Biologie Cellulaire - Cours (PDF)

TUTORAT LAS 2024/2025 Université Paris Cité MODULE 2.2 Biologie Cellulaire FICHE DE COURS n°1 🦠 Chapitre : La cellule Il...

TUTORAT LAS 2024/2025 Université Paris Cité MODULE 2.2 Biologie Cellulaire FICHE DE COURS n°1 🦠 Chapitre : La cellule Il s’agit d’une fiche récapitulative non exhaustive des notions essentielles concernant vos cours. Cela ne remplace pas les capsules et vos notes se rapportant aux explications des professeurs. Nous vous invitons à assister aux créneaux hebdomadaires, parfois organisés par l’équipe de professeurs ou par l’A2SUP. N’hésitez pas à consulter régulièrement la catégorie L.AS des Outils Pédagogiques du site internet A2SUP pour avoir accès aux dernières fiches pour les L.AS !  Partie 1 : Les cellules procaryotes VS eucaryotes Ce cours est une introduction aux cours suivants. Il fait l’objet de constituants cellulaires qui feront l’objet de cours dédiés. Les objectifs de ce cours : Qu’est-ce qu’une cellule ? Quelle est la composition et fonction principale des différents constituants cellulaires ? I. Introduction A. Définition du vivant, classification des êtres vivants Un organisme vivant est défini par son autonomie (sa capacité à se construire, en produisant la matière qui le constitue, et donc à se renouveler), ainsi que par sa capacité à se reproduire, à transmettre la vie (ainsi, les minéraux ne font pas partie du vivant !). Le monde du vivant peut être classé par des critères morphologiques ou génétiques, c’est ce que l’on appelle la phylogénie : la science qui cherche des liens de parenté entre différents organismes. Ainsi, les organismes vivants se répartissent en trois domaines : Eux-mêmes sont subdivisés en 6 Règnes : Ces règnes sont eux-mêmes divisés en Embranchement, puis en Classe, en Ordre, en Famille, en Genre, et enfin en Espèce. Ainsi, l’Homme est une espèce du règne animal (les métazoaires) 3  B. La cellule Ainsi, la cellule étant l’unité de base de tout organisme vivant, elle est capable d’autonomie et de reproduction. Toute cellule est délimitée par une membrane plasmique (contenant) qui contient un cytoplasme (contenu). Il existe deux types de cellules, les cellules procaryotes et les cellules eucaryotes. II. Cellules de type procaryote / eucaryote Cellule Procaryote : Cellule Eucaryote : en Microscopie Electronique (ME) Ces cellules sont différentes par leur taille et par leur composition et leur organisation. Par définition, la cellule eucaryote possède un véritable noyau délimité par deux membranes (interne et externe). Une cellule procaryote est dépourvue de noyau. Ainsi, les procaryotes sont des organismes unicellulaires (composés d’une seule cellule), dont font partie les bactéries et les archées. Les procaryotes ne possèdent pas non plus d’organites, ni de cytosquelette. Leur génome, constitué d’ADN double brin se situe dans le cytoplasme. Les eucaryotes quant à eux regroupent des organismes unicellulaires (les protistes) et pluricellulaires (végétaux, champignons, animaux). Les cellules eucaryotes sont dotées d’un noyau qui renferme leur génome (ADN double brin), d’autres organites et d’un cytosquelette. La paroi, autour de la membrane plasmique, n’est que facultative, puisque présente uniquement chez certaines cellules pro- ou eucaryotes. III. Constituants cellulaires communs A. Membrane plasmique Elle représente la frontière de la vie et délimite la cellule. La membrane plasmique est constituée majoritairement de lipides (essentiellement de type phospholipides) qui sont organisés en bicouche chez les eucaryotes et procaryotes : 4 La membrane plasmique est également constituée de protéines (qui peuvent être des récepteurs, transporteurs ou encore des enzymes), ainsi que de glucides. En plus de la délimitation de la cellule et du maintien de la composition et de la pression osmotique interne, la membrane plasmique permet la perméabilité sélective. Le transport de molécules (via les protéines de transport), la captation des signaux externes ainsi que la communication inter cellules (via les récepteurs protéiques) et les réactions métaboliques (via les enzymes) sont également permis par cette membrane plasmique. B. La paroi Concernant les procaryotes, la paroi est présente chez les bactéries et chez certaines archées. On pourra alors la colorer via le processus de coloration de Gram. En fonction de la couleur de la paroi après coloration (violet ou rose), on pourra tirer les premières informations concernant l’efficacité ou non de certains antibiotiques à utiliser en cas d’infection bactérienne. A propos des eucaryotes, on ne retrouve de paroi que chez les végétaux, les champignons et certains protistes (pas chez les animaux). C. Cytoplasme Il y a une distinction à faire entre le cytoplasme et le cytosol : Cytoplasme : c’est le contenu cellulaire, tout ce qui se trouve dans la cellule. Le cytoplasme est délimité par la membrane plasmique. Cytosol (ou hyaloplasme) : c’est le contenu liquide de la cellule. Il est constitué majoritairement d’eau et de protéines solubles. C’est le cytoplasme dépourvu des différents organites et du cytosquelette. Cytoplasme = Cytosol + Organites + Cytosquelette Chez les cellules procaryotes, le cytosol est figé, on observe une absence de flux. Chez les eucaryotes en revanche, le cytosquelette permet au cytosol d’acquérir une certaine fluidité. 5  D. Génome Le génome est l’information génétique nécessaire à la vie et au fonctionnement de la cellule. Ce génome est constitué d’ADN double brin. Il est sous forme de nucléoïde, c’est-à-dire associé à des protéines, chez les bactéries, et sous forme de chromatine (l’ADN est alors associé à des histones) chez les archées et chez les eucaryotes. Chez les procaryotes (bactéries et archées), le génome se trouve dans le cytosol, on dit qu’il est cytosolique. Il est également constitué d’une molécule circulaire appelée «chromosome » qui est unique : on parle d’organisme haploïde. Chez les eucaryotes, le génome est contenu dans le noyau des cellules. Il est sous forme de molécule linéaire aussi appelée chromosome mais en nombre variable selon l’organisme. Ainsi, l’Homme est diploïde, il possède deux copies de chaque chromosome soit 22 paires d’autosomes (chromosomes non sexuels) et une paire de chromosomes sexuels. A noter que si la majorité du génome des bactéries est codant, chez les eucaryotes, seuls quelques portions du génome codent pour des protéines. L’ADN des archées et des eucaryotes est divisé en introns (parties non codantes du génome, les introns ne donnent pas de protéines) et en exons (parties codantes du génome, desquels proviennent les protéines). Ceci permet une meilleure régulation dans la production de protéines et une certaine diversité protéique, puisque tous les exons ne seront pas tous traduit en protéine au même moment. 1. Autres caractéristiques communes a. Expression de gènes Un gène est une séquence d’ADN constitutive d’un message génétique. Les gènes permettent la production d’une molécule fonctionnelle (protéines ou bien ARN non codant comme les ARN ribosomiques ou encore les ARNt dits « de transfert »). Les gènes sont transcrits en ARN, notamment en ARNm (ARN messagers), qui seront alors traduits en protéines (les protéines portent la fonction d’un gène) : Quel que soit l’organisme, l’information génétique est portée par le génome, et l’expression des gènes passe par ces processus universels que sont la transcription et la traduction. 6 Chez les organismes pluricellulaires, le génome est identique pour toutes les cellules de l’organisme, mais son expression est différente et dépend de l’état de fonctionnement et de différenciation de la cellule. C’est-à-dire que toutes les cellules possèdent de quoi synthétiser toutes les protéines présentes dans l’organisme, mais le génome de chaque cellule est régulé afin de ne produire que les protéines intéressantes dans la cellule donnée. Par exemple : les cellules de la peau synthétisent de la kératine, ce que ne font pas les cellules du pancréas. De même, les cellules pancréatiques produisent de l’insuline, ce que ne font pas les cellules de la peau. Cependant, les gènes codant pour la kératine et pour l’insuline sont bien présents dans les deux types de cellules. Les processus de transcription et de traduction peuvent être concomitants chez les procaryotes, dû à l’absence de compartiment dans la cellule (l’ADN baigne dans le cytosol). En revanche chez les eucaryotes, l’ADN étant localisé dans le noyau, la transcription est exclusivement nucléaire (se fait dans le noyau uniquement) et la traduction se déroule dans le cytosol ou dans le réticulum endoplasmique rugueux (REG). b. Métabolisme énergétique Pour fonctionner, une cellule a besoin d’énergie : quel que soit l’organisme vivant, l’énergie utilisée est la même, il s’agit de l’ATP (adénosine triphosphate). L’ATP est le carburant consommé lors de certaines réactions métaboliques, lors du transport actif de molécules à travers les membranes biologiques ainsi que dans le travail mécanique (mouvement de la cellule ou encore contraction musculaire chez les métazoaires). Tout être vivant est capable de générer cet ATP en dégradant du glucose par un mécanisme universel appelé la glycolyse. Le glucose est dans un premier temps dégradé en pyruvate. Aura lieu par la suite la fermentation de ce pyruvate (en absence d’oxygène) ou bien une dégradation complète du pyruvate en CO2 au cours de la respiration cellulaire (ou phosphorylation oxydative). Ce phénomène s’opère en un milieu qui comprend de l’oxygène (dit aérobie) et qui est à l’origine de la production de beaucoup d’ATP. 7  IV. Cycle cellulaire Une cellule est capable de se reproduire et de transmettre la vie, c’est le cycle cellulaire. Chez les organismes pluricellulaires, on distingue deux types de cellules : Les cellules germinales : elles permettent la formation des gamètes (ovules et spermatozoïdes) chez les animaux (ou de spores chez les levures, végétaux, champignons…) grâce à la méiose. Avec une cellule germinale, la méiose nous permet d’obtenir 4 gamètes (cellules uniques avec réduction de moitié du nombre de chromosomes). Les cellules somatiques : elles peuvent se multiplier par mitose, en partant d’une cellule mère, on obtient deux cellules filles identiques. V. Constituants spécifiques des eucaryotes A. Organites Les organites sont des compartiments intracellulaires séparés du cytosol par une membrane. Selon l’organite, la membrane peut être simple ou double (2 bicouches de phospholipides. Les différents organites présents dans les cellules eucaryotes sont résumés dans le tableau ci-dessous : Noyau : il est délimité par deux membranes, constituant l’enveloppe nucléaire. Cette enveloppe est criblée de pores, permettant des échanges entre le noyau et le cytosol. Le noyau renferme le génome de la cellule, il est le siège de la réplication (synthèse d’ADN qui précède la mitose et la méiose) et de la transcription (synthèse d’ARN à partir d’ADN). 8 Remarques : - Les globules rouges ne possèdent pas de noyau - Il n’y a pas de synthèse protéique dans le noyau Mitochondries : ces organites sont de l’ordre du millier dans une cellule. Les mitochondries sont bordées de 2 membranes et sont pourvues de molécules d’ADN circulaires dites « génome mitochondrial ». C’est le lieu de la respiration cellulaire avec consommation d’oxygène et production d’ATP. Les mitochondries sont également impliquées dans un processus de mort cellulaire programmée appelée apoptose. Remarque : les globules rouges ne possèdent pas de mitochondries. Péroxysomes : ce sont de petits organites délimités par une seule membrane. Ils contiennent des enzymes impliquées dans la détoxification, des réactions d’oxydation… Ces péroxysomes synthétisent également des phospholipides. Remarque : particulièrement importants dans les cellules hépatiques (cellules du foie) et rénales (cellules du rein). Système endomembranaire : c’est un réseau de structures membranaires interconnectées. Ce réseau est constitué du REG (réticulum endoplasmique rugueux), de l’appareil de golgi et de vésicules de sécrétion. - Le réticulum endoplasmique est constitué de saccules et de tubules délimités par une membrane dans le prolongement de la membrane externe du noyau. Le réticulum endoplasmique peut être lisse (REL) ou rugueux/granuleux (RER/REG) s’il est associé à des ribosomes. Le REL est le lieu de synthèse des lipides. Le REG est le lieu de synthèse (traduction de l’ARN) et de maturation des protéines membranaires et des protéines de sécrétion. - L’appareil de Golgi (et ses vésicules de sécrétion) : il permet la maturation, le tri et le transport de protéines et lipides de sécrétion ou destinés aux autres compartiments cellulaires. Il est formé de replis de membrane fermée et de vésicules. 9  - Les endosomes : ce sont de petites vésicules issues de l’invagination de la membrane plasmique. Ils permettent la captation de matériel extracellulaire et son transport intracellulaire. Ce phénomène d’endocytose participe à la nutrition et à la défense de la cellule. - Les lysosomes : ce sont des petits organites au contenu acide et pourvu d’enzymes, ils englobent et dégradent des macromolécules. Ce sont les « éboueurs » de la cellule. B. Cytosquelette C’est le « squelette » de la cellule, en remaniement constant, il donne sa forme et sa structure à la cellule et participe à son organisation, sa résistance, son adhésion… Il lui permet également de se déplacer (mouvements cellulaires lors du processus de cicatrisation par exemple). Il est constitué d’un réseau d’éléments protéiques fibreux. 10  Partie 2 : Tissus et cellules chez les métazoaires Quelles sont les compositions et fonctions des différents tissus métazoaires ? I. Introduction (métazoaires, cellules, tissus) Cette deuxième partie parlera précisément des métazoaires (animaux) et des tissus qui les composent. Les métazoaires étant des organismes pluricellulaires, les cellules (eucaryotes chez les animaux et dépourvues de paroi, avec des organites) doivent être coordonnées afin d’apporter une cohérence à l’organisme. Ces organismes sont dits « hétérotrophes », c’est-à-dire qu’ils ne peuvent pas synthétiser par eux-mêmes les substances organiques dont ils se nourrissent (à la différence des végétaux, qui eux, sont autotrophes). De plus, les animaux passent par une reproduction sexuée avec formation de gamètes par les processus de méiose. Chez les métazoaires, on distingue deux types de cellules : Les cellules germinales : ce sont les cellules sources de gamètes, elles sont nécessaires à la reproduction sexuée (elles sont ainsi responsables de l’hérédité générationnelle). Les cellules somatiques : elles constituent les tissus et sont donc capables de différenciation. Ce sont elles qui auront une fonction propre. L’organisation est la suivante : Cellules => Tissus => Organes => Organisme pluricellulaire II. Les tissus (métazoaires) Le tissu est une entité histologique et fonctionnelle composée de cellules d’un ou de plusieurs types. Les tissus sont formés de cellules qui se ressemblent et qui ont la même fonction (filtrage de l’air au niveau des poumons, absorption des nutriments au niveau de l’intestin…). Les tissus sont aussi constitués d’une matrice extracellulaire (la MEC). Cette matière remplit l’espace entre les cellules des tissus lorsque ces dernières ne sont pas en contact direct. La MEC renforce, soutient et protège le tissu. A. Épithéliums Le tissu épithélial, ou épithélium, est composé d’une ou de plusieurs couches de cellules dites « épithéliales ». On retrouve ce tissu au niveau de la couche externe de la peau, l’épiderme, ainsi qu’au niveau des organes, des glandes et des muqueuses. 11 On parle ainsi d’épithélium de revêtement et d’épithélium glandulaire. C’est un tissu en perpétuel renouvellement (par mitoses). L’épithélium repose sur une lame basale. Elle est soutenue et nourrie par le tissu conjonctif sous-jacent (car le tissu épithélial en lui-même n’est pas vascularisé). Les cellules épithéliales sont jointives et maintenues collées les unes aux autres grâce à différents types de jonctions cellulaires telles que des desmosomes, des jonctions serrées (tight junctions) ou encore des jonctions communicantes (gap junctions). Elles forment ainsi une interface entre l’intérieur de l’organisme et le milieu externe. L’épiderme forme une barrière physique entre le monde extérieur et notre corps. L’endothélium forme une barrière avec la lumière des capillaires (les cellules endothéliales sont des cellules épithéliales spécialisées, elles constituent la couche la plus interne (au contact du sang de la paroi vasculaire). Les cellules épithéliales sont polarisées : - Pôle apical : c’est la face extérieure, la face que l’on peut apercevoir dans la lumière, à la surface du tissu. Le pôle apical a souvent une spécificité de fonction, car il est en contact avec les éléments qui se trouvent la lumière (air, nutriments, mucus…), il peut donc participer à l’absorption, à la sécrétion ou encore à la formation d’une barrière. - Pôle basal : c’est la face interne, celle qui 12  est le plus à l’intérieur du corps, elle fait face au tissu conjonctif (elle repose sur la lame basale), de ce fait cette face constitue un filtre sélectif. On distingue deux types d’épithélium : - L’épithélium de revêtement : constitué de cellules jointives, il permet la formation d’une barrière physique au niveau des surfaces externes (épiderme) ou des surfaces internes, au niveau des cavités (endothélium). L’épithélium de revêtement permet plus ou moins d’échanges avec l’extérieur et plus ou moins de sécrétion/absorption. - L’épithélium glandulaire : constitué de cellules épithéliales isolées ou en amas (glandes). La fonction de l’épithélium glandulaire est la synthèse, le stockage et sécrétion de substances (mucus, enzymes, bile, lait…). Par exemple, thyroïde, glande mammaire ou glande gastrique. B. Tissus conjonctifs Le tissu conjonctif (TC) est constitué de la matrice extracellulaire ainsi de cellules isolées (elles ne sont plus jointives, mais bien espacées, dispersées dans la matrice). Le tissu conjonctif est le tissu le plus abondant dans l’organisme. Il s’intercale entre les organes pour soutenir, protéger et nourrir les tissus. La lame basale est l’interface entre le tissu conjonctif et l’épithélium, elle laisse passer les terminaisons nerveuses mais pas les vaisseaux sanguins, c’est pourquoi les épithéliums ne sont pas vascularisés. Ainsi, la basale (= lame basale) joue le rôle de filtre sélectif vis-à-vis des nutriments, gaz et autres substances apportées par le tissu conjonctif. La matrice extracellulaire est composée de la substance fondamentale (eau, glycosaminoglycanes, protéoglycanes, glycoprotéines, protéoglycanes…) et de certaines protéines fibreuses (fibres de collagènes et fibres élastiques). La matrice remplit l’espace entre les cellules du tissu conjonctif, elle est là pour renforcer, soutenir et protéger le tissu. Présentes en faible quantité, les cellules du tissu conjonctif ne sont pas jointives (à l’exception des adipocytes). On trouve donc des fibroblastes, qui sont les producteurs de la majorité des composants de la matrice, ils interviennent dans la réparation des tissus lésés. On trouve également des adipocytes, qui forment nos graisses et constituent nos réserves énergétiques, ainsi que des cellules immunitaires. 13 Les différents types (et les fonctions qui en découlent) de tissus conjonctifs : - Tissu conjonctif lâche : il présente une matrice souple, riche en collagène et en élastine, elle soutient les épithéliums, les nourrit, les répare et est le siège des défenses immunitaires. - Tissu conjonctif dense : os, cartilage, tendons, ligaments…. Ces tissus sont riches en éléments fibreux et contiennent peu de cellules. Ils sont particulièrement résistants. - Tissus conjonctifs spécialisés : * Élastique : dans la paroi des artères près du cœur (notamment l’aorte), pour résister à la pression systolique * Réticulé : dans le foie, les reins, les organes hématopoïétiques et lymphoïdes * Adipeux : tissus graisseux C. Tissus musculaires Constitué de cellules contractiles (les myocytes) et de filaments spécifiques (myofilaments d’actine et de myosine, filaments intermédiaires de desmine), ce tissu permet la contraction des cellules et donc, le mouvement. Les myocytes sont des cellules myopithéliales (glandes), des myofibroblastes et des péricytes (autours des capillaires et veinules). Il existe trois types de muscles dans le corps : D. Tissu nerveux Le tissu nerveux permet la réception, le traitement et la transmission de l’information, c’est-à-dire de signaux électriques et chimiques (ces signaux sont responsables des sensations et des mouvements de notre corps). Les cellules du tissu nerveux sont les neurones (les cellules qui envoient et conduisent les signaux) et les cellules gliales (des cellules qui permettent le bon fonctionnement des neurones en les soutenant, les nourrissant et les protégeant). 14 On distingue le système nerveux central (cerveau, moelle épinière) qui intègre l’information et le système nerveux périphérique (ganglions, nerfs) qui achemine l’information. Les neurones (= cellule nerveuse) sont des cellules polarisées : ○ Dendrites : elles réceptionnent l’information initiale ○ Corps cellulaire : ils traitent et intègrent l’information ○ Axone : il conduit l’information sous forme d’influx nerveux ○ Synapses : elles transmettent l’information sous forme chimique à d’autre neurones Les neurones sont des cellules extrêmement différenciées et ne peuvent donc que très peu se diviser, ils sont peu renouvelables. Les cellules gliales (= cellules névrogliques) : elles soutiennent, protègent et nourrissent les neurones. E. « Tissu » sanguin Le sang est un tissu fluide, il transporte les éléments nutritifs nécessaires aux cellules de notre organisme, les déchets rejetés par les cellules vers les appareils excréteurs et enfin les gaz véhiculés par les hématies. Le sang est constitué d’un liquide : le plasma (54% du tissu sanguin), il apporte la fluidité au sang et transporte les éléments nutritifs (les hormones, les protéines sériques…) vers les autres tissus. En suspension dans ce plasma, on trouve les plaquettes (= thrombocytes) et les cellules sanguines. Parmi les cellules sanguines on trouve les globules rouges (= érythrocytes ou hématies), représentant 45% du tissu : ce sont des cellules anucléées (dépourvues de noyau), constituées essentiellement d’hémoglobine. L’hémoglobine permet le transport des gaz (O2 et CO2). On trouve également des globules blancs (lymphocytes, monocytes, polynucléaires) qui servent à la défense immunitaire de notre système. 15 En biologie on distingue deux types de prélèvement sanguins : le plasma et le sérum, qui sont de composition proche mais qui, selon ce que l’on souhaite réaliser, sont adaptés ou non : Le plasma : c’est la partie dépourvue de cellules du tissu sanguin que l’on récupère après centrifugation d’un prélèvement sanguin en présence d’anticoagulant. Le sérum : c’est la partie liquide récupérée après coagulation du sang et centrifugation. Sa composition est proche de celle du plasma mais suite à la coagulation, certains éléments sont altérés (le glucose est consommé et le potassium est libéré). 16 Voilà un tableau récapitulatif des tissus abordés dans ce cours : 17  TUTORAT LAS 2024/2025 Université Paris Cité MODULE 2.2 Biologie Cellulaire FICHE DE COURS n°2 🦠 Chapitre : La membrane plasmique Il s’agit d’une fiche récapitulative non exhaustive des notions essentielles concernant vos cours. Cela ne remplace pas les capsules et vos notes se rapportant aux explications des professeurs. Nous vous invitons à assister aux créneaux hebdomadaires, parfois organisés par l’équipe de professeurs ou par l’A2SUP. N’hésitez pas à consulter régulièrement la catégorie L.AS des Outils Pédagogiques du site internet A2SUP pour avoir accès aux dernières fiches pour les L.AS ! Une cellule est constituée de diverses membranes biologiques : une membrane plasmique, qui délimite la cellule, ainsi que les membranes qui entourent les organites intracellulaires (noyau, RE, Golgi, etc.). Ces membranes servent à délimiter des compartiments à fonction spécifique au sein de la cellule. La membrane plasmique sépare le milieu extracellulaire (hors de la cellule) du milieu intracellulaire (dans la cellule). Le cours d’aujourd’hui porte sur la membrane PLASMIQUE. Les infos ne sont pas forcément valables pour les autres membranes !!! Introduction : structure et fonctions de la membrane plasmique La membrane plasmique est constituée d’une bicouche de lipides stable qui sépare deux milieux liquidiens le milieu extracellulaire en dehors de la cellule et au cytosol dans la cellule. Des protéines sont insérées dans cette bicouche (récepteurs, transporteurs, enzymes, molécules d’adhérence). Cette bicouche est asymétrique (molécules différentes de chaque côté de la membrane) et de composition chimique non homogène (molécules réparties dans des zones précises de la membrane). Enfin, la membrane plasmique est en continuité transitoire avec le système endomembranaire, notamment à travers l’échange de vésicules de transport, qui fusionneront avec la membrane plasmique. I. Composition de la membrane plasmique La membrane plasmique est constituée : - 30-50% : lipides (cholestérol, phospholipides) - 20- 70% : de protéines membranaires - 10% : des glucides (sucre) A noter que la quantité de protéines est très variable entre les types cellulaires, et dépend des fonctions spécifiques de la cellule. Les lipides sont bien plus abondants que les protéines : 50 molécules de lipide pour chaque molécule protéique. Néanmoins, le poids moléculaire (PM, poids d’une molécule) des lipides est bien 3 plus faible ; c’est pourquoi les protéines ont une forte influence sur le poids de la membrane. Les pourcentages sont exprimés en poids sec qui correspond au poids de la membrane déshydratée. Les lipides sont des molécules amphiphiles, c’est-à- dire présentant une extrémité polaire (hydrophile) et une extrémité apolaire (hydrophobe). On distingue plusieurs types de lipides au sein de la membrane. Selon le type de cellule, les proportions de chaque type de lipides diffèrent. A. Les lipides Les glycérophospholipides (= phosphoglycérides), dérivés du glycérol, sont les lipides les plus abondants, représentant 40 à 60% des lipides membranaires. Ils sont construits de la manière suivante : Une partie hydrophile, orientée vers l’extérieur de la membrane, est constituée : - d’un glycérol - d’un dérivé alcool lié par un acide phosphorique (on ajoute alors "phosphatidyl" devant le nom du dérivé alcool. Par exemple : choline → phosphatidylcholine), qui peut-être de charge neutre (phosphatidyléthanolamine et phosphatidylcholine) ou chargée négativement (phosphatidylsérine). La partie hydrophobe est constituée de deux longues chaînes d’acides gras orientées vers l’intérieur de la membrane. Ces lipides sont capables de former spontanément une bicouche lipidique dans un milieu aqueux, de par leur nature amphiphile. Cet auto-assemblage est en effet la forme la plus stable possible pour ces molécules et est permis par des interactions énergétiques. Ainsi, les parties hydrophobes des phospholipides, non solubles dans l’eau, s’agrègent entre elles pour s’abriter de l’eau. A l’inverse, les parties hydrophiles s’exposent à l’eau. Cet auto-assemblement va former une bicouche capable d’auto-fermeture ce qui entraîne la formation d’un compartiment. La charpente des membranes biologiques est ainsi créée. D’autres molécules vont pouvoir s’y insérer. 4  B. Lipides dérivés de la sphingosine : sphingophospholipides et sphingoglycolipides Ils sont tous deux composés d’une céramide : sphingosine + acide gras. Sphingophospholipide = céramide + alcool aminé + acide phosphorique Un sphingophospholipide notable est la sphingomyéline, dont l’alcool aminé est la choline. Elle intervient notamment dans la composition de la gaine de myéline de l’axone des neurones. Sphingoglycolipide = céramide + mono/oligosaccharides Ils sont importants dans la communication intercellulaire et dans la transmission du signal. Il en existe 3 variantes : - Gangliosides : céramide + oses + acide sialique - Cérébrosides : céramide + oses - Sulfatides : céramide + oses sulfatés C. Le cholestérol Le cholestérol est un lipide stéroïde, qui s’insère dans les membranes. Le cholestérol représente 25% des lipides membranaires. - sa partie hydrophobe est constituée de cycles stéroïdiens et d’une chaîne d’acides gras. - sa partie hydrophile correspond à sa tête hydroxyle Le cholestérol joue un rôle dans le maintien de la fluidité et de la perméabilité de la membrane en s’insérant dans la membrane plasmique, entre les phospholipides. L’augmentation de la quantité de cholestérol dans la membrane empêche les chaînes de bouger par encombrement → membrane moins fluide et moins perméable. 5  D. Association à la membrane plasmique La membrane plasmique contient divers types de protéines qui s’associent à la membrane de différentes façons. On distingue : - Les protéines intégrales : transmembranaires - Les protéines s’associant par une hélice α amphipathique (= amphiphile), en épingle à cheveux - Les protéines périphériques cytosoliques ou extracellulaires (c’est-à-dire les protéines liées indirectement à la membrane, par le biais d’une autre protéine par exemple) - Les protéines ancrées par un ou plusieurs acides gras, comme le GPI On peut sous-classer nos protéines en fonction de leur structure moléculaire. On distingue : - Sans ou avec hélice(s) α ou feuillets β anti-parallèles - Transmembranaires ou non - Si transmembranaire : à un seul ou plusieurs domaines transmembranaires - Orientation spécifique dans la membrane : dans le plan ou perpendiculaire à la membrane. E. Les protéines Les protéines remplissent diverses fonctions qui dépendent : - de leur mode d’association à la membrane - de leur localisation membranaire Protéines transmembranaires Elles présentent un domaine extracellulaire et un domaine intracellulaire ce qui leur permet de fonctionner des deux côtés de la membrane : -Transporteur : passage de molécules de part et d’autre de la membrane -Récepteur : transmission d’un signal de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule. Une molécule ligand vient se fixer sur le récepteur ce qui entraîne l’activation ou l’inhibition d’une voie de signalisation. -Molécule d’adhérence: interaction entre les cellules ou entre la cellule et la matrice extracellulaire, pour permettre une organisation des tissus. -Enzyme : catalyse des réactions chimiques intracellulaires. 6  Protéines associées à la face cytosolique Elles fonctionnent uniquement du côté cytosolique. Il s’agit principalement des petites protéines G, qui participent aux voies de transmission des signaux. Ex : après fixation d’un ligand sur son récepteur, le récepteur transmet un signal à une petite protéine G qui s’active et transmet l’information à un effecteur. Il s’agit également des protéines kinases, capables de phosphoryler des protéines pour les activer. Elles participent aussi à la transmission des signaux. Protéines associées à la face externe Elles fonctionnent uniquement du côté extracellulaire. Il s’agit souvent de protéines d’adhérences, comme par exemple les protéines glycanes extracellulaires. Protéines associées à une autre protéine membranaire Elles ne fonctionnent que sur une face et sont soit cytosolique soit extracellulaire. - Clathrine (cytosolique) : nécessaire au transport vésiculaire - Laminine (extracellulaire) : protéine de la matrice extracellulaire F. Les glucides On les retrouve sous forme de chaînes d’oligosaccharides (plusieurs monosaccharides) hétérogènes (différents sucres se lient ensemble). Ils s’associent à la membrane plasmique en se liant à des protéines (on parle de glycoprotéines), mais aussi grâce à des lipides (glycolipides) par glycosylation (environ 5% des lipides sont glycosylés). Ils ne sont JAMAIS orientés vers le cytoplasme !!! Ils seront donc toujours sur le versant extracellulaire de la membrane plasmique. Le glycocalyx désigne l’ensemble des glucides formant le manteau extracellulaire. II. Architecture de la membrane : Asymétrie et Mouvements La membrane plasmique est asymétrique : sa composition lipidique et protéique de chacun des deux feuillets est différente. On y retrouve alors des éléments caractéristiques. Ce n’est pas une structure figée : les molécules sont ordonnées et se déplacent sans arrêt les unes par rapport aux autres. Le modèle de la mosaïque fluide décrivant la membrane plasmique présente ses propriétés de dynamisme et de fluidité. Les molécules sont toutes organisées les unes par rapport aux autres mais elles sont sans arrêt en train de bouger les unes par rapport aux autres. La fluidité de la bicouche dépend de 3 facteurs : - La température : ↑ Température → accélération des mouvements 7  - La quantité de cholestérol : le cholestérol augmente la rigidité - La nature des phospholipides Chaque molécule lipidique (pas les protéines !) peut diffuser librement dans la membrane ; on parle de mouvement continuel des constituants. Il existe 3 types de mouvements spontanés pour les lipides : A. Mouvements des lipides Pour avoir lieu, le flip-flop nécessite des protéines enzymatiques spécialisées dans le transport des phospholipides, qui seront différentes selon le type de phospholipide. B. Mouvements des protéines Seuls 2 types de mouvements sont possibles pour les protéines : la diffusion latérale (limitée de par la taille des protéines) et la rotation sur place (! pas de flip-flop !). De plus, les mouvements des protéines membranaires sont limités, car elles sont souvent liées à autres chose : - Liaison au cytosquelette (ancrage) via d’autres protéines cytosoliques - Liaison avec la matrice extracellulaire c’est-à-dire avec les molécules d’adhérence de type SAM (Substrate Adhesion Molecules) Ex : Interaction avec la lame basale (correspond à la matrice extracellulaire) sur laquelle repose des cellules épithéliales et musculaires. - Liaison entre protéines de même type pour former des domaines fonctionnels spécifiques - Liaison entre protéines portées par deux cellules voisine 8  Ex : CAM (Cell Adhesion Molécules) : protéines d’adhésion cellulaire Jonctions serrées Exemple de la cellule épithéliale : Au niveau de la membrane basale, les protéines sont limitées dans leur mouvement par interaction avec la matrice extracellulaire. Au niveau latéral, interaction des protéines CAM et présence de jonctions serrées. Au niveau apical, présence de domaines fonctionnels. Conclusion de partie Les rôles majeurs de la membrane plasmique sont : La compartimentation : séparation du milieu intérieur et extérieur Établissement d’une barrière relativement imperméable et à perméabilité sélective : le passage des molécules est possible au travers de canaux et de transporteurs spécifiques. Communication intercellulaire (transmission de l’information) par l’intermédiaire de signaux chimiques d’une ou plusieurs cellules sources à une ou plusieurs cellules cibles ⇨ Nécessite des récepteurs ⇨C’est la transduction du signal Communication intercellulaire par adhérence des cellules entre elles (et à la matrice extracellulaire) ⇨Transduction mécano-chimique Mouvement cellulaire via le cytosquelette et la membrane plasmique ⇨pseudopodes (excroissance nécessaire au mouvement de la cellule), endo- et exocytose Transports de molécules au travers de la membrane ⇨endocytose, exocytose : nécessitent des mouvements membranaires ⇨transporteurs et pompes : sans mouvement membranaire III. Transport sans mouvement de la membrane plasmique Au niveau cellulaire, deux types de transport s’exercent : - Le transport sans mouvement de la membrane plasmique 9  - Le transport nécessitant des mouvements membranaires, correspondant aux phénomènes d’endocytose-exocytose et sera détaillé dans un prochain cours. Le transport sans mouvement de la membrane est un transport à l’échelle moléculaire, permettant le passage au travers de la membrane de petites molécules (ions, gaz, micromolécules). Ce transport peut être passif ou actif et peut se réaliser par simple diffusion ou impliquer des protéines de transport (actives ou passives) membranaires. Notion de perméabilité sélective (ou relative) : La perméabilité sélective (ou relative) est le phénomène par lequel différents éléments peuvent traverser plus ou moins facilement la membrane selon leurs propriétés chimiques, sans solliciter de protéines de transport. Le cœur de la bicouche lipidique est hydrophobe → les molécules hydrophobes traversent plus facilement la membrane, tout comme les petites molécules. Bien que la membrane soit peu ou pas perméable à certaines molécules (ions, grosses et petites molécules polaires non chargées), celles-ci peuvent toutefois être transportées via des protéines de transport. On distingue deux types de transport selon leur utilisation de l’énergie : Le transport passif C’est un transport de molécules selon leur gradient concentration, qui ne nécessite donc pas d’énergie. En effet, une molécule a tendance à migrer selon son gradient de concentration, c’est-à-dire du milieu dans lequel elle est le plus concentrée vers le milieu le moins concentré. Pour traverser la membrane, la molécule peut utiliser : - Aucune protéine : elle traverse directement la membrane (donc il faut que la membrane y soit perméable). On parle de diffusion simple. - Des transporteurs ou des canaux, qui facilitent sa diffusion. On parle de diffusion facilitée, via des protéines de transport membranaire. Le transport actif Le transport actif s’effectue contre le gradient de concentration. Il n’est donc pas spontané et nécessite un apport d’énergie. Il utilise toujours des protéines de transport membranaire. 10 IV. Protéines de transport membranaire Ces protéines de transport sont spécifiques d’une ou plusieurs molécules. Des transporteurs = perméases. Ce sont des protéines auxquelles se fixe le soluté, ce qui change la conformation du transporteur, déplaçant en même temps le soluté dans le sens de son gradient électrochimique. On dit que ces transporteurs sont saturables, car si la concentration en soluté est grande, le soluté ne peut plus être transporté puisqu’il “n’y aura plus de place” sur les transporteurs pour se fixer. Il existe des transporteurs de glucose, d’acides aminés,... Ce type de transport peut être actif ou passif, par transport facilité. Des canaux = pores protéiques, ils ne changent pas de conformation et sont toujours ouverts. Ils sont non saturables par le soluté transporté (même si toutes les molécules ne passent pas en même temps, leur passage est rapide donc “la place se libère tellement vite” que la diffusion ne s’arrête pas, même si la concentration de soluté est importante). Ce type de transport est toujours passif. 11  A. Transport passif avec protéine de transport sans consommation d’énergie Les canaux régulent le flux de molécules par ouverture / fermeture qui dépend du gradient électrochimique, et sont très sélectifs. On distingue 2 types de canaux en fonction de la nature du stimulus entraînant l’ouverture et/ou la fermeture des canaux : - Canaux ioniques voltage-dépendants (=potentiel dépendants) -> l’ouverture est due à une modification du potentiel de membrane. Ex : Le sodium (NA+) et le calcium (Ca2+) rentrent dans la cellule car leur concentration extracellulaire est plus importante que leur concentration intracellulaire, et inversement pour le potassium (K+). - Canaux ioniques ligand-dépendants -> l’ouverture est due à la fixation de ligands du côté intra ou extra cellulaire. Ex : la protéine G. B. Transport passif avec transporteur par changement de conformation Les molécules telles que les acides aminés ou le glucose entrent et sortent de la cellule via des transporteurs. Enfin, les aquaporines sont des protéines transmembranaires omniprésentes dans l’organisme qui transportent sélectivement l’eau, de manière passive. a) L’exemple du glucose : GLUT Le transport passif du glucose est fait par les GLUT, qui favorisent l’entrée du glucose dans la cellule. Il y a fixation du glucose sur le transporteur qui change ensuite de conformation et libère le glucose dans le cytosol en suivant le gradient de concentration. Ces transporteurs sont donc hypoglycémiants : ils diminuent la concentration de glucose dans le sang. Voici le mécanisme : 1) Fixation du glucose 2) Transport du glucose par changement de conformation de GLUT -> Transport selon le gradient de concentration. b) Caractéristiques Dans le cadre du transport passif avec transporteurs, le nombre de transporteurs peut varier très rapidement, ce qui entraîne une modification de la perméabilité de la membrane à certaines substances. Lorsqu’il y a beaucoup de transporteurs pour une substance donnée, la membrane y est très perméable mais lorsqu’il y en a peu, la membrane est peu perméable. Par exemple, l’insuline, qui est une hormone hypoglycémiante, augmente le nombre de transporteurs de glucose GLUT4. Cela diminue la concentration sanguine de glucose. 12 Le transport actif est un transport s’effectuant contre le gradient de concentration ; il n’est donc pas spontané et nécessite un apport d’énergie. Ce transport : - est saturable par le substrat transporté - produit un gradient de concentration - dépend de l’énergie On distingue deux types de transport actif selon le type d’énergie fournie : primaire et secondaire. C. Transport actif a) Transport actif primaire = direct Ce transport fait appel à des protéines transmembranaires qui utilisent l’énergie fournie par l’hydrolyse de l’ATP : les pompes ATPases et les transporteurs ABC (ATP Binding Cassette). Les pompes ATPases (de type P spécifiques à la membrane plasmique) sont des enzymes transmembranaires qui sont phosphorylées lors de l’hydrolyse d’un seul ATP. Les transporteurs ABC “ATP-Binding Cassette” sont des protéines transmembranaires ayant une activité enzymatique. Ils permettent de transporter des petites molécules (Acides aminés, glucose). L’exemple de la pompe Na+/K+ ATPase : La concentration de K+ est 10 à 30 fois supérieure à l’intérieur des cellules que dans le milieu extracellulaire et inversement pour le Na+. Ainsi, le gradient chimique encourage le transport vers l’extérieur du K+ et vers l’intérieur du Na+. La pompe Na+/K+ ATPase fait l’inverse : elle fixe 3 ions Na+ depuis l’intérieur de la cellule et est phosphorylée au niveau cytoplasmique (grâce à l’ATP), ce qui entraîne un changement de conformation pour libérer le sodium du côté extracellulaire. La pompe fixe ensuite 2 ions K+ qu’elle fait entrer dans la cellule en changeant à nouveau de conformation et est déphosphorylée. Elle reprend enfin sa conformation initiale. 13 Ce transport entraîne un courant électrique qui participe au potentiel de membrane. En effet, on fait sortir 3 charges + et on fait entrer 2 charges + donc au total, on fait sortir une charge positive ; il y a bien création d’un potentiel de membrane. b) Transport actif secondaire = couplé Le transport actif secondaire utilise le transport actif primaire qui a créé un gradient de concentration pour permettre le passage d’une autre molécule. L’énergie fournie par la différence de potentiel électrochimique permet donc ce transport. Les protéines impliquées dans le transport actif secondaire sont les symports (= cotransporteurs) et les antiports (= échangeurs). Les symports font traverser deux molécules différentes dans le même sens; l’une traversant dans le sens de son gradient et l’autre contre son gradient électrochimique. Si on reprend l’exemple de la pompe Na+/K+ ATPase, lorsque le sodium est sorti, il va avoir tendance à vouloir rentrer dans la cellule grâce à la différence de potentiel électrochimique. Il emprunte alors le symport dépendant du sodium et emporte avec lui le glucose. Les antiports font traverser deux molécules différentes en sens contraire ; l’une traversant dans le sens de son gradient et l’autre contre son gradient électrochimique. Les échangeurs de la membrane plasmique contrôlent le pH cytosolique. Les antiports sont dits électro neutres s’ils transportent la même charge électrique dans les deux sens. Le transport actif permet aux cellules de conserver un milieu intérieur différent du milieu extérieur. Ainsi, la pompe NA+/K+ ATPase induit le transport actif des ions au travers de la membrane plasmique, ce qui entraîne la création d’un gradient de concentration des ions. Elle participe donc à la création d’un potentiel de membrane d’environ -70mV. Le nombre de charges électriques négatives et supérieures dans le cytosol. On peut résumer cette partie sur les transports sans mouvements à travers ce tableau : 14 15  TUTORAT LAS 2024/2025 Université Paris Cité MODULE 2.2 Biologie Cellulaire FICHE DE COURS n°3 🦠 Chapitre : Signalisation 1 Il s’agit d’une fiche récapitulative non exhaustive des notions essentielles concernant vos cours. Cela ne remplace pas les capsules et vos notes se rapportant aux explications des professeurs. Nous vous invitons à assister aux créneaux hebdomadaires, parfois organisés par l’équipe de professeurs ou par l’A2SUP. N’hésitez pas à consulter régulièrement la catégorie L.AS des Outils Pédagogiques du site internet A2SUP pour avoir accès aux dernières fiches pour les L.AS ! Chez les organismes pluricellulaires, il y a nécessité pour les cellules de communiquer entre elles. La communication implique : Un messager Un récepteur Une interprétation du message, et les effets du message I. Principes de la transmission cellulaire, types de signalisation La communication intercellulaire est nécessaire au sein de notre système multicellulaire pour assurer un bon fonctionnement de l’organisme et une bonne adaptation aux variations quotidiennes pouvant perturber l’équilibre du milieu. Tout au long de la vie, les cellules des organismes pluricellulaires communiquent, permettant : Le développement embryonnaire L’homéostasie (Il s’agit de la capacité à réguler automatiquement les fonctions physiologiques et biochimiques dans une fourchette de valeurs compatibles avec la survie) La réparation L’immunité Le système nerveux A. LES ACTEURS DE LA SIGNALISATION CELLULAIRE Quel que soit le type de communication mis en place, nous retrouvons les mêmes acteurs : Des cellules émettrices : elles synthétisent et sécrètent le second messager Le messager / médiateur : c’est la molécule signalant à une distance plus ou moins grande. Il peut être soluble ou insoluble. Des cellules cibles possédant un récepteur protéique : ce récepteur reconnaîtra alors le messager. La liaison entre le récepteur et le ligand (= le messager) induit une transduction du signal, c’est-à-dire une réaction cellulaire. 3  B. LES DIFFÉRENTS TYPES DE COMMUNICATION 1) Les signaux à courte distance (sans sécrétion) a) Diffusion dans une jonction cytoplasmique : Le messager diffuse de la cellule émettrice vers la cellule cible sans sortir dans le milieu extracellulaire. Ce passage se fait via des jonctions cytoplasmiques (gap junctions ou jonctions lacunaires), qui sont des protéines formant des pores. Il s'agit donc d'une diffusion intracellulaire passive (sans dépense d’énergie). b) Contact cellulaire : Le messager sur la membrane plasmique de la cellule émettrice se lie au récepteur qui se trouve sur la membrane de la cellule cible. La liaison ligand-récepteur induit la transduction du signal 2) La signalisation à courte distance Le messager est sécrété par la cellule émettrice dans l’environnement extracellulaire. a) Signalisation autocrine : Agit sur la cellule de signalisation : le messager va se lier à un récepteur présent sur la membrane de la cellule émettrice elle-même. Exemple : les facteurs de croissance, les cytokines (médiateurs de l’immunité). b) Signalisation paracrine : Le messager se lie à un récepteur présent à la membrane de cellules cibles présentes dans l’environnement très proche de la cellule émettrice. Dispersion moyenne du médiateur 4  selon une diffusion passive car il est local. Concentration faible en médiateur. Exemple : Les facteurs de croissance 3) La signalisation neuronale/synaptique Un neurone est constitué d’un corps cellulaire (appelé soma) et de prolongements, notamment l'axone, qui correspond à sa partie excrétrice. Les messagers (= neurotransmetteurs) sont produits au niveau du soma puis ils cheminent dans l’axone avant d’être libérés dans la synapse (= espace entre l'extrémité de l'axone et la cellule cible). Les neurotransmetteurs sont à haute concentration (> 10-4 M) On a une faible dispersion du messager => même si le soma est à distance de la cellule cible, la distance entre l'élément présynaptique (extrémité de l'axone) et l'élément post-synaptique (cellule cible) est faible. Les neurotransmetteurs agissent rapidement (en quelques ms) Exemple : Acétylcholine 4) Signalisation à grande distance : signaux endocrines Le messager (= hormone), est sécrété par la cellule émettrice dans la circulation sanguine, on a donc une grande dispersion. Les cellules cibles sont généralement éloignées. Concentration faible de messager ( Le dimère s’associe à un HRE de l’ADN et cela permet une régulation de la transcription d’ARNm. IV. Récepteurs membranaires couplés à un canal ionique Dans les parties A et B, nous décrirons l’exemple du récepteur nicotinique A. STRUCTURE Le récepteur nicotinique est une protéine transmembranaire composée de 5 sous- unités : 𝛼, 𝛽, 𝛿, 𝛼, 𝛾. Chaque sous-unité est composée de 4 domaines transmembranaires. L’acétylcholine peut se lier avec les 2 sous-unités 𝑎. B. FONCTIONNEMENT En absence de toute stimulation, le récepteur est inactif. Le canal est fermé. Lorsque l’acétylcholine se fixe au récepteur nicotinique, il permet l’ouverture du canal. Il y a alors une entrée de sodium dans la cellule mais aussi une sortie de potassium. Les flux d'ions vont modifier le potentiel électrique de la membrane plasmique et induire un signal électrique. Quand le signal est saturé, on observe une dégradation du ligand (acétylcholine), donc la fermeture du canal. 13  C. UNE CIBLE THERAPEUTIQUE Les canaux ioniques sont des cibles thérapeutiques. Exemple : le récepteur au GABA Remarque : le GABA (Acide 𝛾-amino butyrique) est un neurotransmetteur inhibiteur. Le récepteur GABA permet l’entrée de chlore dans le cytoplasme Il est composé de 4 sous-unités, ayant des ligands différents : o 𝛼 : liaison au GABA o 𝛽 : liaison aux benzodiazépines o 2 𝛾 : liaison aux barbituriques Les benzodiazépines sont des anxiolytiques (tranquillisants) o Ils augmentent l’affinité des récepteurs GABA pour le GABA o Et diminuent alors l’excitabilité neuronale Certaines benzodiazépines ont un effet à plus long terme, ayant des effets hypnotiques et sont donc utilisés comme des somnifères D. CONCLUSION Les ligands peuvent être de natures chimiques différentes (gaz, acide aminé, peptide, polypeptides, protéine et lipide). La fonctionnalité de la cellule dépend de l’activation des récepteurs. Il existe une spécificité́ de réponse qui dépend du type de récepteur qu’un même ligand va stimuler. L’activité transcriptionnelle des récepteurs nucléaires (RN) va être activée par l’association avec son ligand dans le cytoplasme, ce qui va induire un changement de conformation permettant la translocation nucléaire du récepteur. L'activation des récepteurs couplés aux canaux ioniques par leur ligand permet le changement de la polarisation membranaire et induire un signal électrique 14  TUTORAT LAS 2024/2025 Université Paris Cité MODULE 2.2 Biologie Cellulaire FICHE DE COURS n°4 🦠 Chapitre : Signalisation 2 Il s’agit d’une fiche récapitulative non exhaustive des notions essentielles concernant vos cours. Cela ne remplace pas les capsules et vos notes se rapportant aux explications des professeurs. Nous vous invitons à assister aux créneaux hebdomadaires, parfois organisés par l’équipe de professeurs ou par l’A2SUP. N’hésitez pas à consulter régulièrement la catégorie L.AS des Outils Pédagogiques du site internet A2SUP pour avoir accès aux dernières fiches pour les L.AS !  I. Transduction par second messager A. LE PRINCIPE On parle de transduction par second messager quand l’interaction ligand-récepteur va déclencher l’activation d’un nouveau messager en intracellulaire. Le passage par ce nouvel intermédiaire permet une amplification de la stimulation. Il y a une cascade de signalisation. Les seconds messagers sont de petites molécules de signalisation intracellulaire en réponse à un signal extracellulaire (ligand, premier messager). Elles peuvent être synthétisées par une protéine cible enzymatique ou libérées par une source intracellulaire. Dans tous les cas, il y aura une amplification du signal. Les seconds messagers peuvent être: de petites molécules : GMPc, AMPc, inositol-triphosphate (IP3), Ca2+... des lipides comme le diacylglycérol (DAG). B. PRINCIPE DU COMMUTATEUR Un commutateur moléculaire est une protéine de signalisation intracellulaire qui existe sous deux états : inactif ou actif. Mécanisme de commutation 1. Situation initiale : état inactif 2. Signal entrant provoque l’activation du commutateur 3. 2ème signal intrinsèque qui provoque l’inactivation du commutateur (retour à la situation initiale). Il en existe deux types : Signalisation par protéine liant le GTP -> protéine G Signalisation par phosphorylation (avec utilisation d'ATP) 3 Signalisation par protéine liant le GTP : Dans cette signalisation, on va avoir l’activation de la protéine par l’échange d’un GDP en GTP. Et l’inactivation de la protéine par l’hydrolyse du GTP en GDP. II. Récepteurs membranaires couplés à une protéine G Le médiateur provient du milieu extracellulaire et se fixe au récepteur lié à une protéine G. La protéine G (liée à la membrane) va ensuite se lier à une autre protéine : la protéine cible (rebelote cette protéine sera couplée à des canaux (signal électrique) ou à des enzymes) ce qui va aboutir à la production d’un second messager. En résumé: 1. Fixation du médiateur (provenant du milieu extracellulaire) sur le récepteur lié à une protéine G (RCPG) 2. Liaison de la protéine G (liée à la membrane) à une protéine cible (couplée à des canaux ou à des enzymes) 3. Production d’un second messager A. STRUCTURE DU RÉCEPTEUR ET DE LA PROTÉINE G Pour la structure du récepteur : Protéine avec 7 domaines transmembranaires Un site de liaison extracellulaire pour le ligand Un site de liaison intracellulaire pour la protéine G Pour la structure de la protéine G hétéro-trimérique : 3 sous-unités protéiques : alpha, bêta, gamma Complexe bêta-gamma : un dimère 4  B. ACTIVATION DE LA PROTÉINE G Étape 1 : Le récepteur n’est pas encore stimulé et la sous-unité α de la protéine G est associée au GDP. Donc le récepteur et la protéine G sont inactifs. Étape 2 : Activation du récepteur par liaison avec le ligand. Il y a un changement de conformation. La protéine G s’associe au récepteur. Cela active la protéine G par échange de son GDP avec du GTP. Etape 3 : Cette activation de la protéine G sépare le complexe bêta-gamma (activé) de la sous-unité alpha (activée). C. ACTIVATION DE LA PROTÉINE CIBLE (EFFECTEUR) L’activation de la protéine cible suit un schéma semblable pour chaque voie de signalisation (il y a seulement les molécules qui changent entre chaque cas de figure) : Etape 4 : Activation de la protéine cible via la sous-unité α de la protéine G. Etape 5 : Inactivation de la protéine G par hydrolyse de son GTP en GDP. Ainsi, la protéine cible et la sous-unité α se dissocient et il y a réassociation du complexe β-ϒ et de la sous- unité α. D. TYPE DE PROTÉINE CIBLE (EFFECTEUR) 1) Canaux ioniques (rappel : ce sont des protéines transmembranaires) Les ions passent par le canal; cela induit un signal électrique, modification immédiate du potentiel de membrane (réponse rapide ++). Ce sont des récepteurs métabotropes (qui vont être activés via une cascade de signalisation) ≠ des récepteurs ionotropes (qui sont activés par des ions). 2) Enzymes membranaires Il y a une production de molécules de signalisation intracellulaire (aka nos 2nds messagers) suite à l’activation de cette enzyme. À noter : il existe deux types majeurs d'enzymes membranaires associées à leur second messager : Adénylate cyclase → 2nd messager : AMP cyclique 5  Phospholipase C → 2nds messagers : Inositol triphosphate (IP3) et Diacylglycérol (DAG) E. LES SOUS-TYPE EN RELATION AVEC LA PROTÉINE CIBLE Les protéines G peuvent donc posséder des structures et spécificités variées. Chaque protéine G possède une enzyme cible sur laquelle elle va pouvoir agir : La Protéine Gq active la phospholipase C, La Protéine Gs (s pour stimulatrice) active l’adénylate cyclase, La Protéine Gi (i pour inhibitrice) inhibe l’adénylate cyclase, La Protéine Gt (t pour transducine) active la GMPc phosphodiestérase, La Protéine GO agit sur les canaux potassiques (K+). Protéine G et enzymes membranaires: 1) Phospholipase C (= PLC) : La phospholipase C est activée par la protéine Gq. Elle subit un clivage de PIP2 (un lipide de la membrane plasmique) en seconds messagers : Inositol-triphosphate (IP3, qui est un messager cytosolique), Diacylglycérol (DAG, qui est membranaire). La cascade entraînera : La liaison de IP3 aux canaux Ca2+ du réticulum endoplasmique et libérera du Ca2+. Ce calcium libéré va être capable d’activer la calmoduline K (est une kinase calcium- dépendante) L’activation de la protéine kinase C par la DAG et le Ca 2+. 2) L’adénylate cyclase : L'adénylate cyclase est activée par la protéine Gs, par liaison à sa sous-unité alpha. Cette enzyme permet la synthèse d'un second messager : l'AMPc. Il agira sur la protéine kinase PKA qui phosphorylera des protéines régulatrices de la transcription de gènes dans le noyau. 6 Remarque : 1 molécule (ligand) → des centaines de protéines Gs activées → un même nombre d’adénylate cyclases → des milliers d’AMPc synthétisés (on a une amplification du signal via les seconds messagers). L’adénylate cyclase et l’implication clinique : L’adénylate cyclase peut être activée par l’adrénaline via des récepteurs β-adrénergiques. Cette activation va agir sur: le cœur (accélération cardiaque) les muscles (dégradation du glycogène qui est la forme de stockage du glucose → augmentation du glucose dans le sang) la graisse (dégradation de triacylglycérol). Le Choléra : Exemple d’une pathologie impliquant le système Protéine G/AMPc Le choléra est dû à la bactérie vibrio cholerae, qui se situe et se transmet par l’eau et l’alimentation contaminées. La bactérie entraîne une infection intestinale qui empêche l’hydrolyse du GTP en GDP. → Conséquences : la signalisation est activée en permanence, la sous-unité alpha est dissociée du complexe bêta-gamma et liée à l’adénylate cyclase, ce qui entraîne une augmentation de la synthèse d’AMPc qui donne lieu à: - un déséquilibre ionique - des diarrhées - une déshydratation. Le choléra se traite par hydratation et des antibiotiques s'il y a une haute sévérité. III. Récepteurs membranaires couplés à une enzyme La signalisation se fait par l’intermédiaire d’une réaction catalytique. Le médiateur extracellulaire se fixe sur le récepteur, ce qui active son activité enzymatique intracellulaire. Il s’agira le plus souvent de kinases, qui auront pour fonction de phosphoryler d’autres protéines pour enclencher la cascade de signalisation. A. PRINCIPE La réaction enzymatique est réalisée par le récepteur qui agit comme une enzyme ou qui forme un complexe avec une enzyme intracellulaire. Il existe 4 classes de récepteurs couplés à une enzyme : 7  À activité tyrosine kinase → Phosphorylation de tyrosines. C'est le cas des récepteurs dont le médiateur est un facteur de croissance. Associés à une sérine / thréonine kinase → Phosphorylation de sérines ou de thréonines. Associés à une phosphatase → Déphosphorylation (enlève un phosphate). À activité guanylate cyclase → Production de GMPc. De façon générale, il s’agit de médiateurs locaux de faible concentration, avec une action lente (calculable en heures) et qui vont induire des modifications géniques. Ces médiateurs sont impliqués dans la croissance, prolifération, différenciation et survie cellulaire. (Dans ce cours, nous allons uniquement nous intéresser au récepteur à activité kinase). Exemple d’un commutateur à ATP : La phosphorylation de la protéine permet généralement son activation, et sa déphosphorylation par une phosphatase permet son inactivation. Le phosphate ajouté à la protéine provient de l’hydrolyse de l’ATP. Attention : la phosphorylation n’est pas forcément synonyme d’activation et inversement pour déphosphorylation et inactivation ! Cela va dépendre de la protéine que vous étudiez. B. STRUCTURE Le récepteur est une protéine monomérique avec un seul domaine transmembranaire. Il possède donc deux extrémités : un site de liaison extracellulaire (NH2) pour le ligand et un site intracellulaire (COOH) catalytique. 8  C. CASCADE ENZYMATIQUE 1) La liaison du ligand entraîne l'homodimérisation du récepteur (association de 2 molécules de récepteur) → le récepteur est encore inactif. 2) Phosphorylation des tyrosines qui activent les sous-unités catalytiques du récepteur dimérisé. 3) Le récepteur va induire une cascade de phosphorylation de kinases. 4) À la fin, on aura une modulation de protéines régulatrices de gènes ou régulatrices d'autres protéines. D. L’EXEMPLE DE L’EGF 1) Liaison d'EGF (facteur de croissance épidermique) à son récepteur, qui va se dimériser. 2) Autophosphorylation des tyrosines du récepteur. 3) Recrutement de l'adaptateur Grb2. 4) Liaison de Grb2 à Sos. 5) Sos active Ras par échange de GDP par du GTP. Ras est une petite protéine G monomérique. 6) Ras induit sa dissociation avec Sos. 7) Ras va déclencher une cascade de phosphorylation : Protéine kinase I : Raf (sérine/threonine kinase) Protéine kinase II : Mek Protéine kinase III : Map kinases ➔ La réponse se manifeste par une modification dans l’activité des protéines cibles et dans l’expression des gènes. EGF, Ras et cancer : Application thérapeutique : 9 Dans certains cancers, le gène Ras est souvent muté. Ainsi, on observe une hyperactivité de Ras en absence d’EGF, ce qui entraîne une prolifération incontrôlée. Le but thérapeutique est donc de diminuer l’activité de Ras. Différentes méthodes : Inhibition de la maturation du ligand. Blocage des récepteurs (utilisation d’anticorps bloquants). Inhibition des sites tyrosine kinase (et donc inhibition de l’activation du récepteur). Inhibition de l’ancrage membranaire de Ras (inhibe ainsi son activation car l’échange du GDP en GTP n’est plus possible). Activation de l’activité GTPasique (ce qui entraîne une inactivation de Ras). IV. Désensibilisation Les voies de signalisation rencontrent par moment des problèmes, il est donc important d’avoir un mécanisme d’adaptation de la cellule pour éviter de gros dommages. On verra ici deux mécanismes d’adaptation : Le contrôle de la quantité de ligand (s’il y en a trop, elle sera régulée par endocytose ou dégradation par des enzymes comme l’acétylcholinestérase, qui dégrade l’acétylcholine en acétate et en choline), Le contrôle de la quantité fonctionnelle de récepteurs : o Une synthèse de récepteurs (ou recyclage à la membrane) si la quantité n’est pas suffisante → régulation positive (up régulation). o Une diminution du nombre de récepteurs (down régulation) par endocytose : ce mode de régulation est irréversible et permet de stocker les récepteurs dans la cellule pour les réadresser vers la membrane ultérieurement (recyclage) ou de les dégrader. o Une désensibilisation par inactivation réversible temporaire des récepteurs = diminution de l’amplification notamment par inhibition du récepteur après stimulation. La désensibilisation peut être: - homologue (agit seulement sur le récepteur stimulé) - hétérologue (agit sur plusieurs récepteurs de la cellule (stimulés ou non) en entraînant l'inhibition de plusieurs molécules. 10 11 V. Schéma bilan 12  TUTORAT LAS 2024/2025 Université Paris Cité MODULE 2.2 Biologie Cellulaire FICHE DE COURS n°5 🦠 Chapitre : Le Cytosquelette Il s’agit d’une fiche récapitulative non exhaustive des notions essentielles concernant vos cours. Cela ne remplace pas les capsules et vos notes se rapportant aux explications des professeurs. Nous vous invitons à assister aux créneaux hebdomadaires, parfois organisés par l’équipe de professeurs ou par l’A2SUP. N’hésitez pas à consulter régulièrement la catégorie L.AS des Outils Pédagogiques du site internet A2SUP pour avoir accès aux dernières fiches pour les L.AS !  Fiche n°5 : Le Cytosquelette I. Définition du cytosquelette Le cytosquelette (CS) est un ensemble de polymères peptidiques avec différentes fonctions : Fonctions cellulaires : prolifération, différenciation, migration, activité… Donner une structure (« squelette ») et une mobilité (« moto ») à la cellule («cyto» ) (d’où le cyto-moto-squelette) Donner une structure aux tissus Réguler le trafic et les flux moléculaires intracellulaires pour permettre les mouvements biologiques Le CS est un ensemble de protéines intracellulaires qui régulent la structure, la mobilité et l’activité de la cellule. Les protéines associées au CS forment différents filaments : les filaments intermédiaires, microfilaments d’actine et microtubules. Ces protéines ont une structure commune : ce sont des monomères ; soit globulaires (actine, tubuline), soit fibreux (filaments intermédiaires). Ils se polymérisent ensuite en polymères fibreux : Microfilaments d’actine (∅ 8 nm) Filaments intermédiaires (∅ 10 nm) Microtubules (∅ 25 nm) Schéma tiré du cours des professeurs Amélie GOUBERT et Martine COHEN-SOLAL sur le cytosquelette Le CS est constamment renouvelé au cours de la vie cellulaire pour s’adapter aux modifications de l’activité de la cellule. Ces polymères instables qui se lient à des organites, à des protéines associées à la membrane plasmique ou du cytoplasme (MAP, protéines G). Une fois liés, ces polymères deviennent stables. 4 II. Les rôles du cytosquelette Structure de la cellule (microvillosités, flagelles) et des organites (microtubules pour le Golgi, lamines pour le noyau) Mobilité de la cellule et des pôles (cil, flagelle) ; de la membrane plasmique (exo/endocytose) ; déplacement des organites des vésicules intracellulaires et migration des chromosomes (cf cours sur le cycle cellulaire) Fonctions de la cellule : régulation de la traduction (transport des ARNm vers le cytoplasme, liaisons des kinases…) et du cycle cellulaire (déformation et reformation des lamines du noyau) Activité mitotique : réorganisation des microtubules pour le fuseau mitotique, individualisation des cellules filles par l’actine, activation des enzymes de la mitose (les kinases) III. Les microfilaments d’actine (FA) Les microfilaments d’actine permettent de donner une structure à la cellule et de réguler les mouvements cellulaires. Ils servent à organiser le CS lors de : la phagocytose l’exo/endocytose la mobilité cellulaire la division cellulaire l’adhérence cellulaire. Ils ont un diamètre de 8 nm. Ils sont composés de protéines globulaires d’actine très abondantes dans la cellule (jusqu’à 15% des protéines totales, ce qui est beaucoup et indique l’importance de l’actine dans le fonctionnement cellulaire). A. ASSEMBLAGE L’actine existe sous 3 formes : α = dans les cellules musculaires β = dans les érythrocytes (= globules rouges) β et γ pour les autres cellules L’actine existe sous forme de monomères G (globulaire) lié à de l’ADP. Il y a un échange de l’ADP en ATP pour former un monomère lié à un ATP. Cela va lui permettre de se polymériser, et former des polymères d’actine F (filament). 5 Schéma tiré du cours des professeurs Amélie GOUBERT et Martine COHEN-SOLAL sur le cytosquelette Ils se dépolymérisent ensuite en monomères G lorsqu’ils ont accompli leur rôle. Cette dépolymérisation passe par l’hydrolyse de l’ATP lié au monomère. Une fois sous la forme actine-ADP, les monomères ne sont plus capables de se polymériser. Dans la cellule, les filaments d’actine oscillent constamment entre la forme polymérisée et la forme dépolymérisée. Le filament d’actine est polarisé et définit des extrémités : l’extrémité barbue dite « en brosse » se polymérise rapidement (pôle +) puis l’extrémité pointue se polymérise plus lentement (pôle - ). La polymérisation de l’actine dépend de la concentration en Ca2+, en ATP et en actine. Sans calcium il n’y a pas d’allongement de l’actine F. La polymérisation/dépolymérisation est également régulée par de nombreuses protéines. B. PROTÉINES ASSOCIÉES À L'ACTINE Les protéines associées à l’actine régulent l’organisation et la fonction des microfilaments d’actine. Elles peuvent : Se lier aux monomères Se mettre au extrémités : protéines de coiffe Fragmenter le FA : protéine de fragmentation Stabiliser les filaments pour éviter la dépolymérisation Se lier aux réseaux d’actine de la cellule pour former un réseaux en 3D et maintenir ainsi la structure de la cellule = réticulation S’associer à la membrane et former des liaisons avec les protéines du CS 1) Protéines de contrôle de la polymérisation/dépolymérisation Thymosine : petite protéine qui se lie aux monomères d’actine-ATP libre, et bloque la polymérisation. Profiline : induit la polymérisation en aidant l’actine à échanger l’ADP contre l’ATP ce qui permet aux monomères d’intégrer la chaîne filamentaire. La profiline couplée à l’ATP est fixée à la membrane plasmique. Elle libère l’actine proche de la membrane et permet la formation d’un filament. 6  2) Protéines de coiffe Elles se lient à une des extrémités du microfilament et régulent la fragmentation des microfilaments. Protéines de Fonctions coiffe En présence de Ca2+ , elle coupe puis reste fixée aux extrémités Gelsoline des microfilaments empêchant ainsi leur repolymérisation. Tropomoduli Coiffe l’actine dans les cellules musculaires et les globules rouges ne grâce à la tropomyosine empêchant ainsi son désassemblage. 3) Protéines contrôlant l’organisation des filaments : − Stabilisation des filaments : ⋅ Tropomyosine : se lie le long des FA et les stabilise ⋅ Nébuline : détermine la longueur des FA dans le muscle strié − Organisation en faisceaux des FA : ⋅ Faisceaux larges : l’α-actinine (à ne pas confondre avec l’actine !!!) se lie aux pôles des faisceaux d’actine. En association avec la myosine II, elle participe à la formation de jonction adhérente, d’anneau contractile ou encore, d’une fibre de tension. ⋅ Faisceaux serrés : la fimbrine et la villine. On les retrouve au niveau de la membrane plasmique où elles génèrent des microsaillies, des sortes d’ondulations, qui augmentent la surface membranaire ⋅ Réseau radiaire, ou étoile : la filamine se met au niveau du croisement des FA organisés en étoile et permet leur stabilisation. On retrouve cette structure principalement sous la membrane plasmique. Pour chaque type d’organisation, il existe plusieurs isoformes, plusieurs « versions » des protéines qui ont donc une fonction redondante (=la même fonction). Cela évite les anomalies de fonction de l’actine et donc certaines maladies. 4) Protéines contrôlant le déplacement des vésicules et la contraction des filaments Comme pour les MT, il existe des vésicules qui cheminent le long des filaments d’actine. Les moteurs qui permettent de transporter les vésicules sont les myosines. Myosine : protéine ± longue qui a une tête globulaire à activité ATPasique (capable d’hydrolyser l’ATP) qui se fixe sur l’actine. 7 Il en existe 2 types : − Myosine I : protéine possédant 1 queue courte et 1 tête. C’est la tête qui vient se fixer sur les microfilaments d’actine tandis que la queue reçoit le chargement (vésicule, organite…). Cette myosine I chemine le long du FA vers les deux extrémités. − Myosine II : elle possède 1 queue longue et 2 têtes. Plusieurs myosines II sont rapprochées et assemblées par phosphorylation têtes bèches. De plus, leurs têtes globulaires sont accrochées aux filaments d’actine. Le fait qu’il y ai ce rapprochement permet le glissement des filaments et donc la contraction du muscle. Schéma tiré du cours des professeurs Amélie GOUBERT et Martine COHEN-SOLAL sur le cytosquelette C. ENDOCYTOSE ET EXOCYTOSE Une autre fonction des FA consiste à assurer l’endocytose et l’exocytose des éléments de la cellule. Schéma tiré du cours des professeurs Amélie GOUBERT et Martine COHEN-SOLAL sur le cytosquelette Endocytose : les filaments d’actine se mettent en rang serrés autour de la molécule qui souhaite rentrer pour pouvoir entraîner une contrainte mécanique et faire une petite poche dans la membrane pour englober la molécule. Une fois que la molécule est englobée, l’actine la propulse dans la cellule et la dirige vers le MT. Schéma tiré du cours des professeurs Amélie GOUBERT et Martine COHEN-SOLAL sur le cytosquelette Exocytose : la vésicule est orientée vers la membrane près du réseau d’actine par les MT, puis l’actine est dégradée par la gelsoline et les membranes fusionnent pour libérer la vésicule. 8 IV. Les filaments intermédiaires (FI) Les filaments intermédiaires composent un réseau fibreux sous-membranaire qui permet à la cellule de se déformer et de résister sous l’effet d’une pression mécanique. Ils sont également le support mécanique de la cellule et permettent le déplacement des organites lors d’un stress mécanique. Leur diamètre est de 10 nm. Schéma tiré du cours des professeurs Amélie GOUBERT et Martine COHEN-SOLAL sur le cytosquelette A. LOCALISATION ET STRUCTURE Les FI sont localisés dans le cortex cellulaire, dans les espaces cytosoliques, périnucléaires et nucléoplasmiques. Les filaments intermédiaires sont des polymères organisés en protofilaments. Ils sont composés de 8 tétramères autour d’un axe central. Un filament intermédiaire est composé de monomères fibreux ayant un domaine central hydrophobe en hélice constante. Il existe deux types d’extrémité : N-terminale ou C-terminale : Deux monomères s’associent en un dimère par un superenroulement. Ils se lient avec les deux extrémités N-ter du même côté. Schéma tiré du cours des professeurs Amélie GOUBERT et Martine COHEN-SOLAL sur le cytosquelette Deux dimères s’associent ensuite de manière opposée en un tétramère (N-ter et C-ter pas du même côté). En s’associant, ils créent un décalage (qui confère au FI leur résistance mécanique). Schéma tiré du cours des professeurs Amélie GOUBERT et Martine COHEN-SOLAL sur le cytosquelette 9  Enfin, les tétramères se disposent les uns après les autres pour former un protofilament. 8 tétramères (protofilaments) s’associent autour d’un axe central. Ces FI ne sont pas polarisés, ne permettant pas de transport directionnel. Schéma tiré du cours des professeurs Amélie GOUBERT et Martine COHEN-SOLAL sur le cytosquelette B. TYPES Types de FI Localisation Lamines Noyau cellulaire Neurofilaments Axones et dendrites (neurones) Constituants des cellules épithéliales. La peau possède un Cytokératine faisceau très dense en FI ancré dans les desmosomes. 2 types de protéines : I acide et II basique − Vimentine (dans fibroblastes, cellules sanguines, Groupe des endothélium, adipocytes, cellules mésoblastiques) vimentines − Desmine (dans les muscles striés) − GFAP (dans les cellules gliales) C. RÔLES DES FILAMENTS INTERMÉDIAIRES Les FI ont pour rôle la résistance mécanique aux forces d’étirement. Si on étire beaucoup une cellule mais que la déformation est faible, la cellule est riche en actine. Au contraire si on l’étire peu, mais que la déformation est importante, on saura que la cellule est riche en microtubule. Les FI, quant à eux, permettent de résister à une grande force d’étirement tout en déformant peu la cellule ce qui assure l’intégrité de cette dernière. Les FI jouent également un rôle dans l’imperméabilité tissulaire. La cytokératine des kératinocytes, par exemple, constitue une barrière en stabilisant l’épithélium cutané. Il y a formation de blocs de cytokératine agrégés par la filaggrine et stabilisés par la BPAG1. Enfin les FI déterminent le calibre des prolongements cellulaires. La GFAP, qui se trouve majoritairement dans les astrocytes, (mais est aussi présente au niveau 10 des neurones) où elle interagit avec les neurofilaments pour déterminer le calibre des prolongements cellulaires. Elle se lie aux FI de façon à maintenir la structure de l’axone et régule la transmission des neurotransmetteurs le long des axones. V. Les microtubules (MT) A. STRUCTURE Les microtubules, de diamètre 25 nm, sont des polymères de protéines servant au transport des molécules à travers la cellule en formant un réseau très dense et structuré pour organiser et orienter les flux intracellulaires (comme des rails de train) et ainsi être régulé. Schéma tiré du cours des professeurs Amélie GOUBERT et Martine COHEN-SOLAL sur le cytosquelette Les MT sont en instabilité dynamique, au fur et à mesure de la vie de la cellule, ils sont polymérisés et dépolymérisés : leurs composants se réarrangent continuellement au cours de la vie cellulaire. Ils forment un réseau pour organiser et orienter les flux moléculaires intracellulaires. Les microtubules sont des constituants majeurs de la cellule. Ils sont composés d’un assemblage de monomères de tubulines α et β qui sont chacun codés par 6 à 8 gènes (ainsi si un des gènes est muté, la protéine reste codée par les autres gènes). Ces gènes possèdent une conservation phylogénétique c'est-à-dire qu’on les retrouve dans différentes espèces. Les tubulines α et β s’assemblent en dimère et ces dimères s’assemblent par polymérisation en protofilament, puis 13 protofilaments s’assemblent en tube creux, appelé microtubule. Schéma tiré du cours des professeurs Amélie GOUBERT et Martine COHEN-SOLAL sur le cytosquelette La polymérisation/dépolymérisation est un processus constant pour allonger ou réduire le MT. Le pôle au centre de la cellule (pôle -) s’allonge plus lentement que le pôle en périphérie du centre de la cellule (pôle +). Les MT sont donc polarisés. 11 Quand les tubulines β sont porteuses d’un GTP, la polymérisation se fait de part et d’autre du protofilament. Lorsque le MT a accompli sa fonction, il hydrolyse donc le GTP et relargue un phosphate. Cela perturbe l’association α et β qui n’est plus strictement linéaire, et donc entraîne le relargage d’un dimère et puis des monomères qui sont associés au GDP. Schéma tiré du cours des professeurs Amélie GOUBERT et Martine COHEN-SOLAL sur le cytosquelette Ces MT génèrent un réseau très dense au sein de la cellule. B. PROTÉINES ASSOCIÉES AUX MICROTUBULES (MAP) Les microtubules servent de support à des protéines MAP (Microtubule Associated Proteins) ayant des rôles distincts : 1) MAP de stabilisation Elles possèdent un motif de liaison à la tubuline, sont thermostables (résiste aux changements de température) , stabilisent les MT et accélère le renouvellement des microtubules. MAP2 des neurones (corps cellulaires et dendrites) : elles permettent de relier 2 MT voisins entre eux, et ainsi donne un axe au MT. Elles solidarisent les enveloppes des organites. Protéine tau des neurones (axones et corps cellulaires) : elle permet d’organiser les MT et de favoriser le transport de vésicules et de lysosomes. On la retrouve dans certaines maladies neurodégénératives notamment dans la maladie d’Alzheimer où elle est abondante et anormalement phosphorylée causant des agrégats de protéines tau ce qui empêche la circulation des vésicules le long des MT et qui crée des amas neurofibrillaires entraînant une dégénérescence neuronale. 12  2) MAP de déstabilisation Stathmine : protéine qui séquestre les dimères de tubuline favorisant la dépolymérisation des MT. MCAK : protéine qui supprime les dimères de tubulines aux extrémités des MT. Katanine : protéine qui rompt les MT en petits fragments (avec la Katanine c’est la cata ^^). Ces fragments se dépolymérisent en dimères pouvant se réassembler. Elle est, par exemple, activée par la cellule lors de la mitose pour permettre la fragmentation et le recyclage des réseaux de MT. 3) MAP motrices Ces protéines sont des ATPases (= elles utilisent l’énergie produite par l’hydrolyse de l’ATP en ADP pour fonctionner) qui permettent de véhiculer les organites et les vésicules le long des MT. Elles agissent comme des petites voitures le long des rails que sont les MT. Ce sont les kinésines et les dynéines. Les kinésines vont du centre vers la périphérie (- vers +) et les dynéines vont de la périphérie vers le centre (+ vers -) → moyen mnémotechnique : je sors du kiné pour rentrer dîner ^^ Elles sont constituées d’hétéropolymères avec 2 chaînes lourdes et au moins une chaîne légère. L’une des chaînes lourdes (2) est libre tandis que l’autre (1) est fixée sur la tubuline β-GTP. La fixation d’ATP et son hydrolyse va donner de l’énergie pour permettre à la chaîne (2) de se fixer à la tubuline β-GTP. Ensuite la libération de l’ADP et du Pi permet à la chaîne (1) de se détacher via un changement de conformation, et enfin de faire tourner la molécule. Ainsi les MAP Motrices vont pouvoir avancer sur le MT. Les microtubules sont reliés au centrosome (= une amorce des MT) près du noyau. Le centrosome est formé de 2 centrioles orientés perpendiculairement. Un centriole est fait de 9 triplets inclinés de MT qui sont liés au centre par des liaisons en rayon de roue (cf. schéma à droite). Le centrosome se duplique en phase G1–S et sert à orienter le fuseau mitotique. C’est le centre organisateur des MT. Schéma tiré du cours des professeurs Amélie GOUBERT et Martine COHEN-SOLAL sur le cytosquelette 13  C. RÔLES DES MICROTUBULES Structure des organites : favorisent leur organisation en adhérant à leur membrane (Golgi en saccules, RE en canalicules) Transport des molécules : permettent le transport de vésicule vers le Golgi, adressent les molécules vers des points précis du cytoplasme et participent à l’exo/endocytose. Déplacement des liquides extra-cellulaires : battements des cils orientent le mouvement des liquides bronchiques ou intestinaux Déplacement de la cellule : la dynéine permet la mobilité du MT, génère des mouvements de flagelle et le déplacement des spermatozoïdes. Imaginez les microtubules comme un réseau de rails qui permettent de transporter des molécules sur des wagons (dynéines ou kinésines), mais ces rails permettent d’aller dans n’importe quelle direction de la cellule et peuvent se construire et se déconstruire. Ces rails servent aussi de squelettes pour les organites. Schéma tiré du cours des professeurs Amélie GOUBERT et Martine COHEN-SOLAL sur le cytosquelette 14  TUTORAT LAS 2024/2025 Université Paris Cité MODULE 2.2 Biologie Cellulaire FICHE DE COURS n°6 🦠 Chapitre : MEC et Intégrines Il s’agit d’une fiche récapitulative non exhaustive des notions essentielles concernant vos cours. Cela ne remplace pas les capsules et vos notes se rapportant aux explications des professeurs. Nous vous invitons à assister aux créneaux hebdomadaires, parfois organisés par l’équipe de professeurs ou par l’A2SUP. N’hésitez pas à consulter régulièrement la catégorie L.AS des Outils Pédagogiques du site internet A2SUP pour avoir accès aux dernières fiches pour les L.AS !  Fiche n° 6 : MEC et Intégrines I. Matrice extracellulaire La matrice extracellulaire (MEC) constitue un soutien des organes. Présente dans la majorité des tissus, elle forme un ciment entre les cellules. Il faut imaginer les cellules comme des briques, la matrice c’est le ciment qui permet de faire tenir les briques ensemble. La MEC organise les cellules en tissus et structure les organes, mais coordonne également certaines fonctions des cellules, comme l’adhérence, la prolifération ou encore le métabolisme et la différenciation de celles-ci. Voici un tableau récapitulatif des principaux constituants de la MEC ainsi que leur rôle : Constituant Rôle Fibres de collagène Résistance aux forces mécaniques Protéoglycanes Groupe de molécules qui entoure les ¢ Glycoprotéines / Facteurs de croissance Prolifération cellulaire (FGF, IGF, TGFb...) A. COLLAGÈNE Le collagène est une protéine fibrillaire présente principalement au sein de la MEC de certains tissus. Il confère aux tissus une résistance mécanique à l'étirement. Il existe 28 types de fibres de collagène, que l'on classe en 4 catégories : Type de collagène Localisation I peau, tendon, os, dent II cartilage, œil Collagènes fibrillaires III peau, muscle, vaisseaux IV peau, os, cornée, dent, muscle Collagènes associés aux fibrilles, VI tissus interstitiels accessoires IX cartilage, œil 4  IV lame basale Collagènes d’ancrage qui ne forment des feuillets que dans les VII sous lame basale lames basale XV lame basale des muscles XII hémidesmosome de la peau Collagènes transmembranaires XVII hémidesmosome de la peau B. GLYCOSAMINOGLYCANES (GAG) Schéma tiré du cours des professeurs Amélie GOUBERT et Martine COHEN-SOLAL sur MEC et intégrines Les glycosaminoglycanes sont de longs polymères linéaires faits de la répétition (n fois) de disaccharides (peut en contenir plus de 25000 ! ). Ils sont toujours composés d’un acide iduronique et de sucre N-acétylé. La structure