Calcul du potentiel d'équilibre pour un ion (V) Equation de Nernst V = R T ln zF C out C in Exemples de calcul, équation de Nernst : K+ Si K +out = 5 mM et K in+ = 140 mM V = ddp entre les deux faces de la membrane (Volts) z = valence (charge) de l ion F = cste de Faraday (96 500 C/mole; ou 2,3 104 cal V-1 mol-1) C out = concentration de l ion à l extérieur (out) C in = concentration de l ion à l intérieur (in) T = température en Kelvins R = cste des gaz parfaits V K = -84 mV Valeurs habituellement rencontrées : V K : -70 à -100 mV C A 20 C : V = 0,058 log out C in (valence +1) Na+ Cl− Si Na+out = 145 mM et Nain+ = 10 mM V Na = +67 mV Si Clout = 110 mM et Clin = 10 mM V Na = -60 mV Valeurs habituellement rencontrées : Valeurs habituellement rencontrées : V Na : +50 à +65 mV V Na : -50 à -65 mV Potentiel de repos d une membrane • Résulte de l'effet combiné des ≠ ions. Au final : V m = -70 mV (mesuré) V Na K + leak channel VK • Peut être estimé avec la relation de Goldman-Hodgkin-Katz Vm Canaux ioniques P : perméabilité (en m s−1) des trois ions majeurs : K +, Na+ et Cl− [ ] : concentration en moles m−3 Cellules eucaryotes : K + est la cause principale du potentiel de repos Na+ et Cl− contribuent très peu au potentiel de repos BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 1 Exocytose et endocytose : transports actifs Exocytose : sortie de macromolécules et/ou particules via des vésicules qui fusionnent avec la membrane. Ex : neurones libérant des neurotransmetteurs dans la fente synaptique. Exemple : cellules pancréatiques produisant l insuline insuline Appareil de Golgi Transport actif : production, transport et fusion nécessitent de l ATP. Phagocytose Endocytose Entrée de macromolécules et/ou de particules via des vésicules : 3 types ≠ Phagocytose Pinocytose Endocytose par action de la clathrine - Entrée de grosses particules inertes ou vivantes (ex: bactéries) - système de reconnaissance - Emission de pseudopodes - Faut ATP Pinocytose Endocytose par action de la clathrine - Pas de grands pseudopodes - Entrée de fluides extracellulaires (pas de grosses particules) - Très petites vésicules (0.1 – 0.2 μm de diamètre) - demande de l ATP - n est pas spécifique - chez tous les eucaryotes Clathrine : protéine des puits tapissés : « coated pits ». Permet l'entrée de substances spécifiques grâce à des récepteurs concentrés par la clathrine. Faut du GTP. clathrine BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 2 Les LDL : Low Density Lipoproteins Ex : import de cholestérol Sang : lipoprotéines de faible masse volumique (LDL) Liaison aux récepteurs membranaires de LDL Entrée par endocytose Hypercholestérolémie familiale : Maladie héréditaire : les récepteurs membranaires fonctionnent mal : accumulation de cholestérol dans le sang : athérosclérose 1 protéine Apo-B100 (de 4536 aa) Cortex de phospholipides et cholestérol non estérifié (monocouche) Coeur hydrophobe (ac. gras + cholestérol estérifié) 22 nm ϕ Globules lipidiques permettant le transport du cholestérol et des triglycérides dans le sang des Mammifères. Accumulation de cholestérol dans les artères : athérosclérose BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 2. Le cytosquelette (Eucaryotes) 3 Cytosquelette : réseau de fibres parcourant le cytoplasme 3 types de fibres : - Microfilaments (μF) μF : 7 nm IF : 8-12 nm μT : 25 nm - Filaments intermédiaires (IF) - Microtubules (μT) Le cytosquelette est plastique : il peut être démonté et remonté rapidement (sauf certains IF). μT Rôles du cytosquelette : - Soutien mécanique, maintient de la forme (important pour cellules animales sans paroi) μF Microtubules - Cylindres protéiques creux - Polymères de tubuline ! ( 55 kDa) et " ( Tubuline ! et " forment des protofilaments Protofilament • des organites : déplacement de vésicules sur des « rails » (neurotransmetteurs le long d axones); vesicules du RE vers Golgi • des ARNm vers certaines cibles • des chromosomes (mitose, méiose) • de la cellule (cils, flagelles, pseudopodes) 55 kDa) μF : 7 nm IF : 8-12 nm μT : 25 nm hétérodimère Tubuline ! Tubuline " - Points d ancrage pour les organites - Mobilité : FI (-) (+) 80 Å 25 nm polarité microtubule - Endocytose 200 nm - 25 µm Microtubule en coupe transversale Cils et flagelles - Appendices locomoteurs constitués de microtubules - Chez quasi tous les eucaryotes (protistes, spermatozoïdes ... ) - Rôles : déplacement cellule (protistes), créer un courant pour capturer des particules (éponges), déplacer du mucus (épithélium trachée), propulser l ovue vers l utérus (trompes de Fallope), mécanorécepteurs (cnidocils, cellules ciliées oreille interne, ...) 13 protofilaments hélice 13 dimères/tour - cils : - flagelles : 0,25 μm # 0,25 μm # 2-20 μm long 10-200 μm long Svt abondants Peu abondants Les microtubules peuvent s’allonger grâce à l’ajout de dimères à une de leurs extrémités. Ils peuvent aussi se démonter. BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 4 - Mode de battement ≠ - Longueurs ≠ axonème = partie axiale comportant 9 doublets de μT Coupes transversales dans un flagelle membrane cytoplasmique Cil Flagelle cytoplasme corpuscule basal ou cinétosome 9+2 Coupes transversales dans des cils Microscopie électronique BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 5 Kinésine Dynéine Protéine motrice utilisant l ATP pour se déplacer le long d un microtubule vers l extrémité − Protéine motrice utilisant l ATP pour se déplacer le long d un microtubule vers l extrémité + « Bras de dynéine » Remarque : les flagelles bactériens sont différents Nexine Protéine liant périodiquement les microtubules adjacents dans un axonème. Provoque la courbure du cil/flagelle. - Pas de microtubules - Pas de membrane cellulaire - Pas de corpuscule basal Corpuscule basal Structuralement identique à un centriole Composés de flagelline Chez de nombreux animaux le corpuscule basal du flagelle du spermatozoïde pénètre l ovule et devient un centriole. Microfilaments d actine (μF) μF : 7 nm IF : 8-12 nm μT : 25 nm Diamètre : 7 nm Composés d actine (protéine globulaire); deux chaînes torsadées. Toutes cellules eucaryotes - Actine globulaire (G) et actine filamenteuse (F) - Chez Eucaryotes - Actine G lie l ATP - Les filaments d actine F sont polarisés - Deux brins d actine F forment une structure en hélice (périodicité de 37 nm) - Les hélices d actine peuvent former des réseaux (ex: sous la membrane cellulaire) - Actine G (374 aa) - Actine F - Les filaments d actine ont une forme d hélice - Polarisés hélice d actine BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 6 Rôle des microfilaments d actine Les myofibrilles comportent : - Maintien de la forme cellulaire - Résistance à l étirement - Mobilité cellulaire : mouvements amiboïdes - Cyclose (mouvements cytoplasmiques) - Contraction musculaire - μF (actine) - Myosine - Autres protéines Les muscles sont composés de myocytes (= fibres musculaires) Les myocytes contiennent de nombreuses myofibrilles Et sont entourées du réticulum sarcoplasmique (SR) Axone Myofibrilles Fibre musculaire = myocyte Coupe dans un myocyte Les myofibrilles comportent de nombreux sarcomères Sarcomère = unité fondamentale d une myofibrille. Des milliers de sarcomères sont placés les uns derrière les autres. La myosine possède des « bras » avançant sur l actine. La longueur des sarcomères peut varier. Sarcomère : zone entre deux lignes Z (desmine = FI) Bande I (isotrope) : autour des lignes Z; composée essentiellement de μF d actine. Bande A (anisotrope au microscope polarisant); comporte les filaments de myosine. Comporte : - Zone H (Heller, pâle) : zone claire, centrale - Ligne M (médiane) Titine (connectine) : protéine élastique reliant ligne Z et ligne M (une seule protéine). Protéine la plus longue connue (30 000 aa; 1 μm; 363 exons). Sert de guide. BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 7 Contraction Les bandes A de myosine ne changent pas de longueur : 1,85 μm pour les muscles squelettiques de Mammifère. Raccourcissement des bandes I et H I H Filaments de myosine - Protéine des muscles (bandes A) - Composée de petits « bâtonnets » protéiques - Chaque « bâtonnet » comporte 2 sous-unités de 2000 aa enroulées en hélice (2 chaînes « lourdes » ou « Heavy chains ») • Une partie rigide (bâtonnet de 150 nm) : la « queue » • Deux « Têtes » : partie « moteur » (extr. N-terminales, sur 190 aa) De nombreux « bâtonnets » s associent pour former des filaments de myosine plus épais, comportant de multiples « têtes ». Les têtes de myosine peuvent « marcher » sur les μF d actine 2 chaînes lourdes 4 chaînes légères Filament épais de myosine à multiples têtes La « marche » consomme de l ATP sites de liaison et génère de l ADP BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 8 Tropomyosine Protéine filamenteuse recouvrant les μF d actine et qui « cache » les sites de liaison de la myosine. Lorsque [Ca2+] augmente dans le cytoplasme la tropomyosine change de conformation, les sites de liaison de la myosine sont découverts, la contraction se réalise. Lorsque [Ca2+] diminue dans le cytoplasme (Ca2+ séquestré dans le Reticulum Sarcoplasmique) la contraction se termine Tubules transverses (T-tubules) • Tubules transverses (T-tubules) Invaginations de la sarcolemme (membrane plasmique des myocytes) aboutissant aux lignes Z. Utilité : la dépolarisation nécessaire à la contraction pénètre rapidement à l intérieur de la cellule, jusqu à la zone cible : le RS Réticulum sarcoplasmique (RS) • Le RS forme une triade : Stock de Ca2+ - 2 tubules du RS - 1 tubule transverse Rem : diades pour le muscle cardiaque. myofibrille Ach Induction de la contraction Neurone moteur Neurone moteur : libère de l acétylcholine L acétylcholine se lie à son récepteur membranaire postsynaptique. Récepteur ionotrope : ouverture d un canal ionique au Na+. fente synaptique Des ions Na+ entrent dans la cellule et un potentiel d action est généré : dépolarisation transitoire, locale, et brève. Le potentiel d action voyage jusqu aux tubules transverses. Myocyte Acétylcholine = neurotransmetteur BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons La perméabilité du SR est changée : libération de Ca2+. Contraction musculaire. 9 Dépolarisation Ca2+ Potentiel d action Ca2+ Propagation dépolarisation Importance de la dystrophine : lien avec matrice extracell. Les μF d actine forment les pseudopodes des amibes : matrice extracellulaire Le plus grand gène : 2.4 Mb 79 exons Dystrophine non fonctionelle = Myopathie de Duchenne Protéine de 3500 aa Dystrophine Actine d un myofilament Filopodes et axopodes Plusieurs types de pseudopodes - Lobopodes (épais) - Filopodes (longs et fins, μF) - Réticulopodes (pseudopodes anastomosés) - Axopodes (longs et fins, μT) Filaments intermédiaires (IF) - Diamètre : 8-12 nm (faisceaux) μF : 7 nm IF : 8-12 nm μT : 25 nm - Composés de une ou plusieurs protéines de la famille des kératines : protéines fibrillaires (et non globulaires) enroulées en superhélices non polaires. - Six grandes classes. - Très stables (pas souvent dépolymérisés). - Cytoplasmiques pour la plupart (les lamines sont nucléaires) - Rôles ≠ : maintient forme, résistance à la tension, ancrage des organites, adérence intercellulaire (desmosomes). BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 10 70 gènes ≠ codent pour des IF Classifiés en 6 gands types (I à VI) Filaments intermédiaires (IF) « kératines » Type I : IF acides Type II : IF basiques Cellules épithéliales Cheveux, ongles, écailles domaines globulaires aux extrémités N et C hélice α Type III : desmine des sarcomères, vimentine (supporte membrane cytoplasmique et les organelles. Type IV : neurofilaments des axones. Type V : lamines nucléaires. Type VI : nestine des cellules nerveuses. assemblage en filaments non polaires Desmine Neurofilaments : support des dendrites et des axones Les IF participent aux jonctions intercellulaires Jonctions serrées (à l apex) Desmosomes Jonctions ouvertes BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 11 Epithélium (ex: peau, tube digestif, ...) Jonctions serrées (tight junction, zonula occludens) - Zones d adhérence entre deux cellules impérméables aux fluides. - Maintient de la polarité cellulaire : zone apicale / basale. - Uniquement chez Vertébrés (invertébrés : jonctions septées). - Composées de plusieurs rangées de protéines transmembr. qui se croisent (claudines et occludines). - Situées à l apex des cellules (près du milieu « extérieur »). Partie apicale Claudines et occludines Ex : dans les épithéliums Cellule épithéliale peau Interactions entre claudines et occludines Partie basale lame basale Maintient de la polarité cellulaire Les fluides ne peuvent passer entre les cellules et sont forcés de passer à travers les cellules Les jonctions serrées forment des rangées qui se croisent Jonctions serrées Desmosomes (jonctions d ancrage, macula adherens) - Attachement cellule-cellule (solidité mécanique des tissus) - Isolés (ne forment pas de rangées) - Des IF (kératine) ancrent les desmosomes au cytoplasme cell. 1 Extérieur (lumière tube digestif) - Espace intercellulaire large : 30 nm - Composés de cadhérine et desmoplakine cell. 2 microvillosités BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 12 IF Cadhérine Desmoplakine desmoplakine Cadhérine Jonctions ouvertes (jonctions communicantes, lacunaires) Gap junctions - Pas de IFs - Canaux reliant le cytoplasme de cellules adjacentes - Passage d ions, acides-aminés, glucides (molécules < 1000 Da) - Surtout dans le muscle cardiaque et les embryons. 6 connexines = 1 connexone Les plasmodesmes des Végétaux Canaux traversant les parois : les cytoplasmes communiquent. Chez algues et plantes terrestres. Diffusion libre : eau – solutés – protéines spécifiques – ARNm. Se forment à la mitose (cytocinèse) et peuvent contenir des parties du reticulum endoplasmique (desmotubules). Homologue des plasmodesmes BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 13 Animaux Végétaux Apoplasme : continuum extracellulaire (via parois) Symplasme : continuum intracellulaire (via plasmodesmes) 3. La paroi des bactéries 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. La membrane plasmique (Euc et Proc) Le cytosquelette (Euc) La paroi des bactéries Les mitochondries et les chloroplastes (Euc) Le réseau intracellulaire de membranes (Euc) Les constituants extracellulaires (Euc) La communication cellulaire (Euc) Desmotubules Proviennent du RE Structure générale d une cellule procaryote ribosomes éléments obligatoires [paroi] chromosome membrane cytoplasme cytoplasmique [cytosquelette] éléments facultatifs pili sexuels vésicules de gaz microcompartiment • • • • • •• • • Grande concentration en solutés dissous p. osm. élevée : 2 atm chez E. coli (pneu!). Paroi rigide pour maintient de la forme. Bactéries Gram + : paroi épaisse Bactéries Gram – : paroi mince et membrane externe (=2e bicouche) plasmide membranes fimbriae internes EPS (capsules) et/ou endospore couche S La paroi magnétosomes flagelle Sur base de la coloration de Gram. Attention : pas de signification phylogénétique! La paroi est composée d un polysaccharide appelé peptidoglycane = muréine. inclusions de réserve (PHB, volutine, glycogène) BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 14 Gram – Gram + Gram – Gram + acides teichoïques membr. externe peptidoglycanes périplasme 20-80 nm 7-8 nm membr. cytopl. périplasme : espace entre les deux membranes muréine = 10% poids sec muréine = 90% poids sec Peptidoglycane : unique aux Bacteria "-NAG "-NAM Liaisons "(1,4) clivées par lysozyme groupement N-acétyle = DAP Nature anionique des parois bactériennes ou lysine tétrapeptide Peptidoglycane = muréine Unique aux Bacteria (pas chez Archaea ni Eukarya) Signature moléculaire! Plusieurs couches de muréine chez les Gram + • Ø pores : 2 nm • Pas de diffusion possible pour les protéines de plus de 50 kDa Demchick & Koch (1996) J Bacteriol 178:769-773 • Pas de phagocytose possible BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 15 Gram – Gram G-M-G Transpep. L-Ala D-Glu DAP D-Ala L-Lys D-Ala DAP D-Ala D-Glu lien peptidique : Transpeptidase G-M-G L-Ala D-Glu Transpeptidase = penicillin binding protein + Pénicilline G = benzylpénicilline Pont interpeptidique Gly-Gly-Gly-Gly-Gly G-M-G D-Ala L-Lys Alexander Fleming (1928) Nobel en 1945. Depuis Penicillium chrysogenum (Fungi Ascomycète des sols) D-Glu 5 glycines chez Staphylococcus aureus L-Ala Pénicillines : antibiotiques (Ab) affectant les parois des bactéries L-Ala - nombre d aa - type d aa sont fct de l espèce Très toxique pour les Gram+ G-M-G DAP cycle "-lactame Les Bacteria dépourvues de paroi : résistance aux Ab Mécanisme d action des pénicillines Les transpeptidases forment les liaisons entre deux chaînes de peptidoglycanes (transpeptidation). Les pénicillines se fixent aux transpeptidases (= Penicillin Binding Protein) et les inactivent La paroi perd de sa rigidité et la production d autolysines est stimulée (digestion de la paroi) : lyse et mort cellulaire • Mycoplasma : mycoplasmes (Phyl. Firmicutes), vie dans un environnement osmotiquement protégé (tractus respiratoire, articulations, etc.). Certains ont des stérols dans paroi (rigidité). Pas de membrane externe. • Phyl. Planctomycétales (Planctomyces, Pirellula). Groupe de bactéries cosmopolite (eaux, sols). Enigmatiques. DNA parfois entouré d une double membrane! • Toute bactérie traitée au lysozyme (larmes, salive). Formation de protoplastes (non stables dans eau pure : lyse). Résistance aux Ab : Les micro-organismes résistants produisent souvent des "-lactamases (pénicillinase) Les Planctomycètes : Bactéries énigmatiques 4. Les mitochondries et les chloroplastes - Pas de paroi - Noyau! -Eau douce -Sols -Marais -Unités de traitement des eaux usées Gemmata obscuriglobus 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. La membrane plasmique (Euc et Proc) Le cytosquelette (Euc) La paroi des bactéries Les mitochondries et les chloroplastes (Euc) Le réseau intracellulaire de membranes (Euc) Les constituants extracellulaires (Euc) La communication cellulaire (Euc) Fuerst, JA (1995), The Planctomycetes: emerging models for microbial ecology, evolution and cell biology. Microbiology 141: 1493-1506. BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 16 4.1. Mitochondries 4.1. Mitochondries Organites des cellules eucaryotes Site de la respiration cellulaire aérobie « centrales énergétiques de la cellule » - Dans presque toutes les cellules eucaryotes (Plantae, Animalia, Fungi, Protozoa). - Nombre : 1 – 1000 (pfs plus). Dépend de l activité métabolique (cellules mobiles ou contractiles : bcp de mitochondries). - Taille : 1-10 μm de long. - Se déplacent, modifient leur forme (ne sont pas statiques) et se divisent par fission binaire (comme les bactéries). - Possèdent deux bicouches lipidiques : Mécanisme : hydrolyse substrats organiques réduits et récupération de l énergie : génération d ATP. Accepteur terminal des eest l oxygène. 4.2. Chloroplastes Organites des cellules eucaryotes, propres aux végétaux et algues. Site de la photosynthèse : synthèse de composés organiques à partir de CO 2 d eau et de lumière. • membrane externe lisse • membrane interne repliée et formant des crêtes - espace intermembranaire - matrice mitochondriale Mitochondrie Espace intermembranaire Membrane externe ribosomes libres de type 16S-23S Membrane interne Crêtes Matrice ADN mitochondrial Les mitochondries ont un génome indépendant Homme : - ADN circulaire (2 à 10 copies) - 16 000 pb - 37 gènes : 13 gènes pour enzymes respiration (complexes I, III, IV, V) 22 gènes de tRNA mitochondriaux 2 gènes de rRNA - D autres gènes nécessaires à son fonctionnement sont dans le noyau de la cellule (ex : enzymes du complexe II). - Protéome : 615 protéines ≠ (mitochondries du coeur). - Organisation DNA de type procaryote (circulaire, généralement sans introns, pas de copies des gènes, peu de DNA non codant, opérons). BioGen 17 - 2016 - DC Gillan - UMons 17