
désactivé ce qui permet à nouveau l’augmentation du nombre de cyclines B.
L’APC ubiquitinyle la sécurine, libérant la séparase qui permet le passage à l’anaphase, et plus tard ubiquitinyle
la cycline B, permettant le passage en G1 et la fin de la mitose.
LES CELLULES EN PHASE G0
La plupart des cellules d’un organisme pluricellulaire sont en
G0, elles se divisent à nouveau suite à un signal positif de la
part d’autres cellules. Ce signal est une protéine, un facteur de
croissance, qui stimule la prolifération.
Les cellules en G0 sont déplétées (=dépourvues) de cyclines et
la liaison du facteur de croissance à son récepteur provoque la
synthèse de cycline D qui formera un complexe avec la Cdk4 qui
phosphorylera la protéine Rb (rétinoblastome).
Après la phase M, une cellule normale entre en G0 (exception :
cellules sanguines qui doivent se diviser souvent). Un signal
extracellulaire les réactive (ex : foie dont le facteur de
croissance est sécrété par les cellules avoisinantes).
La protéine du rétinoblastome séquestre les protéines
régulatrices qui favorisent la prolifération cellulaire, agissant
sur des gènes cibles (en augmentant leur transcription). Ces
protéines sont inactives et le cycle cellulaire ne progresse plus :
entrée en G0.
Le complexe cycline D/Cdk4 activé phosphoryle le rétinoblastome qui devient inactif et libère les protéines
séquestrées. Celles-ci activent la prolifération de la cellule qui avance dans le cycle.
LE PASSAGE DU POINT DE CONTROLE G1/S
Au passage de M à G1, le Rb est rendu actif par déphosphorylation et la cellule entre en G0. A la fin de la phase
G1, le Rb est phosphorylé, ce qui permet à la cellule de passer le point de restriction G1/S. Le Rb reste ensuite
phosphorylé en phase S, G2 et M.
L’inactivation du Rb par le complexe cycline D/Cdk4 entraîne la synthèse de cycline E qui en s’associant à la
Cdk2 permet le passage G1/S. En cas d’anomalie, le mécanisme de surveillance p53 – p21 permet de retenir la
cellule en G1 (inhibition directe de la cycline/Cdk).
CONCLUSION
Grâce aux points de contrôle du cycle cellulaire et aux mécanismes de surveillance, les taux d’erreur dans le
déroulement du cycle cellulaire sont très bas. Des mutations de protéines intervenant dans la régulation de ce
cycle peuvent entraîner une prolifération incontrôlée (comme un cancer).
L’analyse des protéines mutées dans les tumeurs humaines montre :
•
•
une surexpression ou une hyperactivation des protéines stimulatrices de la prolifération (ex : cycline D
dans le cancer du sein)
une perte d’expression ou une inactivation de protéines qui freinent le cycle cellulaire ( ex : Rb, p53,
sécurine)
Oncogène = transforme une cellule normale en une cellule mutée
Gènes non muté = proto-oncogène
Gènes suppresseurs de tumeurs = gènes qui freinent le cycle cellulaire
Source du paragraphe sur la régulation du cycle cellulaire : Alexander Samuel, Biologie cellulaire animale