La voie d'endocytose PDF - Structure cellulaire et maladies

La voie d'endocytose *Avec la voie de sécrétion, il y a sans cesse [production] et [transport] de protéines et de membrane. Cela signifie un ajout de matière à la surface de la membrane permanent. Comment est-ce possible que la cellule ne grandisse pas en permanence avec un ajout constant de protéi...

La voie d'endocytose *Avec la voie de sécrétion, il y a sans cesse [production] et [transport] de protéines et de membrane. Cela signifie un ajout de matière à la surface de la membrane permanent. Comment est-ce possible que la cellule ne grandisse pas en permanence avec un ajout constant de protéines membranaires ?* ***Réponse **: Il existe une voie inverse à la voie de sécrétion qui est **la [voie d'endocytose]**[.]* *Elle transporte les protéines depuis la surface de la cellule vers les compartiments intracellulaires. L'endocytose n'est pas un passage à travers les pores nucléaires, c'est un **don de membrane** qui permet de faire entrer des particules. Ceci représente donc une consommation de la membrane. Le deuxième moyen d'utiliser le surplus de membrane est la division cellulaire (pour les cellules qui se divisent)* *RE : rugueux -\> synthèse des protéines : lumière ou transmembranaire* *RE : lisse -\> membranes -\> phospholipides* La voie d'endocytose ==================== - **[Endocytose] **: **Processus par lequel une cellule intègre des molécules ou des particules du milieu extérieur, par repli de sa membrane qui forme alors une vésicule interne capable de se déplacer dans la cellule.** - **[Formation] : normalement une molécule fluorescente ne passe pas à travers une membrane car hydrophile-\> mais elle rentre (endocytose). Il y a une internalisation dans des compartiments dans elle ne se retrouvera pas dans le cytosol mais dans des endosomes (précoces, tardifs) puis lysosome. Ces vésicules sont trop** **petits pour être observable par microscopie optique donc on va procéder par microscopie électronique. Le désavantage sera que la cellule sera morte donc ce ne sera pas possible de les voir à part si on met dans l'ordre les images.** Endocytose de **phase fluide** (**pinocytose**)pas d'utilisation de récepteurs ------------------------------------------------------------------------------ [Expérience] : 1. Prendre des cellules en culture 2. Mettre dans leur milieu une grosse molécule fluorescente hydrophile qui ne peut pas passer à travers la membrane 3. Incubation 4. Lavage [Observation] : Le composé fluorescent est en partie dans des compartiments de la cellule. C'est la mise en évidence de la **voie d'endocytose** : la molécule n'a pas traversé la membrane, la membrane a entouré la grosse molécule et l'a faite entrer. La molécule s'est donc faite endocytée. On a ensuite observé que la molécule fluorescente se retrouvait dans l'endosome (premier compartiment après l'entrée de molécules dans la cell. Vésicule = **50nm de diamètre** + gros que protéine mais plus petit que noyau et mitochondrie Mol peu concentrée -\> intérieur tout autant 2x plus -\> 2x plus Déroulement de l'endocytose Ce processus est visible grâce au microscope électronique : - Déformation de la membrane de plus en plus : **bourgeonnement** - La membrane plasmique forme un repli quasi complet : **internalisation** - Formation complète (« fermeture ») de la vésicule qui est dans le cytoplasme de la cellule : **endocytose** Ce processus permet ainsi la formation d'une vésicule avec, à l'intérieur, un échantillon du milieu extracellulaire. Cette endocytose, dite de **phase fluide**,** **est la **pinocytose** lors de laquelle il n'y a **pas besoin de récepteurs** pour concentrer les molécules. =\> condensation ### Caractéristique de l'endocytose de phase fluide  Comme on fait rentrer un échantillon du milieu extracellulaire, la **concentration** de molécules dans le milieu **extracellulaire** est **proportionnelle** à celle dans les **vésicules** d'endocytose. Plus il y a de molécules dans le milieu extracellulaire, plus on en endocytose et plus il y en aura dans la vésicule, c'est linéaireplus de vésicules=plus de molécules qui rentrent Le manteau **clathrine** ======================== Sur cette image de microscopie électronique, on voit du côté cytoplasmique de la membrane, des molécules qui s'y collent et qui sont présentes jusqu'à ce que la vésicule se détache. Il y a un **manteau cytoplasmique** (composé de protéines) (protéines présentes en majorité sont des **clathrines)** qui viennent se coller à la membrane et accompagne la formation de la vésicule en **fournissant l'énergie nécessaire pour la dépolymérisation**. Si on purifie de la clathrine et qu'on la met *in vitro*, elle se polymérise spontanément et de manière autonome. La **clathrine peut polymériser seule et c'est cette propriété qui fournit de l'énergie pour que la membrane se déforme.** La déformation de la membrane est **spontanée** et **exothermique** (dégage de la chaleur). Mécanisme --------- 1. Au fur et à mesure qu'elle **polymérise**, la clathrine déforme la membrane plasmique (**bourgeonnement**) et forme la vésicule d'endocytose. 2. Une fois que la vésicule est détachée de la membrane, le manteau de clathrine reste autour. 3. La clathrine **dépolymérise** pour revenir sous forme **soluble** dans le cytoplasme et ainsi pouvoir repolymériser sur une autre vésicule. Ceci va permettre la fusion de la vésicule nue avec l'endosome. La polymérisation est **spontanée** /**exothermique** donc la dépolymérisation de la clathrine **nécessite de l'énergie** : il existe des **enzymes spécifiques spécialisées** qui consomment de l'ATP. Endosomes et lysosomes ====================== La vésicule nue (sans manteau) se dirige vers les endosomes et **fusionne** avec la membrane de **l'endosome précoce** (l'endosome est un organite de la cell) Le **contenu** de la vésicule a été transvasé et un peu de **membrane plasmique** se retrouve maintenant dans la membrane de l'endosome (en plus des éléments extracellulaires). - Ressemble à une expérience de **marquage et chasse** Endosome -------- - Une membrane simple qui le délimite (**1 bicouche lipidique**) - **500nm de diamètre** ### Étapes de transport  On distingue **différents types d'endosomes** selon le temps qu'il faut à la vésicule pour y parvenir. La vésicule fusionne d'abord avec les endosomes **précoces (5min),** puis la phase fluide du milieu extracellulaire se retrouve les endosomes **tardifs** (après 20 minutes) et enfin dans les **lysosomes** (après 30 minutes). pH caractéristiques - Cytoplasme : pH 7 neutre - Endosome précoce : pH 6.5 (un peu acide) - Endosome tardif : pH 6 (plus acide) - Lysosome : pH 5 (très acide) augmentation du nbr de protons quand pH baisse PH = concentration de proton -\> inversement proportionnelle - **Acidification progressive** - **Enorme différence entre 7 à 6 -\> x10 le nombre de proton** Lysosome -------- Point d'arrivée du **matériel endocytosé** (milieu extracellulaire + membrane). Ce compartiment contient les **enzymes de dégradation** (protéases, nucléases, lipases, glycosidases\...) qui servent à tout cataboliser. C'est le point majeur de dégradation dans la cellule.  C'est donc le lieu où toute cette **membrane** qui est synthétisée en continue au niveau du RE est **dégradée**, ce qui permet l'équilibre (de la quantité de membrane) Les enzymes du lysosome ne fonctionnent bien qu'à un **pH acide** (rappel : pH 5 a 100x plus de protons qu'un pH 7). L'acidification du lysosome se fait activement en utilisant des **pompes à protons** (canaux à hydrogène fonctionnant grâce à l'ATP). **Proton ATPase** - Transport contre un gradient avec de l'ATP C'est un système de **sécurité** pour la cellule car si un lysosome se rompt, il n'y aura pas de dégradation possible des composants du cytoplasme car les enzymes lysosomiales ne peuvent fonctionner que dans un environnement acide  Les **produits de la dégradation** sont transportés dans le cytosol et peuvent être **réutilisés** par le métabolisme cellulaire (recyclage). Cela permet aussi à maintenir la **taille stable** des lysosomes (AA traversent sa membrane et retournent dans le cytoplasme). - **Sorti des acides aminés** *NB : Quelques enzymes sont contenues dans les endosomes tardifs comme dans les lysosomes mais en bien plus faible quantitémais pas d'enzymes lysosomiales dans l'endosome précoce* Hypercholestérolémie familiale: le récepteur au LDL =================================================== La maladie de Tay-Sachs ----------------------- Cette maladie provoque un **déficit intellectuel et cécité** (état d\'une personne aveugle). C'est un déficit en (hexosaminidase A) ce qui empêche la dégradation des **glycolipides** qui vont ainsi s'accumuler. Il s'agit d'une maladie héréditaire qui suit une **transmission autosomale récessive**. on retrouve cette transmission dans des petits groupes de population - **Juifs ashkénazes ou les Canadiens français** Les cellules sont chelou à cause du **matériel non dégradé** -\> manque une enzyme qui sert à la dégradation de glycolipides. Traitement : **enzyme à injecter ou compenser au niveau des cellules** Une maladie génétique à transmission dominante ---------------------------------------------- ### **Hypercholestérolémie familiale ** **Il s'agit d'une maladie génétique à transmission dominante** **Cholestérol** (stéroïde)** **: **Lipide** avec une petit partie hydrophile et une grande partie hydrophobe, capable de s'insérer dans membrane. C'est un des constituants essentiels de la membrane. De ce fait, notre organisme a besoin en permanence d'amener aux cellules du cholestérol pour qu'elles puissent l'insérer dans leur membrane. Le cholestérol ne peut pas se balader seul dans le sang (trop hydrophobe), alors il s'attache à des **protéines hydrophiles** qui vont le transporter. Il y a une distinction en HDL et LDL : - **HDL** : « bon » cholestérol - **LDL** : « mauvais » cholestérol qui se dépose dans artères et les bouches Il y a des familles dans lesquelles on observait des **infarctus précoces** car la concentration de LDL circulant chez ses membres est beaucoup plus élevée que la normale. (à Hypercholestérolémie à athérosclérose à infarctus) Du point de vue génétique, la maladie est causée par un allèle défectueux qui est transmis de manière **autosomique dominante**. Une personne atteinte a forcément un de ses deux allèles qui est muté. Cas rare -\> 2 individus touchés Aa/ Aa qui font en enfant -\> AA / Aa / Aa / aa **AA** : deux copies du gène fonctionnel du récepteur LDL **Aa** : une seule copie fonctionnelle du gène du récepteur au LDL - Moins de récepteur et d'endocytose des LDL par les cellules - Hypercholestérolémie (LDL) - Infarctus précoce (30 ans) **aa** : deux copies mutées du récepteur au LDL - Pas de récepteur fonctionnel-\> pas d'endocytose des LDL par les cellules - Concentration de LDL sanguine très élevée - Crise cardiaque dès l'enfance b) Le **récepteur** au LDL -------------------------- L'étude de ces familles a permis de mettre en évidence qu'il y a un **gène** important pour **contrôler** la **concentration** de **LDL** circulant. [Observations ]: - Patient **AA** (sain) : Le LDL se lie efficacement à la surface des cellules - Patient **Aa** : Liaison LDL à la surface de la cellule mais beaucoup moins efficace - Patient **aa** : La cellule ne lie pas de LDL à sa surface (liaison très inefficace, voire inexistante) De plus, un patient sain lie très efficacement le LDL à la surface de ses cellules mais ce uniquement jusqu'à un certain point : cela est dû à un phénomène de **saturation **(le mécanisme de liaison peut être saturé). Tous ces indices indiquent la **présence d'un récepteur** capable de **lier le LDL** à la **surface de la cellule** (dans les cellules saines) ### Composition du récepteur  - **Protéine transmembranaire** simple - **Site de liaison** au niveau du domaine extracellulaire - Domaine transmembranaire classique : **hélice alpha** - Petit domaine cytoplasmique **Endocytose** du LDL (endocytose via récepteur) ------------------------------------------------ **[Expérience] **: - On prend une cellule et on l'incube avec du LDL radioactif : cette incubation permet au **LDL de se fixer sur son récepteur** (4° : pas d'endocytose, cellule congelée et attend) - On réchauffe ensuite la cellule à 37° [Observations ]: Pendant les premières minutes, la quantité de LDL présent à la surface diminue et la quantité intracellulaire de LDL avec son récepteur augmente. On continue l'incubation et au bout de 15 min : le LDL est entièrement dans la cellule et la quantité de LDL intracellulaire baisse alors qu'il y a une augmentation de LDL dégradé. Cela veut dire que le LDL présent dans les endosomes précoces a été transféré dans les lysosomes. Une endocytose complète dure environ 15 minutes et une dégradation complète environ 2h. **Le récepteur du LDL ne part pas dans les lysosomes** (mais rentre dans l'endosome précoce) Le récepteur est entré et a même amené dans l'endosome précoce le LDL. Le **pH légèrement acide de l'endosome précoce** provoque le **détachement du récepteur** "larguant" le LDL. **C'est donc une deuxième sorte d'endocytose (avec récepteur)** Mécanisme (endocytose de phase fluide et endocytose via récepteur) ------------------------------------------------------------------ Le récepteur au LDL dans la membrane de la vésicule permet de **concentrer le LDL** car il le capte bien les récepteurs captent le LDL puis diffuse latéralement sus la membrane La capture est **très efficace** quand la **concentration** du LDL dans le **milieu** **extracellulaire** est **faible** mais moins efficace quand la concentration est forte et ce, dû au phénomène de **saturation** (pour l'endocytose via récepteur). L'endocytose de phase fluide diffère et l'endocytose via récepteur **se font dans la même vésicule / en même temps** Le mécanisme endocytose de phase **fluide** ne **dépend** pas de la **concentration** de la molécule dans le milieu extracellulaire et n'est de ce fait, **jamais saturée.** Les motifs d'endocytose (sur domaine cytoplasmique) --------------------------------------------------- [Expérience]** **: 1. On prend un ligand (LDL) et on l'accroche à un grain d'or 2. On le met sur une cellule 3. Le ligand vient se fixer sur un récepteur : on peut voir où est le récepteur qui lie le LDL marqué et s'il est dans la vésicule ou pas [Observation] : Le **LDL** ne se retrouve pas réparti n'importe où à la surface de la cellule mais il est **concentré** **dans les vésicules en formation**. Pas tous dedans -\> certains sont exclus (C-TM18) Mécanisme des récepteurs (captent les molécules / se concentrent dans les vésicules) ------------------------------------------------------------------------------------ Le **récepteur** attrape le LDL dans le milieu et vient se **concentrer dans les vésicules en formation** ce qui explique la forte concentration de cholestérol dans les vésicules qui se forment. **Expérience patient JD (problème de diffusion latérale des récepteurs) **: Un certain patient JD (a.a) avait bien le LDL qui se liait à la surface de ses cellules mais lorsqu'on incuba sa cellule, le LDL qui s'était lié à la surface resta à la surface et ne fut pas internalisé. Cependant, son récepteur est bel et bien là. Le problème réside dans l'endocytose : ses récepteurs au LDL ne se concentrent pas dans les vésicules d'endocytose en formation. [Conclusion] : Cela ne suffit pas que le LDL se lie à la surface de la cellule mais il faut qu'il y ait une concentration des récepteurs dans les vésicules pour que l'endocytose fonctionne correctement. Cela veut dire que ce patient a **une anomalie dans son récepteur**. Le récepteur muté ressemble au récepteur sauvage mais a une mutation ponctuelle (un seul acide aminé affecté) dans son **domaine cytoplasmique** (et pas dans le domaine extracellulaire car il lie le LDL correctement). [Conséquence] : Le récepteur n'est plus capable de se concentrer dans des vésicules d'endocytose en formation. ### **Motif d'endocytose** (3 acides aminés dans domaine cytoplasmique permettent la concentration de récepteur) : **Il y a une séquence de 3 acides aminés** qui permettent la **concentration des récepteurs vers la vésicule :** \- Si présente, le récepteur sera concentré dans la vésicule en formation **- Si mutation dans 1 des 3 a.a : pas de concentration** (cas de JD) (ici mutation ponctuelle qui change l'acide aminé)  3 classes de motifs : **Y et L** (tyrosine et leucine) **NP et Y** (asparagine, proline et leucine) **L et L** (2 leucines) Manteaux et triage membranaire ============================== La deuxième fonction du manteau clathrine (interaction avec motifs d'endocytose) -------------------------------------------------------------------------------- - Fournit de l'énergie pour déformer la membrane ---------------------------------------------- - Former une vésicule d'endocytose -------------------------------- Le manteau clathrine n'a pas seulement des protéines clathrines mais aussi **des protéines associées** Ces autres protéines servent d'adapteurs entre le manteau de clathrine et les récepteurs. Par conséquent, on les appelle **les adaptines (APs=associated protein)**. Au moment où se forme le manteau clathrine, il y a aussi les adaptines associées au manteau qui peuvent **interagir avec les motifs d'endocytose** (motifs reconnus par les protéines associés) C'est cette interaction adaptines-motifs qui permet la **concentration des récepteurs**. C'est pourquoi lors de la formation de la vésicule puis lors de son transfert dans les endosomes, la protéine transmembranaire (récepteur) est embarquée avec. S'il n'y pas de motif, la protéine transmembranaire reste dans la membrane plasmique et ne va pas dans la vésicule. *NB : Les adaptines s'assemblent et se dépolymérisent en même temps que la clathrine.* Les différents manteaux clathrine --------------------------------- Il y a **d'autres manteaux que le manteau clathrine-adaptine.** -\> adaptatrices (AP) différentes Différentes combinaisons de clathrine et d'adaptine sont utilisées selon la direction de la vésicule et les compartiments avec lesquels elle sera en contact : a. **Manteau clathrine -- Adaptines AP2 **: permet le transport/formation des vésicules de la membrane plasmique à l'endosome précoce b. **Manteau clathrine -- Adaptines AP1 **: permet le transport des vésicules de l'appareil trans-Golgi jusqu'à l'endosome tardif c. **AP3** : endosomes précoces -\> tardifs ? On pense d. **AP4** : on ne se sait pas à quoi elles servent Différente sélection de récepteurs dépendant du type d'adaptine (AP2 pour endocytose et AP1 pour trans-Golgi) C'est **le même système** qui est opérant mais les manteaux ont des adaptines différentes (mais la même clathrine) - Différence de **donneur et de receveur** Par exemple pour AP2, donneur : membrane plasmique et le receveur : endosome précoce  Les autres vésicules de transport (voie de sécrétion) ----------------------------------------------------- Il y a encore d'autres **manteaux différents** formés **ni par la clathrine ni par les adaptines**. Ils ont cependant la même fonction que le manteau clathrine, c'est-à-dire **l'aide au transport de vésicules** depuis un compartiment vers un autre. ### Manteau **COP2** (pas manteau de clathrine comme avantmais même fct) - Transport de vésicules **du RE à l'appareil Golgi ** - Manteau se polymérise lors de la formation des vésicules au niveau du RE - Pas de clathrine, pas de AP - **Même principe** : la formation du manteau accompagne la formation de la vésicule - Recyclage du manteau sur le RE ### Manteau **COP1** (entre les compartiments du Golgi et retour RE) - Transport à l'**intérieur de l'appareil de Golgi** entre les 5 citernes - Pas de clathrine, ni d'AP, pas protéine COP2 - Mais fonctionnement très similaire : formation de la vésicule au niveau citerne cis et la vésicule nue fusionne avec la citerne suivante (par les côtés) - On ne sait pas dans quel sens ça va - Retour RE : bourgeon-\> vésicule + cop1 -\> vésicule nue -\> fusion avec RE *[NB] :* *-On ne sait pas s'il y a un manteau ni même des vésicules qui aident au transport entre l'appareil de Golgi et la surface de la membrane cellulaire (pour le sécrétion constitutive)... sûrement !  * -*On ne sait pas trop si oui ou non on a des AP3, encore moins les AP4.*  Lysosomes et enzymes lysosomales ================================ Les **enzymes lysosomales** sont présentes dans la lumière du lysosome (à l'intérieur) Au moment de leur synthèse, les enzyme lysosomales ont une séquence signal qui leur permet d\'être **traduites dans le RE**. Transport des enzymes lysosomales --------------------------------- 1. Enzymes lysosomales insérées dans le RE (elle a une séquence signal), puis quittent le **RE** grâce au manteau **COP2** en direction du **cis-Golgi** (en même temps que les autres protéines sécrétées) 2. Une fois dans le **cis-Golgi**, les futures enzymes lysosomales sont modifiées par une autre enzyme (ses sucres sont modifiés) On leur rajoute **un sucre particulier** (seulement pour les enzymes lysosomales) : **le mannose-6-phosphate** (M6P seule ≠ sucre complexe des autres protéines). 3. Les enzymes arrivent dans le **trans-Golgi** grâce au **COP1** et se fixent **aux récepteurs du M6P.** Les récepteurs se concentrent dans une vésicule grâce au **manteau clathrine-AP1** et rejoignent **l'endosome tardif** (séparation des autres protéines sécrétées qui partent dans des granules ou des vésicules) 4. **Dans l'endosome tardif**, les enzymes lysosomales se détachent des récepteurs au M6P (qui retourne au trans-Golgi) à cause du **pH acide**. Les enzymes lysosomales rejoignent ensuite le **lysosome** via transport vésiculaire et s'y concentrent. [Intérêt de ce système] : Le point d'entrée dans la voie de l'endocytose des enzymes lysosomales se trouve dans les endosomes tardifs et cela explique pourquoi il n'y en **a pas dans les endosomes précoces.** Ceci assure qu'**un récepteur** ne se fasse pas dégrader quand il amène, par exemple le LDL, dans l'endosome précoce. -\> récepteur part au précoce Maladies génétiques liées aux enzymes lysosomales ------------------------------------------------- - Maladies où il **manque une des enzymes de dégradation** : absence de la dégradation d'un certain type de molécules menant à l'accumulation dans le lysosome de produits non-digéré. - Mutations qui affectent le **fonctionnement de la voie de transport des enzymes lysosomales** vers les lysosomes. Ceci est causé par une atteinte des enzymes qui font la synthèse du M6P : les enzymes lysosomales arrivent dans cis-Golgi puis trans-Golgi et sont finalement **sécrétées hors de la cellule** car sans M6P elles ne sont pas reconnues. - [Retards de croissance, retards mentaux ] Ils vont en dehors de la cellule -\> manque d'enzymes lysosomales -\> retard de croissance et Mental La dégradation des protéines dans la cellule -------------------------------------------- - **Presque toutes les protéines sont en permanence synthétisés et dégradés** - Demi-vie toutes les protéines se font dégradées tôt ou tard ### La synthèse  - Les diff destinations d\'une protéines synthétisées (cytosol, noyau, mitochondries, RE) ### La dégradation des protéines (ne vivent pas pour tjr)  1. Des protéines dégradées par le protéasome dans le cytosol - Comme on a vu avec Hartley 2. Les protéines de la voie de sécrétion et voie d endocytose  Dégradation par le lysosome 3. Voie d'autophagie (se manger soi meme) - Mitochondrie -\> trop grande pour être dégradée par le protéasome - Double membrane autour de la mitochondrieautophagosome - Fusion avec lysosomedéversement des enzymes lysosomales dans le milieu (tout est mangé même la mitochondrie et les protéines dans le cytosolà l'intérieur de l'autophagosome) - Pas grave car il y a d'autres mitochondries dans la cell