Cours_de_Biologie_Cellulaire_Agreg_Interne_2012
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Introduction générale Qu’est-ce qu’une cellule eucaryote ? Le premier objectif de ce chapitre est d’abord de dégager les caractéristiques d’une cellule. On considère alors deux groupes d’êtres vivants constitués de cellules : les Procaryotes et les Eucaryotes. - Les Procaryotes (bactéries…) ont une structure cellulaire : un compartiment (cytoplasme) délimité par une membrane plasmique doublée d’une paroi. Mais ils ne possèdent ni noyau ni organites délimités par des membranes. Ordre de grandeur de taille : 1µm (10-6m) - Les Eucaryotes ont aussi une structure cellulaire : un compartiment (cytoplasme) délimité par une membrane plasmique. Mais ils possèdent aussi un noyau (délimité par une double mb) contenant l’ADN, ainsi que des organites délimités par une ou deux membranes. Le cytoplasme est dit compartimenté. Ordre de grandeur de taille : 10 à 100µm. Remarque : les virus sont de taille bien inférieure (mesuré en nm, 10-9 m). Ils n’ont pas une structure cellulaire, avec une membrane. Ils sont uniquement constitués d’un assemblage de protéine (la capside) qui contient l’information génétique. Ils sont des parasites absolus et ne peuvent se reproduire (en particulier dupliquer leur ADN) que grâce à l’équipement cellulaire d’une cellule hôte, ils ne sont pas capables d’un fonctionnement autonome. Ils sont donc aux limites du vivant. Ce 1er chapitre a pour but de dégager les grandes caractéristiques des cellules eucaryotes. Les Eucaryotes peuvent être unicellulaires ou pluricellulaires. Les organismes unicellulaires ont une cellule plurifonctionnelle : elle peut réaliser les différentes fonctions d’un être vivant : reproduction, apport en nutriments, élimination des déchets… Les organismes pluricellulaires sont constitués d’un grand nombre de cellules plus spécialisées dans une fonction particulière. Nous envisagerons 2 exemples : la cellule acineuse pancréatique, spécialisée dans la sécrétion de protéines et la cellule du parenchyme palissadique, spécialisée dans la réalisation de la photosynthèse. L’objectif est d’étudier l’organisation structurale de ces cellules, c’est-à-dire comment elles sont organisées, quels sont leurs constituants. Bref répondre à la question « comment c’est fait ? ». Mais on cherchera aussi à montrer que la cellule est une unité fonctionnelle, on mettra en évidence son fonctionnement, les processus qui s’y déroulent. « Comment ça marche ? » Attention de ne pas confondre la structure et la fonction mais aussi à ne pas les séparer. On cherchera donc les liens, les relations entre structure et fonctions : en quoi la structure d’une cellule est adaptée à la fonction qu’elle réalise. PARTIE 1. LA CELLULE ACINEUSE PANCREATIQUE, UNE CELLULE ANIMALE SPECIALISEE DANS LA SECRETION PROTEIQUE Introduction : La cellule acineuse pancréatique est notre modèle de cellule animale. La particularité métabolique des cellules animales est d’être hétérotrophe. Qu’est-ce que l’hétérotrophie ? L’hétérotrophie se définit d’abord par rapport à un élément : les cellules animales sont en général hétérotrophes pour le C et pour le N. Une cellule hétérotrophe pour le C a besoin d’un apport extérieur de matière organique carbonée (chaque cellule de votre organisme reçoit des molécules organiques, des glucides par exemple, nécessaires au métabolisme énergétique). Est-ce que les cellules hétérotrophes ont des structures, ou des organites spécifiques ? La cellule acineuse pancréatique appartient au pancréas : quelle localisation et quels rôles ? Il s’agit d’une cellule spécialisée : elle produit des protéines qu’elle exporte dans l’intestin, quels sont les signes de sa spécialisation ? En quoi la structure de la CAP est-elle adaptée à sa fonction ? Mais au-delà de cette spécialisation, quels sont les caractéristiques partagées par toutes les cellules eucaryotes ? I. LA CELLULE ACINEUSE PANCREATIQUE : LOCALISATION ET ROLES A. Le pancréas, une glande sécrétrice mixte Le pancréas est situé à proximité de l’estomac, dans la première anse de l’intestin grêle, l’anse duodénale. Il pèse environ 80g chez l’Homme. Il est relié au duodénum par le canal pancréatique. Une partie de ses sécrétions passent donc dans l’intestin grêle, le canal pancréatique est très proche du canal biliaire en provenance du foie et de la vésicule biliaire. Une observation du pancréas au microscope optique montre deux types de structures. 1) Les îlots de Langherans et la fonction endocrine Ils forment des amas de cellules pleins et en général apparaissent plus clairs (mais cela dépend de la coloration). Ils correspondent à seulement 1% du volume du pancréas. Ils sont très richement irrigués, parcourus par un dense réseau de capillaires sanguins. Leur rôle est la synthèse des hormones de régulation de la glycémie. Cellules β : insuline rôle hypoglycémiant Cellules α : glucagon rôle hyperglycémiant Les hormones sont libérées dans le sang, c’est-à-dire le milieu intérieur : sécrétion endocrine. 2) Les acini pancréatiques et la fonction exocrine Constituent 99% du volume. Un acinus est un amas de cellule à peu près sphérique, mais creux au centre, c’est la lumière. En coupe, les cellules sont disposées en couronne autour de cette lumière. La lumière de l’acinus communique avec un canal, les canaux de chaque acinus convergent vers des canaux interlobulaires qui forment ensuite le canal pancréatique. Par ailleurs, les acini sont parcourus par un réseau de capillaires. Les cellules acineuses fabriquent et libèrent des protéines dans la lumière puis dans ces canaux et enfin dans l’intestin. L’intestin correspond physiologiquement au milieu extérieur : la sécrétion est exocrine. B. Les cellules acineuses du pancréas exocrine Les cellules du pancréas exocrine sont impliquées lors de la digestion, chaque acinus fabrique le suc pancréatique qui permet de digérer les aliments - Les cellules centroacineuses libèrent de l‘eau et des ions minéraux, en particulier des ions HCO3- qui ajuste le pH du suc. Un pH basique est optimal pour les activités enzymatiques. - Les cellules acineuses synthétisent et libèrent des protéines à fonction d’enzymes ou des proenzymes (précurseurs inactifs). Glucosidases : hydrolysent des glucides complexes (polymères) en plus simples, exemple amylase hydrolyse l’amidon en glucose. Protéases : hydrolysent les protéines en acides aminés, ou en peptides plus simples. Exemple trypsine, libérée sous forme de trypsinogène (précurseur), chymotrypsine libérée sous forme de chymotrypsinogène (précurseur) Nucléases : des ribonucléases dégradent l’ARN, des désoxyribonucléases dégradent l’ADN. … Toutes les enzymes sont de nature protéique, la cellule acineuse pancréatique est donc le siège d’une importance synthèse protéique suivie d’une sécrétion de ces protéines, le plus souvent sous forme inactive. II. LA CELLULE ACINEUSE PANCREATIQUE, UNE STRUCTURE POLARISEE A. Observation d’une cellule acineuse pancréatique Encadré technique Le microscope optique se révèle limité en grossissement pour l’observation de la structure fine de la cellule (0,2µm). Si on veut détailler l’ultrastructure, il faut utiliser un microscope électronique (0,2nm). La taille de la cellule est d’environ 10µm de longueur. Préparation de l’échantillon : fixation chimique de l’échantillon Après déshydratation l’échantillon est pris dans un bloc de résine On réalise des coupes ultrafines grâce à un microtome (lame) 50 à 100nm Puis on le place dans le microscope, une enceinte où le vide a été réalisé, et on fait passer un faisceau d’électrons qui seront plus ou moins arrêtés par les constituants cellulaires. Après passage dans l’échantillon, le faisceau est récolté sur une zone de mesure : image en 2D de zones ayant plus ou moins laissé passer le faisceau, MET. MEB : même principe mais l’échantillon est recouvert par une fine couche de métal (platine par exemple), puis on mesure le faisceau d’électrons réfléchi par l’échantillon : fait apparaître le relief de l’échantillon. . Microscope optique Microscope électronique à transmisison Techniques d’étude de la cellule: observations eu microscope optique et au microscope électronique à transmission Le microscope optique se révèle limité en grossissement pour l’observation de la structure fine de la cellule (0,2µm). Si on veut détailler l’ultrastructure, il faut utiliser un microscope électronique (qui permet de distinguer des objets jusqu’à environ 0,2nm). La taille de la cellule est d’environ 10µm de longueur. Préparation de l’échantillon : - fixation chimique de l’échantillon - Après déshydratation, l’échantillon est pris dans un bloc de résine - On réalise des coupes ultrafines grâce à un microtome (lame) 50 à 100nm - Puis on le place dans le microscope, une enceinte où le vide a été réalisé, et on fait passer un faisceau d’électrons qui seront plus ou moins arrêtés par les constituants cellulaires. Après passage dans l’échantillon, le faisceau est récolté sur une zone de mesure : image en 2D de zones ayant plus ou moins laissé passer le faisceau, MET. Un objet (organite…) dit dense aux électrons, a peu laissé passer le faisceau, il apparaît plus sombre. A l’inverse, un objet peu dense aux électrons, laisse passer le faisceau et apparaît clair. MEB : le principe est le même mais l’échantillon est recouvert par une fine couche de métal (platine par exemple), puis on mesure le faisceau d’électrons réfléchi par l’échantillon : fait apparaître le relief de l’échantillon. Résultat : On remarque la forme pyramidale de la cellule : avec un pôle apical côté lumière et un pôle basal côté capillaire. Au pôle basal, la cellule repose sur une lame basale. Une lame basale est une matrice extracellulaire particulière (on verra la structure moléculaire des matrices dans un chapitre particulier, mais une matrice extracellulaire remplit l’espace entre les cellules et se compose de polymères glucidiques et de protéines). La lame basale est produite par les cellules acineuses. Elle permet : - l’ancrage de la cellule et la cohésion du tissu - de filtrer les molécules : elle laisse passer les acides aminés en provenance du sang par exemple - la communication entre cellules La membrane plasmique délimite la cellule, elle est constituée de lipides disposés en bicouche et de protéines, et a une épaisseur d’environ 7,5nm. Du côté basal, elle est donc ancrée dans la lame basale, grâce à un complexe moléculaire : les hémidesmosomes. Les molécules échangées avec le sang, comme les acides aminés, traversent la membrane plasmique basale. Elle possède aussi les récepteurs aux hormones qui contrôlent l’activité de la cellule. Du côté apical, on peut observer de nombreux replis : c’est la zone où se vident les vésicules emplies de protéines (c’est l’exocytose). Sur les côtés de la cellule, c’est la zone de contact avec les cellules voisines : la membrane assure la cohésion entre cellule grâce à des jonctions intercellulaires. - Les jonctions serrées (plutôt du côté apical) empêchent le passage des molécules entre les cellules. - Les jonctions adhérentes, les desmosomes assurent la cohésion entre les deux cellules adjacentes. - Les jonctions communicantes (jonctions gap) laissent passer des ions ou des petites molécules entre les cellules. La structure moléculaire de ces jonctions sera étudiée en détail dans un chapitre ultérieur. B. Le cytoplasme, une vue d’ensemble Le cytoplasme est le compartiment délimité par la membrane plasmique, on distingue : - le cytosol (ou hyaloplasme) : eau, ions et autres molécules dissoutes enzymes, oses... ou encore des structures de plus grande taille comme les ribosomes. Il s’agit donc d’une solution aqueuse concentrée (texture de gel), qui occupe environ 50% du volume. - Les organites sont des entités délimitées par une ou deux membranes. La cellule eucaryote est dite compartimentée : il existe un réseau de membranes internes qui délimitent des compartiments isolés, que sont les organites. De plus, les organites sont des unités spécialisées dans des tâches particulières : il y a une division du travail au sein de la cellule. 1) Un noyau basal et volumineux, contient le matériel génétique Le noyau est délimité par une enveloppe nucléaire : 2 couches de membrane percée de pores nucléaires. Le compartiment entre les 2 mb est l’espace périnucléaire, qui est en continuité avec le RE. Le compartiment nucléaire contient l’ADN. Le noyau est en position basale et il est volumineux. Un rapport N/C élevé est signe d’une intense activité de synthèse protéique. L’ADN est sous forme de chromatine (par opposition aux chromosomes condensés lors de la mitose). La chromatine correspond à des molécules d’ADN plus ou moins condensées. Au MET, on distingue plusieurs zones plus ou moins dense aux électrons. Chromatine dense (hétérochromatine) : ADN condensé, chromatine peu dense (euchromatine) : ADN moins condensé, séquences exprimées. Le nucléole est un mélange de chromatine et d’ARN, c’est la zone de fabrication des ribosomes. L’enveloppe nucléaire est en continuité avec le REG (reticulum endoplasmique granuleux). Elle est percée de pores nucléaires, qui ne sont pas de simples orifices. Ils contiennent une 50aine de protéines formant un complexe en anneau. Elles délimitent un canal au diamètre variable entre 9 et 26 nm. Les pores nucléaires laissent passer les molécules (jusqu’à une taille limite) mais les protéines exercent une sorte de contrôle. Un transfert bidirectionnel de molécule entre l’espace nucléaire et le cytosol existe. En effet, des protéines comme les histones, les ADN polymérases, les ARN polymérases… participent à des processus dans le noyau et sont synthétisées dans le cytosol. Inversement, les ARN (ARNr, ARNm…) sont exportés du noyau au cytosol. La face interne de l’enveloppe est couverte par la lamina : un réseau de filaments protéiques (lamines A, B et C). Les lamines appartiennent à la famille des filaments intermédiaires (cf cytosquelette). Les lamines donne forme et rigidité au noyau. La cellule acineuse pancréatique est intégrée dans un tissu de type épithélial: les cellules sont liées entre elles par des jonctions intercellulaires et les cellules sont ancrées dans la lame basale. Attention, la cell. acineuse panc. ne comporte pas de telles microvillosités Le cytoplasme Le NOYAU Le noyau : vue d’ensemble Micrographie (MET) de l’enveloppe nucléaire (B) et schéma général d’interprétation (A) Un pore nucléaire « vue de profil » 1) Le réticulum endoplasmique granuleux Il est aussi en position baso-latérale, autour du noyau. Il occupe aussi un volume important, caractère de cellules avec un synthèse intense de protéines. Il est constitué de cavités aplaties délimitées par une simple membrane. Il forme un réseau de cavités dont les lumières communiquent entre elles et avec le noyau. Il est qualifié de rugueux car de nombreux ribosomes sont fixés sur la membrane. Il est le siège de la traduction, la synthèse de certaines protéines. Les protéines transmembranaires et sécrétées sont traduites au niveau du reticulum. De telles protéines portent une séquence signal qui permet la fixation du ribosome à la mb du REG. Les protéines en synthèse sont transférées dans la lumière du REG. Le REL sans ribosome est impliqué dans la synthèse des dérivés lipidiques (peu présent dans ces cellules) 2) Appareil de Golgi et vésicules, vers le pôle apical Il est situé plutôt dans la partie apicale de la cellule, par rapport au REG. Il est constitué de plusieurs dictyosomes eux-mêmes constitués de saccules, délimités par une seule mb. Les saccules peuvent bourgeonner et former des vésicules. Un dictyosome est polarisé : Face CIS reçoit les vésicules issues du REG Face TRANS extraction de vésicules vers le pôle apical. Les vésicules sont de petits organites sphériques, limités par une mb simple. Elles sont éventuellement entourées par une cage protéique. Vésicules de transition entre Golgi et REG Vésicules de condensation issues du Golgi, contenu peu concentré mais en voie de l’être. Vésicules de sécrétion, contenu très concentré (proenzymes) et prêtes à être libérées au pôle apical par le processus d’exocytose. On les appelle aussi grain de zymogène (i.e. précurseurs d’enzymes) Définition : La sécrétion est une action conduisant une cellule à envoyer dans le milieu extracellulaire une substance (hormone, neurotransmetteur, glycoprotéines). Le processus de sécrétion implique la fusion de vésicules (contenant la substance à sécréter) avec la membrane plasmique de la cellule, libérant ainsi le contenu de la vésicule à l'extérieur de la cellule. Les lysosomes, au pôle apical essentiellement Les lysosomes sont de petits organites sphériques (0.2 à 0.5µm de diamètre), délimités par une simple mb. Ils sont spécifiques des cellules animales. Ils contiennent de nombreuses enzymes hydrolytiques (environ 40 différentes : lipase, nucléase, protéases….). A ne pas confondre avec celles qui sont sécrétées. Le pH est acide, environ 5 alors que le cytosol est à 7.2. Ce pH acide est optimal pour l’activité des enzymes. Il est entretenu par une pompe à protons. Les lysosomes sont responsables de digestion intracellulaire : les hydrolases acides dégradent des molécules, par exemple les protéines mal repliées peuvent être détruites… Les lysosomes illustrent bien une des conséquences de la compartimentation cellulaire : les conditions physicochimiques sont différentes selon les compartiments, par exemple ici, le pH. Le pH est acide dans le lysosome ce qui augmente l’activité enzymatique : conditions optimales. Mais le cytosol reste à 7.2, pH favorable à l’ensemble des autres constituants cellulaires. Ceci est rendu possible par l’imperméabilité des mb aux ions : il faut une pompe à protons pour les accumuler et ils ne retournent pas spontanément dans le cytosol. Cytosol pH 7.2 pH 5 hydrolases acides : protéases, nucléases… 0.2/ 0.5µm membrane H+ ATP ADP + Pi 3) Les mitochondries, siège de la respiration cellulaire Les mitochondries sont abondantes : signe d’une importante activité métabolique car les mitochondries sont le lieu de la synthèse d’ATP (=Adénosine Triphosphate) qui est la forme d’énergie chimique utilisée par les cellules. La synthèse d’ATP repose sur la respiration cellulaire (à placer sur le schéma simplifié de mitochondrie) : c’est la dégradation d’une molécule organique carbonée (en l’occurrence, il faut une entrée de pyruvate), qui permet la conversion de l’énergie en ATP, ces réactions nécessitent de l’O2 et rejettent du CO2. Comme la cellule est dépendante d’une source extérieure de carbone, on dit qu’elle est hétérotrophe. Leur répartition est aléatoire dans l’ensemble de la cellule. Elles ont une forme cylindrique de 0.5 à 1m, (taille d’une bactérie). Les mitochondries sont délimitées par une double membrane, ce qui donne 2 compartiments : matrice et espace inter membranaire. Membrane externe : bicouche lipidique (40%) + protéines (60%). Une protéine remarquable, la porine, forme des canaux aqueux. Ce canal n’est pas sélectif, il laisse passer toutes les molécules de masse moléculaire inférieure à 5000 daltons (1dalton=masse d’un atome d’H). La mb externe est donc très perméable. Membrane interne : structure de base identique (20% lipides + 80% protéines), mais pas de porine, elle est beaucoup plus imperméable. Elle contient même un lipide (cardiolipine) qui la rend encore plus imperméable aux ions. Elles possèdent des complexes protéiques, impliqués dans la chaîne respiratoire. Elle forme des replis (ou des crêtes) : ce qui augmente sa surface. Plus la cellule est active plus les crêtes sont développées. Les crêtes ont un aspect rugueux du à la présence d’une protéine particulière : l’ATP synthase, qui catalyse la synthèse de l’ATP. Deux parties F0/F1, chacune constituées de plusieurs chaînes peptidiques (sous-unités) En conséquence de ces propriétés, l’espace intermb est à peu près équivalent au cytosol. Par contre, la matrice a une composition tout à fait particulière : - une molécule d’ADN mitochondrial (organite semi-autonome) circulaire proche en structure des chromosomes bactériens - enzymes de la respiration cellulaire - diverses molécules, intermédiaires des réactions de la respiration cellulaire. Les molécules réagissant entre elles dans la respiration cellulaires se trouvent ainsi concentrées dans un faible volume (beaucoup plus petit que le volume global de la cellule) : augmentation de la probabilité de rencontre et donc de la vitesse des réactions. Intérêt de la compartimentation. Les mitochondries sont capables de se diviser, elles sont transmises aléatoirement lors d’une division cellulaire. Remarque : les mitochondries partagent de nombreux points communs avec les bactéries (porine, cardiolipine, taille, présence, organisation de l’ADN…) d’où l’origine probable par endosymbiose. La mitochondrie : micrographie interprétation ATP synthase Mb interne C. Le cytosquelette et la forme de la cellule Le cytosquelette est un ensemble de protéines, situées dans le cytoplasme. Elles sont communes à toutes les cellules eucaryotes. C’est le squelette de la cellule : - il donne la forme à la cellule (et éventuellement lui permet des changements de forme) - il donne une certaine rigidité à la cellule - Il permet le mouvement des cellules elles-mêmes ou des organites à l’intérieur de la cellule. Ou encore par exemple, le mouvement des chromosomes lors de la mitose. On distingue trois catégories de protéines : 1) Les microtubules L’unité peptidique de base est la tubuline : 2 types de sous unités α et β. Chacun des peptides élémentaires β est lié à une molécule de GTP. Un protofilament est une chaîne de tubulines. Les tubulines sont associées par liaisons faibles (et pas par liaisons covalentes). Un microtubule est un cylindre constitué de 13 protofilaments, diamètre 25nm. Un microtubule est polarisé : extrémité (+), polymérise plus vite et extrémité (-). Un microtubule est assez rigide, peu déformable. Il existe un centre organisateur, situé près du noyau : le centrosome, 2 centrioles (assemblage protéique) entourés par une matrice de protéines. On y trouve des sites de nucléation des microtubules : zone d’élongation préférentielle des microtubules (extrémité -). Les microtubules rayonnent « en aster » Les microtubules peuvent être impliqués dans les mouvements des organites ou des cellules : Les microtubules interagissent avec des protéines motrices : elles se déplacent le long des microtubules en utilisant l’énergie libérée par l’hydrolyse de l’ATP. La kinésine se déplace du – vers +, elle permet le mouvement d’organites, des chromosomes lors de la mitose. La dynéine se déplace du + vers -, elle participe au mouvement d’organites. Ici exemple, mouvement d’une vésicule entre REG (+) et appareil de Golgi (-). La dynéine s’accroche à la mb de la vésicule d’un côté, cet attachement est réalisé par un large complexe (nom des protéines on s’en fout). De l’autre côté elle interagit directement sur le microtubule. Mouvement des cellules par le biais des cils et flagelles Les microtubules contrôlent donc la place des organites, permettent les mouvements intracellulaires (des chromosomes, des organites) ou de la cellule entière (spermatozoïde et son flagelle) 2) Les filaments d’actine L’unité de base est l’actine globulaire, qui est associé avec un ATP ou un ADP. Un protofilament est une chaîne d’actines reliées par liaisons faibles. 2 protofilaments s’enroulent en hélice de diamètre 5 à 9nm. Les filaments d’actine sont aussi polarisées : extrémités + et -. Les filaments d’actine sont plus flexibles que les microtubules. Ils sont surtout situés sous la membrane plasmique et forment une réseau : le cortex cellulaire. Le cortex imprime sa forme à la cellule, par exemple lorsqu’une cellule possède des microvillosités, ceux-ci sont soutenus et structurés par les filaments d’actine. Ils participent aussi à la rigidité des cellules et à la cohésion entre cellules en étant liés à certaines jonctions (adhérentes). Les filaments d’actine interagissent aussi avec des protéines motrices de la famille des myosines (qui par changement de conformation peuvent se déplacer sur le filament grâce à l’hydrolyse de l’ATP) : cytodiérèse lors de la mitose, contraction des cellules musculaires. Polymérisation des microtubules et de l’actine. Les sous unités ne sont pas liés par liaisons covalentes mais par liaison faibles : l’énergie nécessaire à leur formation est moindre. On a vu que les monomères sont associés à un ATP (actine) ou un GTP (tubuline). L’hydrolyse de ces composés libère de l’énergie. La fixation d’un nouveau monomère est en général suivie de l’hydrolyse du GTP ou de l’ATP. Pourtant, l’énergie libérée par l’hydrolyse de l’ATP ou du GTP n’est pas nécessaire, mais elle peut favoriser. L’association par liaison faible permet un équilibre dynamique : les filaments sont en permanence en polymérisation - dépolymérisation. L’extrémité + s’allonge plus rapidement. C’est en fait la forme des monomères qui impose cette dissymétrie. Le cytosquelette : Filament d’actine B) Filament C) Micrographie (MET) Microtubule A) sous unité de tubuline B) protofilament C) filament D)Micrographie (MET) Filaments intermédiaires Le cytosquelette : mouvements de organites, mouvements de cellules Exemple du rôle des microtubules Ancrage et déplacement d’une vésicule de l’extrémité (+) vers (-) via la dynéine Déformation des microtubules par interaction avec la dynéine, permettant le mouvement d’un cil ou d’un flagelle Structure d’un cil ou d’un flagelle (Coupe transversale) Structure d’un centriole (Coupe transversale) Le cytosquelette : forme des cellules Exemple du rôle de l’actine dans les microvillosités. Attention, cet exemple n’est pas pris chez une cellule acineuse pancréatique (qui n’a pas de microvillosités), mais chez un entérocyte (A) schéma d’interprétation. Micrographies (B) MEB (C) MET 3) Les filaments intermédiaires (car leur diamètre est intermédiaire environ 10nm) Il s’agit d’une famille de protéines plus hétérogène, qui comprend les lamines (lamina nucléaire), la kératine (formant les poils, les ongles…). Mais toujours des protéines assemblées. Principe de l’assemblage : 2 monomères (= 2 protéines = 2 lamines ou = 2 kératines) filamenteux s’enroulent en dimère. Puis 2 dimères s’associent en tétramère etc… Ce qui forme un filament de 16 filaments. Il n’y a pas de polarité pour les filaments intermédiaires. L’assemblage se fait aussi par liaisons faibles. Mais il n’y a pas de polarité comme dans les 2 autres familles. Cet assemblage ressemble à celui des filaments d’un câble, on parle de structure caténaire. Une telle structure caténaire confère une grande résistance mécanique à la molécule, essentiellement à la traction. Ainsi, les filaments intermédiaires participent à la rigidité et à la forme de la cellule. Ou du noyau, puisque la lamina, donne la forme à l’enveloppe nucléaire. III. LA CELLULE ACINEUSE PANCREATIQUE, UN FONCTIONNEMENT ORIENTE A. Etude expérimentale : méthode du pulse-chase Expérience historique de Palade (70) Le principe est de suivre une molécule à l’intérieur de la cellule, on réalise un marquage de la molécule par radioactivité. Dans l’expérience de Palade, on cherche à suivre la synthèse des protéines. On utilise un acide aminé contenant du tritium, la leucine tritiée. Le tritium est un isotope radioactif de l’hydrogène. L’expérience comprend une période de marquage (phase de pulse) : pendant un temps bref (quelques minutes), les cellules sont incubées en présence de l’acide aminée marqué. Puis les cellules sont transférées sur un milieu normal, ne contenant aucun acide aminé marqué, c’est la phase de chase. Pour la phase de pulse, le marquage peut être réalisé : - in vivo, on injecte à un rat une solution contenant de la leucine tritiée, puis on réalise des biopsies de pancréas à intervalles réguliers - in vitro, des tranches de pancréas, fraîchement prélevées, sont mises en présence d’une solution contenant de la leucine tritiée, puis elles sont lavées et replaçant dans des conditions favorables normales. On réalise alors des coupes fines à intervalles réguliers. Puis il faut localiser la radioactivité afin de suivre le devenir de l’acide aminé marqué : - par autoradiographie, la coupe est recouverte d’un film photographique et laissée à l’obscurité. Les acides aminés radioactifs émettent des électrons qui font précipiter les sels d’argent (Ag+). Au développement du film, la présence de radioactivité est marquée par des grains noirs d’argent. Résultats : pulse 3’, chase 0’ figA : REG, 20’ figB : Golgi, 60’ figC : vésicules de sécrétion, après 4h, la radioactivité est retrouvée dans la lumière de l’acinus. Interprétation : jamais dans le noyau, lieu de synthèse : REG, chemin de la sécrétion. Problèmes : manque de précision, la taille des grains d’argent n’est pas négligeable par rapport à celle des organites (dans le REG ou dehors ?), les e- sont aussi émis à distance : la précipitation peut se faire dans un rayon autour de la source. - par fractionnement cellulaire, il s’agit de séparer les différents compartiments cellulaires selon leur densité. On utilise la centrifugation (tube sur un support en rotation…) mais aussi l’ultracentrifugation où la rotation est plus rapide (>100000g). Dans les deux cas, les fractions les plus denses se retrouvent au fond du tube. A partir d’extraits cellulaires, on applique un choc osmotique ou des ultrasons de niveau contrôlé, ce qui entraîne la rupture de la mb plasmique mais pas des organites. Extrait cellulaire Faible vitesse 1000g 10’ Surnageant 1 Culot1 : Organite grande taille : noyau + cytosquelette + cellules non broyées Surnageant 1 Vitesse 2000g 20’ Surnageant 2 Surnageant 3 Surnageant 4 Culot 2 : Mitochondries + lysosomes + péroxysomes vitesse 80000g 1h Culot 3 : Vésicules, microsomes de RE, Golgi Surnageant 4 vitesse 150000g 3h Surnageant 5 Culot4 : ribosomes, grosses macromlécules Culot 3 : pour séparer REG, REL, Golgi, on fait une centrifugation sur gradient de saccharose. Un tube est rempli avec une solution de saccharose plus concentrée au fond du tube qu’en haut (faire le schéma). Lors de la centrifugation, les fractions s’arrêteront là où elles ont atteint la densité de saccharose égale à la leur. Les trois types de microsomes sont ainsi séparés. Ainsi lors de la phase de chase, on prélève un échantillon de cellules, on réalise le fractionnement puis on mesure la radioactivite (permet une quantification) Résultats Interprétation : les acides aminés ne s’accumulent pas dans le noyau : la synthèse des protéines n’y a pas lieu. On les retrouve d’abord dans le REG : lieu probable de la synthèse des protéines. Puis elles se trouvent dans le Golgi : hypothèse de la maturation puis dans les vésicules, les protéines sont en attente de la sécrétion. B. La voie de synthèse et de maturation des protéines 1) Capture des acides aminés et synthèse des protéines dans le REG L’approvisionnement en aa se fait à partir des capillaires sanguins : les aa diffusent à travers la paroi des capillaires puis la lame basale et enfin traversent la mb plasmique basale. Des protéines de transport dans la mb plasmique permettent la traversée des aa. Donc l’entrée se fait par le pôle basal. Les aa ne rentrent pas dans le noyau : il existe une molécule entre l’ADN et les protéines, l’ARNm est synthétisé dans le noyau à partir de l’ADN puis exporté dans le cytosol. Tout comme les autres catégories d’ARN (ARNt, ARNr) Les aa sont assemblés en protéines au niveau des ribosomes, grâce à l’ARNm (et aux ARNt). Les protéines sécrétées, les protéines de la mb plasmique et les protéines lysosomiales sont assemblées au niveau du REG. (Les autres dans le cytosol). Une des conséquences de la compartimentation : il y a nécessité d’un tri, les protéines sont regroupées par catégories (protéines membranaires, prot. Lysosomiales, protéines à sécréter). Puis il y a nécessité d’un adressage des protéines : chaque catégorie de protéine doit être transférée vers le compartiment correct. Ce sont des processus complexes et coûteux en énergie. Il existe aussi des phénomènes de maturation et de repliement des protéines (elles ne sont pas fonctionnelles immédiatement après la synthèse). Si le repliement est correct, la protéine quitte le REG en direction du Golgi. Les saccules du REG bourgeonnent et forment des vésicules. Les vésicules se déplacent en direction de la face CIS du dictyosome (ce sont les vésicules de transition). Les vésicules sont associées à des protéines leur permettant de se déplacer sur le réseau de microtubules. (cf. cytosquelette) Il y a donc un flux de matière (protéine) et de mb du REG à la face CIS du dictyosome. Mais il existe aussi un flux retour, ce qui permet un recyclage des mb, et maintient ainsi le volume du REG et du Golgi. Le RE est aussi le siège de synthèse de lipides permettant d’entretenir les mb de la cellule 2) Modification et trajet dans l’appareil de Golgi La maturation se poursuit dans les cavités du Golgi avec par exemple de nouvelles glycosylation, l’ajout ou le retrait d’autres groupements (phosphorylation, ajout groupement S…) Il y a aussi un transfert de la face Cis à la face Trans par bourgeonnement latéral de vésicules. Ce flux se fait aussi dans les deux sens (renouvellement et recyclage). Lors de ce transfert : il y a un tri et concentration des protéines grâce à leurs étiquettes moléculaires, les groupements ajoutés. Schéma A partir de l’appareil de Golgi, les protéines peuvent suivre 2 voies possibles. - elles passent dans des vésicules de sécrétion puis c’est l’exocytose - elles sont dirigées vers les endosomes et lysosomes 3) Les voies de la sécrétion – la voie des lysosomes La sécrétion peut être constitutive, c’est un processus continu permettant le renouvellement des lipides et des protéines membranaires. La sécrétion peut être régulée : la sécrétion se fait en présence d’un signal seulement, c’est ce qui se passe pour les enzymes digestives sécrétées par la cellule acineuse pancréatique. A la face trans du dictyosome, des vésicules se forment contenant les protéines : - elles sont concentrées (cf différents types de vésicules) - les protéines subissent encore quelques modifications en particulier des coupures par peptidases qui les font passer du stade préproenzymes au stade proenzymes. Les vésicules acquièrent une cage protéique de clathrine qui est nécessaire au contrôle de l’exocytose, puis elles restent en attente sous la mb plasmique. Le signal de l’exocytose est extracellulaire, le signal peut être hormonal ou nerveux (neurotransmetteur). Quelques exemples : - CCK-PZ (cholecystokinine pancréozymine) hormone peptidique sécrétée par des cellules spécialisées du duodénum, elle stimule la sécrétion des enzymes pancréatiques. - Bombésine, hormone peptidique sécrétée par les neurones (système sympathique), stimule la sécrétion des peptides C’est l’arrivée d’aliments dans l’estomac qui déclenchent la libération de ces signaux chimiques. Le messager chimique se fixe sur un récepteur membranaire (protéine). Cette fixation déclenche la libération d’un second messager intracellulaire. Ce dernier déclenche la réponse cellulaire : en particulier, il provoque l’augmentation de la concentration de Ca2+ intracellulaire. Enfin, cette augmentation provoque des modifications au niveau du cytosquelette, les vésicules se déplacent sur les microtubules vers le pôle apical. On remarque ainsi que la cellule acineuse pancréatique n’a pas un fonctionnement autonome isolé, au contraire, elle est intégrée au reste de l’organisme, ici dans le fonctionnement coordonné de la digestion. Remarque : le flux est compensé par un flux inverse (endocytose) ce qui permet le maintien de la surface membranaire et le recyclage des mb. Une partie des protéines synthétisées dans le REG est acheminée vers les lysosomes : ce sont les hydrolases acides. Les vésicules se déplacent jusqu’au lysosome où elle fusionnent et vident leur contenu. Schéma bilan du flux de matière et de membrane du REG à l’exocytose Conclusion La cellule est une unité structurale : elle est délimitée par une mb qui est une barrière mais permet aussi des échanges. La cellule acineuse pancréatique a une organisation particulière, polarisée. La cellule est aussi une unité fonctionnelle, elle a une certaine autonomie : pour la production de son ATP (grâce aux mitochondries), pour la synthèse des protéines (ici une partie est exportée). Chez les organismes pluricellulaires, les cellules sont spécialisées : ici synthèse et sécrétion d’enzymes digestives. On observe une polarité de structure (répartition des organites, forme de la cellule…) qui est à mettre en relation avec une polarité fonctionnelle (trajet des aa et synthèse des protéines du pôle basal au pôle apical) : exemple de relation structure fonction. La cellule acineuse pancréatique est une cellule eucaryote : on observe des organites, petits compartiments délimités par une ou deux mb. Mais ils ont aussi chacun une spécialisation fonctionnelle… A l’échelle d’une cellule, la compartimentation a des conséquences Division du travail, chaque organite est spécialisé Les réactions se déroulent dans le volume d’un organite plus petit que celui de la cellule entière. Les molécules sont donc « artificiellement » concentrées grâce à ce volume restreint. Autrement dit, la probabilité de rencontre entre molécule est plus élevée ce qui augmente la vitesse des réactions. Chaque organite est caractérisé par des conditions physico-chimiques particulières, optimales pour les réactions qui s’y déroulent. Permet aussi d’isoler des composés toxiques par rapport au reste de la cellule. Corollaire : la compartimentation permet la création de gradient. Exemple gradient de H+ dans les lysosomes, certains ont des rôles particuliers. Mais les conséquences ne sont pas toutes positives : La cellule contient une très grande quantité de mb qu’il faut entretenir, ce qui est coûteux en énergie. La compartimentation implique des échanges entre les organites : l’ATP fabriqué dans les mitochondries est utilisé dans tous les compartiments, les protéines doivent être distribuées dans la cellule. Ces échanges nécessitent parfois de l’énergie mais aussi des signaux d’adressage. La CAP est une cellule hétérotrophe, elle a besoin d’un apport de carbone organique. En effet, elle ne réalise que la respiration (équation) qui nécessite un apport de glucose, qui est converti en ATP utilisable par la cellule. De tout cela ressort aussi l’importance des flux orientés dans la cellule acineuse pancréatique : flux intracellulaires. - Flux de matière : les molécules se déplacent d’un compartiment à l’autre, ici surtout les protéines du REG vers la sécrétion. Nécessité de signaux (hydrolases) - Flux de mb bidirectionnel associé au flux de protéines, recyclage permanent des mb. - Flux d’énergie : la source c’est la mitochondrie, sous forme de molécule d’ATP. - Flux d’information : l’ADN support de l’information génétique dans le noyau, matrice pour la synthèse d’ARN transporté vers le cytosol. Signaux extracellulaires, contrôle de l’exocytose. La CAP est une cellule spécialisée intégrée dans un organisme : - La cellule est liée à ses voisines par le biais de jonctions intercellulaires permettant la cohésion du tissu (jonction serrée…) voire des échanges entre cellules (jonctions gap) - Le fonctionnement de la CAP est régulé en fonction des besoins de l’organisme, grâce à des hormones les enzymes pancréatiques ne sont sécrétées que durant la phase de digestion. - La cellule réalise des échanges avec le reste de l’organisme : le sang apporte des molécules indispensables : oses, aa, O2… Les enzymes sont sécrétées dans l’intestin (cellules exocrines), des déchets sont évacués via le sang (CO2…) LA CELLULE EUCARYOTE, UNITE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE LA CELLULE ACINEUSE PANCREATIQUE, UNE CELLULE ANIMALE SPECIALISEE DANS LA SECRETION PROTEIQUE I. la cellule acineuse pancréatique : localisation et rôles A. Le pancréas, une glande sécrétrice mixte 1) Les îlots de Langherans et la fonction endocrine 2) Les acini pancréatiques et la fonction exocrine B. Les cellules acineuses du pancréas exocrine II. La cellule acineuse pancréatique, une structure polarisée A. Observation d’une cellule acineuse pancréatique B. Le cytoplasme, une vue d’ensemble 1) Un noyau basal et volumineux, contient le matériel génétique 2) Le réticulum endoplasmique granuleux 3) Appareil de Golgi et vésicules, vers le pôle apical 4) Les lysosomes, au pôle apical essentiellement 5) Les mitochondries, siège de la respiration cellulaire C. Le cytosquelette et la forme de la cellule 1) Les microtubules 2) Les filaments d’actine 3) Les filaments intermédiaires III. La cellule acineuse pancréatique, un fonctionnement orienté A. Etude expérimentale : méthode du pulse-chase B. La voie de synthèse et de maturation des protéines 1) Capture des acides aminés et synthèse des protéines dans le REG 2) Modification et trajet dans l’appareil de Golgi 3) Les voies de la sécrétion – la voie des lysosomes
