Cytosquelette - Structure, fonctions des microtubules et filaments

Cytosquelette **Cytosquelette (squelette de la cell)** : - Ensemble de **filaments protéiques intracellulaires**. C'est donc le squelette interne de la cellule. - **Est un endosquelette** =à l'intérieur (pas un exosquelette) - Le cytosquelette est composé de 3 éléments principaux : des...

Cytosquelette **Cytosquelette (squelette de la cell)** : - Ensemble de **filaments protéiques intracellulaires**. C'est donc le squelette interne de la cellule. - **Est un endosquelette** =à l'intérieur (pas un exosquelette) - Le cytosquelette est composé de 3 éléments principaux : des **microtubules**, des **filaments d'actine** et de **filaments intermédiaires** - Ce sont 3 systèmes différents et une superposition de chacun est trouvée dans chaque cellule. Les microtubules (cytosquelette tubuline)  ========================================== Structure  ---------- - **S'étendent de son centre à sa périphérie** - **Dans le cytosol et seulement dans le cytosol** - Les microtubules sont formés de **molécules de tubuline,** qui est composée de 2 sous-unités : - Sous-unité **alpha** - Sous-unité **beta** - Les deux sous-unités s'assemblent peu de temps **après leur synthèse** par **liaisons non-covalentes** mais stables. La tubuline est un **hétérodimère** (deux protéines ensembles mais pas les mêmes) - Ces tubulines (avec leurs deux sous-unités) forment des **protofilaments** qui ont une orientation. - ***Par convention on va nommer l'extrémité se terminant par un alpha « - » et celle dont le bout est un bêta « + » (aucune signifiaction)*** - ***2 sous unités codés par 2 gènes donc avec des ARNm différent -\> tjrs associé*** - Enfin, ces protofilaments vont s'assembler, **tous dans le même sens**, en cylindre pour former le **microtubule -\> 13 protofilaments** - Beta pointe toujours le haut et alpha vers le bas ### Microtubules :  - Association latérale de **13 protofilaments** arrangés côtes à côtes. - Tous les protofilaments sont dans le même sens donc le microtubule a aussi une **polarité** (+ et -- par convention). Il est donc **orienté.** - Il ne **se passe rien dans la lumière du microtubule**, il s'agit uniquement d'un élément structurel (ce qui se trouve a l'intérieur du microtubule n'est pas important) - **Diamètre de 24 nm (pas important) -\> MO -\> pas voir le détail -\> ME** - Ils ont un rôle majeur dans la **division cellulaire** : ils l'organisent Dynamique --------- ### Centre organisateurs des microtubules ### (**centrosome** (=/= centromère qui est sur le chromosome)) Dans une cellule, **tous** les microtubules convergent **en un point (point de convergence)**, le **centrosome** Celui-ci est nécessaire afin **d'initier la polymérisation des microtubules** étant donné que la concentration de tubuline est trop faible dans la cellule pour permettre sa polymérisation spontanée. Le reste est **amorphe** ##### Il contient : - **2 centrioles** (2 petits « tonneaux ») : structures **cylindriques** creuses, composées de (**9 triplets de microtubules**) entourés de protéines - **Matrice protéique **: contient beaucoup de protéines et surtout des **sites de nucléations (gamma-tubuline)** Tous les microtubules sont formés par ces sites de nucléation grâce à la gamma-tubuline **-\> structure très stable** Les sites de nucléations sont le point de départ de la polymérisation de la tubuline en microtubules et **permettent de démarrer leur polymérisation (extrémité -)**. Les extrémités + se dirigent vers la périphérie de la cellule. ### Polymérisation : la concentration critique - Les microtubules se polymérisent tous à partir de l'extrémité +, c'est-à-dire par « l'avant ». - La **polymérisation** permet l'ajout d'une molécule de tubuline au bout de la chaîne, tandis que la **dépolymérisation** consiste à retirer une molécule de tubuline. - La **vitesse de polymérisation varie** et diminue quand la concentration de tubuline libre diminue (plus de tubuline libre = plus de chance qu'une tubuline s'accroche) - La **vitesse de dépolymérisation est constante** et ne varie donc pas quand la concentration change. -\> à un certain taux se détache *NB : Cela ne s'applique pas directement dans le milieu cellulaire car la concentration de tubuline est à l'équilibre, ceci étant dû aux pol/dépol simultanées.* ##### **La concentration critique (Cc)** (quand vitesse globale polymérisation = vitesse de dépolymérisation) **[Expérience ]**: Mettre dans un tube à essai des centrosomes purifiés et de la tubuline libre à une concentration qui ressemble à celle dans les cellules. **[Observation in vitro :]** La tubuline peut polymériser et donc former des microtubules. - Le graphique de l'expérience nous montre qu'au fur et à mesure que la tubuline est polymérisée, la **concentration de tubuline libre diminue** (au départ, elle est maximale car toute la tubuline est libre). La **vitesse de polymérisation diminue en parallèle.** - On arrive alors à un **équilibre global : Vpol = Vdepol** (au départ Vpol \> Vdepol). - La concentration de tubuline libre à laquelle les deux vitesses s'équilibrent est appelée **la concentration critique (Cc** ) - Dans une cellule, la concentration de tubuline libre est toujours aux alentours de la concentration critique. - « Globalement » : ne veut pas dire que chaque microtubule reçoit et perd à chaque instant le même nombre de molécule de tubuline **les microtubules ne restent pas à la meme taille (se rallonge et se raccourcit)** **L'équilibre global est une moyenne** qui « cache » une **instabilité dynamique** sous-jacente. ### L'instabilité dynamique (se rallonge et se raccourcit) - Dans le tube à essai, à l'intérieur duquel on a mis de la tubuline et des centrosomes, on est maintenant à l'équilibre. - On a en même temps des microtubules qui polymérisent et se dépolymérisent donc **globalement** on a la même quantité de tubuline qui reste polymérisée - **Malgré cela, individuellement, chaque microtubule est en permanence en train de s'allonger ou de se raccourcir.** - C'est ce qu'on appelle **l'instabilité dynamique **: on est à l'équilibre mais c'est un **équilibre dynamique**. ##### Utilisation GTP et GDP - La tubuline libre dans la cellule est liée à une molécule de **GTP**. - Cette **tubuline libre GTP est polymérisée** à une extrémité d'un microtubule ce qui crée une **coiffe GTP** (stable) et stabilise le microtubule. - Peu après sa polymérisation, le GTP est hydrolysé en **GDP** (fct enzymatique du microtubule) ce qui forme des microtubules instables (molécules de tubulines peuvent plus facilement se détacher quand instable) On observe alors 2 « types » de développement possibles : 1. Un microtubule **en croissance rapide **: - Il possède **une coiffe GTP stabilisatrice** qui est sans cesse **renouvelée** alors que les GTP la précédant ont été hydrolysés en GDP. Le bout de la chaîne est donc **stable** et peut continuer à être polymérisée. - La **vitesse de polymérisation** est **fixée** par la concentration de tubuline libre (Cc). - L'extrémité du microtubule est **formée par de la tubuline GTP qui est stable** donc la vitesse de polymérisation **rapide** l'emporte sur la vitesse de dépolymérisation lente. C'est pourquoi le microtubule s'allonge. 2. Un microtubule **en décroissance **: - Il se raccourcit car son extrémité n'a **pas de coiffe tubuline-GTP** ce qui crée une **instabilité**. En effet, la coiffe GTP a été hydrolysée en GDP mais une nouvelle coiffe n'a pas été ajoutée. - Étant donné que le bout de la chaîne est instable, cela favorise la **dépolymérisation** qui devient **très** **rapide** et l'emporte sur la vitesse de **polymérisation** rapide qui est restée **constante**. Ce mécanisme de polymérisation/dépolymérisation **est aléatoire** car les probabilités qu'un état soit favorisé par rapport à un autre fluctue. Cependant, il n'y a jamais de microtubules qui s'allongent à l'infini ou qui disparaissent car ils devenus trop petits. Le **nombre** de microtubules reste **stable**, seul leur **longueur change**. ##### L'explication est la suivante : - La **polymérisation n'a que quelques secondes d'avance sur l'hydrolyse**. Il suffit d'une baisse dans la vitesse de polymérisation pour que le microtubule reçoive un peu moins de tubuline-GTP ce qui entraîne la perte de la coiffe. Le microtubule rentre alors en phase de décroissance. - [A l'inverse], si un microtubule reçoit soudainement un peu plus de tubuline-GTP car sa vitesse de dépolymérisation a ralenti, une coiffe stable réapparaît. Le microtubule est à nouveau en phase de croissance. ### Les protéines associées Il existe pleins de protéines associées à la tubuline qui s'accrochent soit à la tubuline libre soit aux microtubules. Elles peuvent ainsi changer l'équilibre polymérisation /dépolymérisation. - **Stathmine **: liaison à la tubuline libre ce qui **inhibe la polymérisation** et provoque le désassemblage des microtubules (raccourcissement) **-\> dépol** - **MAPs (« microtubule associated protein »)** : liaison aux microtubules ce qui **inhibe la dépolymérisation** et stabilise les microtubules (allongement). **-\> poly** Il peut y avoir plus de protéines qui se trouvent seulement dans une partie de la cell (stabilité locale) **-\> temps et espace = poly** **Stathmine phosphorylée **: plus se lier -\> contrôler et moduler l'allongement et le raccourc ### L'effet des drogues - Des drogues peuvent avoir le même effet que les protéines associées en modifiant l'équilibre polymérisation/dépolymérisation. Simplement cela se fait de manière drastique et rapide. - **Colchicine :** agit comme les **stathmines** en se liant à la tubuline libre. Cette toxine entraîne la disparition des microtubules car ils sont tous **dépolymérisés** pas régulé (tout le microtubule est dépolymérisé) - **Toxine -\> ail des ours** - **Taxol :** agit comme les **MAPs** en se liant aux microtubules. Cette toxine entraîne l'accumulation de microtubules **polymérisant** qui forment alors des amas désorganisés - **IF ( arbre en californie)** *NB : Le taxol utilisé dans le traitement des cellules cancéreuses (car les cellules ne peuvent plus se diviser : car pour se diviser, les cell doivent raccourcir leur microtubules) et la colchicine pour traiter des inflammations* Fonctions des microtubules -------------------------- ### Transport intracellulaire - Les microtubules permettent de distinguer la périphérie de la cellule (extrémités +) de son centre (extrémités --). Ils représentent **l'orientation dans la cellule.** - Pour permettre le **transport intracellulaire**, il existe des **protéines motrices** qui se lient aux microtubules. **Les microtubules fonctionnent un peu comme des « rails ».** - Ces protéines sont principalement de 2 types se différenciant par l'extrémité vers laquelle elles se déplacent : - **Kinésines **: protéine de transport allant de -- à + Périphérie - **Dynéines **: protéine de transport allant de + à -- centre - Ces protéines motrices s'associent simultanément à un élément dans la cellule (organelle, vésicule, etc.) et à un microtubule. - **Le RE s'associe à des kinésines** et part toujours vers les extrémités + : il est sans cesse étiré vers la périphérie de la cellule tout en étant continu avec l'enveloppe nucléaire. Cela explique qu'il occupe tout le volume de la cellule. - **L'appareil de Golgi s'associe à des dynéines** et part toujours vers les extrémités-Il est attiré vers le centrosome adjacent au noyau. ### Kinocils et flagelles - Dans certaines cellules spécialisées (ex : épithélium respiratoire), il y a des **kinocils**. Ce sont des protubérances, chacune composée d'un **microtubule**, enveloppé de membrane plasmique, relié à un **corpuscule** **basal** agissant comme un centrosome. - Les microtubules sont stabilisés à leur extrémité + **par une protéine associée** (leur longueur ne varie plus = stable) - Ces kinocils peuvent bouger et battre à l'unisson pour faire remonter le mucus et nettoyer les poumons (grâce à la protéine motrice dynéinefaire bouger les microtubules dont la taille ne varie pas) - [Ex] : Le même mécanisme est retrouvé dans les flagelles des spermatozoïdes, qui sont des longs kinocils. - **[Maladie :] Syndrome de Kartagener **: Mutation altérant les protéines ciliaires associées aux microtubules dans les kinocils. Cela engendre des problèmes respiratoires, tels que des infections chroniques et récurrentes, car les poumons ne peuvent pas être nettoyés en permanence. - **[Battement des cils défectueux ]** - Étant donné que ces mêmes protéines, dans ces cas défectueux, permettent la formation des flagelles de spermatozoïde, cela entraîne également une infertilité. Division cellulaire ------------------- On verra ça à un autre cours Le cytosquelette actine **(fonctionne un peu comme microtubule)** ================================================================= Structure --------- - Le cytosquelette actine est le 2ème élément de cytosquelette trouvé dans une cellule. - La **molécule d'actine** est en **très grande concentration** dans la cellule ce qui rend possible une **polymérisation spontanée**, c'est pourquoi ces filaments ne convergent **pas** vers un **centre organisateur unique**. - Ce cytosquelette se construit grâce à la protéine **d'actine** : - **Monomère asymétrique** - Molécules d'actine aussi capables de s'assembler pour **former un brin d'actine** - Deux extrémités différentes + et -- par convention - Dans la cellule, on trouve **des filaments d'actine,** composés de **2 brins d'actine** enroulés l'un autour de l'autre. - La protéine d'actine libre est très abondante dans la cellule **(5%)** et c'est même une des protéines les plus abondantes dans la cellule. - Elle est présente **majoritairement en périphérie** de la cellule. Dynamique --------- ### Polymérisation et dépolymérisation - Comme pour la tubuline, la polymérisation et la dépolymérisation d'un filament d'actine se passent toujours aux **extrémités de celui-ci** - Le cytosquelette actine est très **dynamique** également et chaque filament peut en permanence soit s'allonger soit se raccourcir. - L'actine libre se présente avec un **groupement ATP** (pas GTP comme pour microtubule) - Peu après sa polymérisation, **l'ATP sera hydrolysée en ADP** - Les filaments en croissance possèdent une **coiffe actine-ATP stabilisatrice** (Vdep plus lente que Vpol). - Les filaments en décroissance, dont la coiffe n'est pas renouvelée possède une **actine-ADP** à leur extrémité (dépolymérisation très rapide). - **C'est donc le même principe que pour la tubuline qui engendre une instabilité dynamique** **Différence ATP et pas GTP + des deux côtés** ### Protéines associées  - Comme pour les microtubules, il existe des protéines associées : - **À l'actine libre (thymosine) **: qui limitent la polymérisation - **Aux filaments d'actine : ** - **Site de nucléation membranaire** (dirige la création des filaments) - **Stabilisation** (limite polymérisation) - **Organisation des filaments** (différents réseaux selon le type cellulaire) ### L'effet des drogues  - Des drogues peuvent aussi influencer l'équilibre polymérisation/dépolymérisation du filament d'actine : - **Latrunculine **: se lie à l'actine libre ce qui **inhibe la polymérisation**. Cela induit le désassemblage des filaments. -\> éponge - **Phalloïdine** : se lie aux filaments ce qui **inhibe la dépolymérisation**. Cela stabilise les filaments qui s'accumulent. -\> champignon - Les drogues perturbent le cytosquelette actine ce qui engendrent une destruction des reins et du foie. *NB : Contrairement aux drogues agissant sur la tubuline, elles **ne sont pas utilisées comme médicaments.*** Forme et mouvements cellulaires  -------------------------------- ### Actine corticale : forme, mobilité, phagocytose  - pour garder une forme constante de la cell - **Les microvillosités** sont des structures stables formées par des filaments d'actine. - Leur rôle est d'**augmenter la surface de la cellule** (membrane) pour **augmenter la surface d'échange** avec la lumière de l'intestin par exemple. - Elles sont composées de **filaments d'actines** (stables) rangés côte à côte qui n'ont pas de centre organisateur. - Le cytosquelette actine permet également la **motilité (faculté du mvt)** des cellules. - La polymérisation et dépolymérisation (changement de forme continu de la membrane) permettent aussi le déplacement des cellules (ex : neutrophiles) qui peuvent alors ramper dans notre organisme. **Le changement de forme de la cellule est dû au réseau cortical.** - **Allongement de l'avant et arrière rapetissir** ##### Phagocytose - **La phagocytose** est le processus par lequel les cellules eucaryotes ingèrent des grosses particules (\>1 micromètre). - Ce processus met en jeu le **cytosquelette actine.** - En effet, l'endocytose n'est pas possible avec une bactérie de 1 micron qui ne tient pas dans une vésicule. Elle est donc est mangée par phagocytose : la cellule **change de forme** (déformation de la surface) et **englobe la bactérie.** - Les cellules phagocytiques sont des cellules spécialisées : - **Amibes** (environnement) - **Neutrophiles et macrophages** (corps humain) *NB : [déf cytose] = Transfert de matériel entre une cellule et le milieu extracellulaire et inversement, par fusion ou bourgeonnement de membranes. Ex : endocytose, exocytose, phagocytose, pinocytose, potocytose, transcytose.* ### Association à des protéines motrices  ##### Myosine I et transport intracellulaire  - **Myosine I **: Protéine motrice à 2 domaines associés à l'actine - domaine globulaire : lie l'actine - extension : lie un élément dans la cellule (ex : vésicule) ###### Fonction - Elle se déplace le long de l'actine **du -- au +,** grâce à un cycle d'attachement et de détachement de la myosine I. - La myosine I associée à une molécule d'ADP, vient se lier à un filament actine. La tête de la myosine I bascule, ce qui est à la base du déplacement (comme un ressort). - Puis l'ADP est échangé contre l'ATP ce qui permet le détachement de la tête de myosine I du filament d'actine. Enfin l'hydrolyse de l'ATP en ADP permet de recommencer un cycle car elle retrouve son état initial. - Dans une cellule, il y a des amas de myosine I qui permettent un déplacement vers l'extrémité +. Plusieurs myosines s'attachent simultanément à la vésicule. **-\> donc besoin de plusieurs** ##### Myosine II et structures contractiles  - La myosine II est un **dimère** qui a une plus grande extension. - Plusieurs dimères de **myosine II** peuvent s'associer entre eux et former un gros filament de myosine II (toutes les têtes sont en périphérie). - Ces deux filaments s'associent ensuite tête-bêche. - Ce gros filament symétrique se lie à deux filaments d'actine, ce qui forme une **structure contractile**. Les **têtes de myosine** se déplacent le long des filaments dans les sens opposés. - La molécule de myosine II ne bouge pas car les forces de traction opposées sont égales. Ce sont donc **les filaments d'actine qui coulissent sur la myosine II.** La fibre se contracte, ce qui engendre un mouvement. - Cela permet à la cellule de changer de former, de se contracter. *NB : Ces deux processus combinés permettent d'effectuer la contraction musculaire.* Les filaments intermédiaires** ** ================================= **Le cytosquelette « mobile »** vu jusqu'à présent n'est pas vraiment similaire à des os. L'équivalent des os (résistants à la force mécanique) sont les **filaments intermédiaires**. Structure --------- - Les filaments intermédiaires n'ont **pas de point de convergence** dans la cellule mais **s'attachent** **à la membrane. Ils sont ancrés** au niveau des **desmosomes et hémidesmosomes.** ### Les familles de filaments intermédiaires - Des familles entières de protéines forment les filaments intermédiaires : - **Kératines** : trouvées dans l'épithélium (dans le cytosol) - **Vimentines-like** : tissu conjonctif, musculaire (dans le cytosol) - **Neurofilaments** : cellules nerveuses (dans le cytosol) - **Lamine nucléaires **: dans le noyau - Une structure est commune à tous ces filaments intermédiaires : - **Monomère** **protéique** : tête **N**-terminale + **domaine central** + queue **C**-terminale - Les monomères s'assemblent en **dimère stable **: super-enroulement des domaines centraux (hélice alpha). Le dimère a une polarité - Assemblage de 2 dimères pour former des **tétramères d'orientation inverse. Perte de la polarité (extrémités identiques)** - **Association côte à côté de 8 tétramères = 1 filament** Fonction -------- - Leur fonction est de **résister à la contrainte**. - Si on prend les différents éléments du cytosquelette et qu'on les soumet à une contrainte physique, la résistance observée est la suivante: - Microtubules se déforme vite et se casse - Actine casse relativement vite -\> un peu de résistance - Les **filaments intermédiaires** **cytoplasmiques** résistent très bien aux contraintes mécaniques. Leur propriété est donc la résistance à la déformation car ils ne se cassent pas. - Ils sont très stables et **ancrés au niveau des jonctions intercellulaires** (desmosomes) ce qui confère une résistance aux contraintes mécanique entre les cellules. - La stabilité des cellules résulte également de la connexion solide que les filaments créent **entre les cellules**. Deux catégories (filaments intermédiaires cytoplasmiques et des lamines nucléaires) ----------------------------------------------------------------------------------- - **Il y a des filaments intermédiaires cytoplasmiques et les lamines nucléaires.** - **Les lamines nucléaires assurent la bonne structure du noyau.** - Leur association est régulée par leur **phosphorylation/déphosphorylation.** - Sous forme **phosphorylée**, les lamines nucléaires sont **instables** et peuvent donc être **dépolymérisées**. - Cette propriété permet de désassembler et de réassembler ces filaments intermédiaires à chaque **division cellulaire**. - Elles dictent l'**organisation du noyau** quant à sa forme, sa taille, sa résistance mécanique et la régulation de l'expression des gènes. - Les lamines nucléaires sont attachées à **l'émerine** (protéine transmembranaire) qui se trouve sur la membrane interne nucléaire. Elles vont également interagir avec la **chromatine**. - [Maladie] : La dystrophie musculaire de **Emery-Dreifuss** : atteinte des muscles squelettiques et cardiaques. Cette maladie touche la fonction des lamines nucléaires car une **mutation** peut **les altérer** directement ou alors **affecter** **l'emerine**.