Chapitre 2: La cellule - PDF

1. La cellule 1.1. Généralités La cellule est l’unité structurale du vivant. Tous les organismes vivants sont constitués de cellules. Dans la hiérarchie du vivant, la cellule est le premier niveau capable de vie. Les plus petits organismes sont formés d’une seule cellule (=unicellulaires)....

1. La cellule 1.1. Généralités La cellule est l’unité structurale du vivant. Tous les organismes vivants sont constitués de cellules. Dans la hiérarchie du vivant, la cellule est le premier niveau capable de vie. Les plus petits organismes sont formés d’une seule cellule (=unicellulaires). Chez les animaux et chez les végétaux, les cellules s’organisent et forment un ensemble fonctionnel appelé tissu, qui assure une ou plusieurs fonctions bien précises. Cependant, même lorsqu’elles sont organisées en tissus et organes, les cellules demeurent les unités structurales et fonctionnelles de l’organisme. Les cellules animales peuvent avoir un aspect très différent (neurone, fibre musculaire, cellule adipeuse, …) mais elles conservent des caractéristiques communes héritées des formes de vie ancestrales dont elles dérivent. 1.2. Observation des cellules Les cellules sont trop petites pour être observées à l’œil nu (limite de résolution de l’œil humain est de 100µm). Dès lors, il est nécessaire d’employer un microscope optique/photonique (pouvoir de résolution : 2µm) et/ou microscope électronique (pouvoir de résolution : 0,2 nm) afin de les observer. D’une façon générale, le pouvoir de résolution d’un microscope est inversement proportionnel à la longueur d’onde du rayonnement utilisé pour éclairer la préparation. La longueur d’onde d’un faisceau d’électrons est largement inférieure à celle d’un photon (donc pouvoir de résolution ↑). 1.2.1. Le microscope optique ou photonique Le microscope optique possède une combinaison de lentilles produisant une image finale magnifiée du spécimen. Un diaphragme permet d’ajuster le diamètre de la zone éclairée au diamètre de la zone observée. La lentille du condenseur focalise la lumière sur la préparation. La formation de l’image passe par l’association de l’objectif et de l’oculaire : les photons qui sont transmis (traversent la préparation), passent successivement par les deux lentilles qui grossissent l’image de l’objet qui sera focalisée sur la rétine. L’objectif permet un grossissement de 1, 10 ou 40x, et l’oculaire de 10x. Ce type de microscope qui fait appel à plusieurs lentille est un microscope composé. La qualité de l’image dépend : - Du grossissement - De la limite de résolution (distance minimale qui permet de séparer deux objets) - Du contraste (différence entre la densité la plus forte et la plus faible de l’image) 1.2.1.1. Le contraste On peut donc augmenter la qualité de l’image en colorant la cellule et donc en augmentant son contraste. Les colorants cellulaires absorbent la lumière et ont une affinité spécifique pour certains composants de la cellule. Cependant, la coloration nécessite que la cellule soit fixée (mais une cellule fixée est une cellule morte). Préparation de l’échantillon : - Fixation - Déshydratation - Enrobage dans de la paraffine (durcit) - Coupes fines (0,5 à 50µm d’épaisseur) - Coloration Esgain Charles 6  Le contraste en microscopie photonique : - Microscopie à fond clair, échantillon non coloré : Si la cellule n’est pas naturellement pigmentée ni artificiellement colorée, le contraste est faible. - Microscopie à fond clair, échantillon coloré : l’utilisation du colorant accentue le contraste mais nécessite que la cellule soit fixée. Une variante est la microscopie à fond noir, où la lumière arrive un peu en oblique. - Microscopie à contraste de phase : permet d’observer des cellules vivantes ou des tissus non colorés. Chaque milieu est en effet caractérisé par son indice de réfraction qui lui est propre. → Cette microscopie tire profit de la différence existant entre les indices de réfraction des différentes régions de la préparation à observer. Les faisceaux lumineux qui traversent une zone avec un indice de réfraction élevé prennent du retard par rapport à ceux qui traversent une zone avec un indice de réfraction faible. Le déphasage des faisceaux lumineux à la sortie permet de créer un contraste = le contraste de phase. - Microscopie à contraste interférentiel de Nomarski : amélioration au contraste de phase permettant d’observer des objets microscopiques transparents et épais en supprimant le phénomène de halo (en accentuant les contrastes sur les bords, créant des genres de faux reliefs). 1.2.1.2. Techniques de détection de molécules spécifiques Détection de protéines spécifiques par immunocytochimie : le système immunitaire des vertébrés produit des cellules particulières en forme de Y appelées anticorps. Ces anticorps permettent aux animaux de se défendre contre des microorganismes étrangers ou d’éliminer leurs propres cellules lorsque celles-ci sont altérées. Chaque anticorps repère une molécule cible appelée antigène. La partie de l’antigène reconnue par l’anticorps est appelée déterminant antigénique (ou épitope). Lorsqu’on injecte un antigène à l’animal, il enclenche une réaction immunitaire, et produit des anticorps. Ensuite, on peut isoler les anticorps et visualiser l’antigène contre lequel ils sont dirigés. Pour ce faire : Mise de la préparation cellulaire en présence de l’anticorps spécifique à l’antigène qu’on veut mettre en évidence. Cet anticorps (l’anticorps primaire) reconnait sa cible. Un anticorps secondaire couplé à un colorant ou marqueur reconnait l’anticorps primaire → amplification du signal → immunocytochimie indirecte. NB : Le marqueur fluo, lorsqu’il est excité par une lumière de longueur d’onde appropriée (dite d’excitation), émet une lumière fluorescente d’une longueur d’onde spécifique (dite d’émission). Lorsque l’anticorps primaire est directement couplé à une molécule fluorescente, l’immunofluorescence est qualifiée de directe. Il n’y a pas d’amplification du signal (utile dans le cas où antigène abondant dans la préparation). Microscopie à fluorescence : semblable à un microscope photonique classique si ce n’est qu’il y a 2 filtres : un premier filtre la lumière avant qu’elle n’atteigne l’échantillon (ne laisse passer que les longueurs d’onde qui excitent le colorant fluorescent), et un second filtre la lumière émise par l’échantillon (dia 23). Cela permet de mettre en évidence des molécules fluorescentes présentes dans les cellules ou des molécules rendues fluorescentes par la liaison à des molécules ou des anticorps fluorescentes. La microscopie à fluorescence permet également de visualiser plusieurs types de fluorescence en même temps (dia 25). Esgain Charles 7  Cependant, la microscopie à fluorescence présente 2 limitations importantes : - Premièrement, si le spécimen à observer est épais, il va falloir le trancher pour augmenter la netteté de l’observation. - Deuxièmement, la lumière illumine tout l’échantillon. Un perfectionnement de la microscopie a fluorescence permet de rendre l’image plus nette : il s’agit de la microscopie confocale. Là, un seul plan focal est illuminé ; seules les molécules situées dans le plan focal émettent de la fluorescence → image nette non brouillée par les molécules fluorescentes situées au-dessus et au-dessous du plan focal. Si on veut observer toute l’épaisseur d’un objet, on peut utiliser la microscopie confocale et ensuite reconstruire en 3D l’objet à partir d’images en plans. 1.2.2. La microscopie électronique En microscopie électronique, on bombarde la préparation d’électrons. Rappel : La longueur d’onde des électrons est beaucoup plus basse que celle des photons. La résolution est donc largement meilleure. Globalement, le mécanisme est le même que pour un microscope photonique : La source d’électrons est la cathode (grosse colonne). On fait le vide dans cette colonne, et les e- sont accélérés dans un champ électrique qui se déplace vers le bas (attirés par une anode) et les électrons transmis (= ceux qui ont traversé la préparation) vont être concentrés à l’aide d’électro-aimant (équivalents de l’objectif et de l’oculaire) et l’image formée sur le détecteur (impacts des électrons) pourra être numérisée. Cependant, la microscopie photonique, bien qu’ayant une plus faible résolution, reste très utilisée car permet de voir des cellules vivantes, ce qui n’est pas le cas de la microscopie électronique. De plus, pour la microscopie électronique, il faut absolument des toutes petites lames qui doivent donc être fixées. 1.2.2.1. Le contraste Le faisceau d’électron qui traverse la préparation a tendance à la traverser de façon assez homogène, ce qui produira une image peu contrastée/uniforme. Ainsi, pour augmenter le contraste, on peut traiter la préparation avec des sels de métaux lourds, qui en s’associant vont constituer un barrage au passage des électrons, et l’image paraitra donc noire à cet endroit-là. Dia 31 : Illustration de ce qu’on peut observer en microscopie électronique : Le graphène est un feuillet d’atomes de carbones. La distance entre deux atomes de carbone est de 0,14nm. L’échantillon visualisé au microscope électronique doit être fixé avec du glutaraldéhyde et tétroxyde d’osmium. Cet échantillon fixé va tout d’abord être déshydraté pour pouvoir être enrobé dans une résine (solide), permettant par la suite les coupes fines (20 à 100 nm d’épaisseur). 1.2.2.2. Techniques spécifiques de détection de molécules Tout comme en microscopie photonique, la microscopie électronique peut permettre des détections de protéines spécifiques par immunocytochimie. - Dans un premier temps, la préparation est traitée avec un anticorps qui reconnait spécifiquement son antigène spécifique (ici la catalase). - Ensuite, la préparation est traitée avec des particules d’or liée à des protéines A. Cette protéine a la particularité de se lier aux anticorps de la plupart des mammifères, à la partie invariable des anticorps (= la partie commune de tous les anticorps, càd le fragment Fc). Esgain Charles 8  - Les particules d’or font obstacle aux électrons (ceux-ci sont diffractés plutôt que transmis), et ne contribuent donc pas à la formation de l’image → points noirs. 1.2.2.3. Microscopie électronique à transmission vs à balayage 1.2.2.4. Microscopie électronique à balayage : fonctionnement Ombrage métallique : échantillon sur un support. Un métal est chauffé de façon que les métaux lourds (or ou platine) ne se déposent que d’un côté de l‘échantillon. Puis mise en place d’une couche de carbone. Enfin, l’échantillon dissout, avec réplique de la surface de l’échantillon. → canon à électrons → électrons concentrés à l’aide d’un premier anneau électromagnétique → préparation balayée par des électrons grâce à un générateur de balayage et un autre anneau électromagnétique → électrons secondaires et électrons rétrodiffusés forment l’image finale (pas d’intervention d’électrons transmis donc !) 1.2.2.5. Microscopie électronique par cryofracture Microscopie électronique permet également d’observer l’intérieur en 3D des cellules. Cela peut se faire par une technique dite de cryofracture. - L’échantillon est d’abord congelé dans de l’azote liquide, ensuite fragmentation par un couteau (plan de fracture travers la zone de moindre résistance : ex : le centre hydrophobe de la membrane → séparation en 2 feuillets membranaires). La surface en contact avec le cytosol est nommée P (protoplasmique), et la surface en contact avec le milieu extracellulaire est appelée E. - Les faces fracturées sont ombrées par des vapeurs métalliques constituant une réplique de la surface. La matière organique est dissoute et seule la réplique métallique est observée en microscopie électronique à transmission. Mini synthèse : p39 Esgain Charles 9  1.3. Cellules procaryotes et eucaryotes 1.3.1. Généralités Les cellules procaryotes et eucaryotes ont des caractéristiques communes : - Elles sont toutes les deux entourées d’une membrane aqueuse - Elles contiennent toutes les deux un liquide visqueux (cytosol) - Présence de ribosomes (mais différents en termes de taille/résistances aux antibiotiques) - L’information génétique est contenue dans l’ADN (localisé dans la zone nucléoïde chez les procaryotes, et dans le noyau chez les eucaryotes) Les cellules procaryotes sont en moyenne 10x plus petites que la cellule eucaryote (en partie car il y a des compartiments), mais plus nombreuses. NB : Les cellules des grands organismes ne sont pas plus grandes que cellules des petits organismes : ex : Cellules d’un éléphant pas plus grandes que celles des fourmis, mais plus nombreuses. En effet, pour accomplir ses fonctions métaboliques, la cellule ne doit être ni trop petite ni trop grande. → En effet, une cellule ne doit être ni trop petite ni trop grande car : - Elle doit être suffisamment grande pour contenir tout ce qu’il lui faut pour fonctionner (survie, croissance, division, …). - Elle doit avoir une surface suffisamment étendue pour que les échanges avec le milieu extérieur ne soient pas limités. - Les besoins métaboliques de la cellule sont proportionnels au volume cellulaire - Le déplacement des molécules dans la cellule impose une limitation à l’augmentation de volume → Le rapport entre la surface et le volume doit être le plus grand possible. Lorsqu’un objet de forme donnée grossit, son volume augmente plus vite que sa surface (dia 44) → plus un objet est petit, plus le rapport surface/volume est grand. Un organisme constitué de plusieurs petites cellules est avantagé par rapport à un organisme constitué de grandes cellules moins nombreuses. NB : Certains cellules ont néanmoins de grandes tailles : cellules musculaires (qui compensent cette grande taille par la présence de plusieurs noyaux) et neurones (prolongements longs et fins, de sort que l’intérieur de la cellule soit proche de l’extérieur) Surface cellulaire : le rapport surface/volume des cellules qui échangent beaucoup de substances avec le milieu extérieur peut être augmenté par la présence de microvillosités. Ainsi, les microvillosités permettent d’augmenter considérablement la surface sans pour autant trop augmenter le volume. L’ensemble des microvillosités est appelé bordure en brosse. Esgain Charles 10  1.4. Aperçu d’une cellule procaryote 1.4.1. Différents types de cellules procaryotes Leur forme est maintenue par la paroi cellulaire (si celle-ci absente, pas de forme définie). Les cellules procaryotes adoptent principalement 3 formes : sphériques (coques ; peuvent s’associer), en bâtonnet (bacilles) ou hélicoïdales (spirilles, rigides, et les spirochètes qui sont flexibles). Ex : Leptospires, responsables de la leptospirose : souvent l’urine des rongeurs est porteuse de la bactérie, qui peut se transmettre directement à l’homme ou à d’autres animaux (chiens, d’élevage, …). Pas de transmission interhumaine. Maladie souvent bénigne, mais syndrome grippal potentiellement mortel. Traitement antibiotique. Il existe un vaccin proposé aux personnes à risques (éboueurs, …). Tréponème pâle, responsable de la syphilis : maladie vénérienne se manifestant par une lésion primaire caractéristique (le chancre d’inoculation, 3 semaines après la contamination), correspondant au point d’entrée de la bactérie. La contamination se fait dans 95% des cas par voie sexuelle (chancre localisé dans région ano-bucco-génitale). Plusieurs semaines après le chancre, syphilis secondaire (dispersion des bactéries par voie sanguine), qui se caractérise par des éruptions cutanées multiples. À ce stade, la bactérie peut être transmise par simple contact sur lésion ouverte ou baiser. Ensuite, longue période asymptomatique suivie d’une syphilis tertiaire qui peut impacter des organes plus importants (foie, cœur, cerveau, …). Stade rare dans les pays développés car la syphilis est traitée efficacement. 1.4.2. Structure d’une cellule procaryote La membrane plasmique délimite le cytosol, et est souvent doublée par la paroi cellulaire, rigide, conférant une résistance mécanique à la bactérie, la protège et contribue au maintien de sa forme. Certaines bactéries sont en plus entourées d’une capsule gélatineuse, le plus souvent constituée de polysaccharides. La principale structure présente dans le cytosol est le génome bactérien, constitué d’une molécule d’ADN circulaire unique (le plus souvent). Cette forme circulaire permet de la compacter. Le chromosome se situe dans la zone nucléoïde (~20% du volume total de la cellule). Certains procaryotes contiennent des petites molécules d’ADN extra-chromosomiques, appelées plasmides. Les cellules procaryotes contiennent des ribosomes. Les pili (ou fimbriae) sont les excroissances de la membrane externe de certaines espèces de bactéries, qui permettent à ces espèces d'adhérer à un substrat. Les flagelles sont des appendices protéiques permettant à certaines bactéries de se déplacer. Il n’y a pas de cytosquelette (réseau protéique interne de soutien) comme chez les eucaryotes car le soutien est assuré ici par la paroi, mais présence de fibrilles que certains scientifiques considèrent comme l’ébauche d’un cytosquelette rudimentaire. Il n’y a pas de compartiments membranaires, mais on hypothèse la présence de compartiment subcellulaire car certaines molécules ont une localisation spécifique dans le cytosol bactérien. Ces compartiments subcellulaires ont été nommés hyperstructures bactériennes. Esgain Charles 11  1.4.3. Paroi cellulaire des bactéries La membrane plasmique de la plupart des bactéries est doublée d’une paroi. Celle-ci empêche l’éclatement en milieu hypotonique (où l’eau rentre), et donc assure une protection mécanique ainsi qu’un maintien de forme de la cellule. Elle empêche également certaines substances toxiques de rentrer dans la cellule. La paroi est composée de peptidoglycanes, qui sont des complexes de glucides (polysaccharides) et protéines (chaines peptidiques) formant une trame solide, conférant une grande résistance. Sur base de l’organisation de la paroi, on a mis en évidence 2 groupes de bactéries qu’on peut distinguer par la coloration de Gram : Principe : les bactéries sont d’abord traitées par le violet de gentiane, qui colore le cytoplasme en mauve. Ensuite, les bactéries sont traitées par iode, entrainant l’apparition de cristaux violets, qui restent stockés dans la cellule. Ensuite, ajout d’alcool et là 2 cas de figure : - Soit les cristaux violets restent dans le cytoplasme (= gram + ) car déshydratation de l’épaisse couche de peptidoglycanes par l’alcool, qui devient encore plus imperméable aux cristaux violets - Soit les bactéries perdent leur couleur violette (= gram -) car la couche de peptidoglycane est plus fine et l’alcool a pour effet d’augmenter la porosité de la paroi → cristaux violets sortent de la cellule En pratique on ajoute un autre colorant (rose = fuchsine) : les grams + restent violet car le violet est + fort que le rose, et les gram – deviennent roses. La paroi des grams + est constituée d’une épaisse couche de peptidoglycane. L’espace situé entre la membrane et la couche de peptidoglycane est l’espace périplasmique (qui contient un milieu aqueux et riche en protéines appelé périplasme) La paroi des gram – est doublée d’une membrane externe. Une fine couche de peptidoglycane est délimitée de part et d’autre par l’espace périplasmique. Les bactéries gram – sont généralement plus pathogènes que les grams + car la membrane externe contient des lipopolysaccharides (toxiques), et également protège la bactérie des anticorps/antibiotiques/… Le peptidoglycane de la paroi des bactéries n’est pas présent chez les archées ni chez les eucaryotes. Il est composé d’une partie glucidique et d’une partie peptidique. - Partie glucidique : alternance d’acide N-Acétyl-Muramique (NAM) et de N-Acétyl- Glucosamine (NAG) reliés par des liaisons glycosidique β 1-4. - Partie peptidique : 4 AA reliés à NAM. Ces AA ne sont pas tous de forme L. Ces AA de forme D ont un rôle protecteur car pas reconnus par les peptidases qui reconnaissent les isomères L. Esgain Charles 12  Les molécules de peptidoglycanes sont reliées par leur partie protéique, formant un réseau. Les pontages sont indirects (intermédiaire de 5 AA) chez les grams+, et directs chez les gram -. Le lysozyme (présent dans les larmes, salives, …) permet d’hydrolyser la liaison β 1-4 et donc détruire la paroi. La bactérie, dépourvue de sa paroi, n’aura plus cette protection mécanique → va éclater en milieu hypotonique. 1.4.4. Capsule La paroi cellulaire de certaines bactéries est parfois recouverte d’une couche gélatineuse, constituée de polysaccharides ou de protéines. Celle-ci confère un facteur de pathogénicité. Rôles : - Adhésion au substrat ou à d’autres organismes (rôle dans la formation de biofilms = agglomérat de bactéries). - Protection des attaques du système immunitaire de l’hôte dans le cas de pathogènes. - Résistance à la dessiccation (car contient beaucoup d’eau), aux virus et aux détergents. Peut s’observer par contraste avec de l’encre de chine car la capsule forme un halo autour de l’encre de chine (exclu l’encre). 1.4.5. Motilité La moitié des procaryotes sont capable de se déplacer de façon orientée. Divers types de structures leur permettent des se déplacer. Les plus courantes sont de fins flagelles : - Soit dispersés sur toute la surface, soit concentrés à un pôle ou aux deux pôles. - Mouvement en hélice. - De nature protéique (flagelline). Chez les procaryotes, les flagelles s’étendent à l’extérieur de la membrane et de la paroi (ne sont pas recouverts). Ils sont également plus fins que ceux des eucaryotes. Le filament hélicoïdal (flagelline) est enchâssé dans la membrane plasmique par le corps basal (axe central entouré de 4 anneaux). L’énergie nécessaire à la rotation du flagelle est fournie par un gradient de protons établi de part et d’autre de la membrane plasmique. Les protons sont pompés activement du cytoplasme vers le périplasme. Ensuite, la diffusion (passive) des protons vers l’intérieur de la cellule (en suivant leur gradient électrochimique) entraine la rotation du flagelle. C’est le retour des protons dans le cytoplasme qui entraine le mouvement moléculaire, et donc mouvement du crochet, entrainant le filament hélicoïdal. Certains procaryotes présentent des appendices protéiques filiformes qui ne participent pas à la motilité : - Les fimbriae, impliqués dans les processus d’adhésion - Les pili sexuels, plus longs, qui permettent les échanges de matériel génétique par conjugaison. Esgain Charles 13  1.4.6. Spores Certains procaryotes forment des endospores résistantes qui peuvent rester en dormance et le restent jusqu’à ce que les conditions redeviennent favorables (et reformer une bactérie fonctionnelle). La formation d’endospore est un processus complexe : - La cellule fait une copie de son ADN et l’entour d’une structure multicouche très résistante - L’endospore se déshydrate et son métabolisme s’arrête - Le reste de la cellule se désintègre - Lorsque la cellule retrouve un environnement favorable, l’endospore s’hydrate et la cellule repart. Ex : Bacillus anthracis : la bactérie responsable de l’anthrax, produit des endospores très résistantes. Normalement, la maladie est transmise par des animaux infectés : - Soit les spores de l’animal pénètrent par une lésion de la peau ou par inoculation (piqûre ou morsure) et causent une infection cutanée. - Soit la consommation de viande contaminée cause une infection gastro-intestinale. - Soit l’inhalation d’une grande quantité de spores cause une infection pulmonaire (mortelle). Facteurs de pathogénicité : - Présence d’une capsule de nature protéique, avec 1 seule protéine, qui contient 1 seul AA (acide glutamique) de conformation D. - Production de 2 toxines qui agissent en synergie avec la capsule. Le bacille de l’anthrax possède des chainettes caractéristiques. Les spores pénètrent dans les alvéoles. Ils sont pris en charge par les macrophages, mais les spores se multiplient dedans et finissent par faire éclater le macrophage, avec in fine insuffisance respi importante. 1.4.7. Structure interne La structure interne des procaryotes est moins complexe que celle des cellules eucaryotes. Le cytosol des procaryotes ne possède ni compartiments membranaires internes ni cytosquelette vrai, mais contient des ribosomes qui sont différents de ceux des eucaryotes. Certains procaryotes présentent une membrane plasmique fortement invaginée dont les replis se déploient dans le cytosol. Les enzymes qui leur sont fixées assurent certaines fonctions métaboliques (respiration cellulaire, photosynthèse). Certains de ces replis semblent (encore controversé) jouer un rôle durant la division cellulaire (mésosomes). 1.4.8. Organisation du génome bactérien Le plus souvent constitué d’une molécule d’ADN circulaire unique (de l’ordre du million de paires de base, alors que c’est de l’ordre du milliard chez les eucaryotes) replié par des protéines (mais pas des histones, car histones = chez eucaryotes), localisée dans une zone du cytoplasme appelée nucléoïde. En plus du chromosome circulaire unique qui programme toutes les fonctions essentielles, beaucoup de procaryotes possèdent des petites molécules d’ADN circulaire : les plasmides. Les gènes portés par les plasmides permettent à la cellule de résister aux antibiotiques, métaboliser des nutriments occasionnellement présents dans le milieu, tolérer certains métaux toxiques, produire des toxines, … Esgain Charles 14  L’information génétique des plasmides représente 1 à 5% de l’information chromosomique. Les plasmides se répliquent indépendamment du chromosome principal. Les plasmides sont répartis de façon aléatoire dans le cytoplasme des cellules filles lors de la division cellulaire → transmission verticale. L’information portée par certains plasmides peut également passer d’une cellule à une autre par un processus de conjugaison → transmission horizontale. 1.5. Aperçu d’une cellule eucaryote 1.5.1. Origine Théorie de l’endosymbiose en série : hypothèse d’un ancêtre procaryote, issu de la fusion d’une bactérie et d’une archée. Un moment donné, cette cellule aurait perdu sa paroi, et sa membrane plasmique se serait invaginée pour former le réseau membranaire interne caractéristique de la cellule eucaryote. Le réseau membranaire aurait progressivement délimité l’espace du futur noyau, dans lequel l’ADN a été inclus → Cellule ancestrale aurait été pourvue d’un noyau et réseau membranaire interne, caractéristiques de la cellule eucaryote actuelle. Mitochondries et chloroplastes : organites spéciaux car contiennent de l’ADN et peuvent synthétiser des protéines indépendamment de la cellule. Ces organites et chloroplastes dériveraient de procaryotes qui auraient été phagocytés par la bactérie ancestrale (aérobie), et auraient démarré une relation de symbiose avec leur hôte. Il y aurait eu des avantages des deux côtés (hôte et procaryote phagocyté) : - Avantage pour l’hôte : production d’ATP par voie aérobie (plus intéressant que voie anaérobie) = mitochondrie / Synthèse de molécules organique à partir de molécules minérales = chloroplaste. - Avantage pour la bactérie phagocytée : protection et aliments par leur hôte. La comparaison des séquences d’ADN de ces organites par rapport aux procaryotes actuels suggère que les mitochondries dérivent de bactéries pourpres non sulfureuses, et que les chloroplastes dérivent de cyanobactéries. Esgain Charles 15  À l’inverse des cellules procaryotes, les cellules eucaryotes possèdent plusieurs compartiments fonctionnellement distincts. Ces compartiments qui possèdent une ou plusieurs membranes sont qualifiés d’organites. 1.5.2. Le noyau Le plus gros organite de la cellule (5 µm de diamètre), forme globulaire, réniforme ou polylobé. Il peut être unique, multiple ou absent (ex : GR perdent leur noyau une fois arrivés à maturité). Le noyau est délimité par une enveloppe nucléaire, constituée de 2 membranes (interne et externe). L’enveloppe nucléaire est percée de pores, permettant les échanges entre le cytoplasme et le nucléoplasme. Un réseau de fibre protéiques est accolé à la face interne de l’enveloppe nucléaire : c’est la lamina nucléaire. Cette lamina nucléaire soutient et donne la forme au noyau. Le noyau contient une matrice nucléaire (réseau dynamique de fibres de nature protéique) ainsi que des chromosomes (ADN lié à des protéines = chromatine). Également présence de nucléole, où sont synthétisées les unités ribosomiques. Lorsqu’une cellule est hors division, les chromosomes ne sont pas visibles : la chromatine est diffuse dans le noyau (elle est hétérogène). Les pores ne sont pas de simples trous, il y a un complexe protéique (complexe du pore nucléaire) disposé selon une symétrie octogonale contrôlant les passages entre les deux compartiments de manière stricte. 1.5.3. Les ribosomes Composés de deux sous-unités (une grande et une petite). Chaque sous-unité est constituée d’un assemblage d’ARNr et de protéines. Ce sont des agrégats moléculaires et non des organites (il n’y a pas de membrane). La petite sous-unité contient 1 seule molécule d’ARNr, et la grande en contient 3 chez les eucaryotes et 2 chez les procaryotes. Les sous-unités sont assemblées dans le nucléole puis migrent séparément dans le cytosol (par les pores nucléaires). Les sous-unités viennent se mettre de part et d’autre d’un l’ARNm (le ribosome ne se forme pas sans) afin de démarrer la traduction. Esgain Charles 16  Les ribosomes peuvent être libres (dans le cytosol) ou liés (au réticulum endoplasmique granuleux et à l’enveloppe nucléaire), mais les sous-unités sont les mêmes. Les ribosomes libres synthétisent les unités du cytosol et les protéines des organites. Les ribosomes liés synthétisent les protéines du réseau membranaire et les protéines destinées à être exportées. Leur nombre varie selon l’activité métabolique de la cellule (plus nombreux si la cellule synthétise bcp de protéines). 1.5.4. Le réseau membranaire interne Les membranes intracellulaires divisent la cellule en compartiments qui sont en continuité les uns avec les autres : l’enveloppe nucléaire, le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi, les lysosomes, et les vacuoles de différents types. Les membranes sont en continuité de 2 façons : soit elles se prolongent l’une l’autre (= continuité physique), soit elles échangent des portions membranaires par l’intermédiaire de minuscules vésicules. La membrane plasmique, bien qu’externe, est en continuité avec les membranes internes. Cependant, les différentes membranes du réseau intracellulaire n’ont pas la même composition, ni les mêmes fonctions. a) Le réticulum endoplasmique Il s’agit d’un réseau de tubules et de sacs aplatis appelés citernes en continuité avec l’enveloppe nucléaire. Il constitue >50% des membranes intracellulaires. Constitué de deux parties : d’abord le réticulum endoplasmique granuleux ou rugueux (REG – RER), présentant des ribosomes à sa surface, et qui se prolonge par le réticulum endoplasmique lisse (REL) qui ne présente pas de ribosomes. Fonctions du REG : Fonctions du REL : - Synthèse des lipides (phospholipides membranaires, TG, cholestérol, …). - Synthèse des lipoprotéines (foie). - Libération de glucose dans le sang à partir du glycogène stocké (foie). - Détoxification des drogues, médicaments, toxines (reins, foie). - Stockage d’ions calcium (Ca++) (ex : muscle : réticulum sarcoplasmique). Esgain Charles 17 b) L’appareil de Golgi Esgain Charles 18  L’appareil de Golgi n’est pas en continuité physique avec le REG. Il est formé de plusieurs dictyosomes, empilements de saccules aplatis (citernes), dont le nombre varie selon les cellules. Il est localisé généralement près du noyau. Pour chaque dictyosome, on peut distinguer une face Cis convexe qui fait face au réticulum, et une face Trans concave opposée. C’est une structure dynamique : Les vésicules se détachent du REG et migrent vers le Golgi (nouvelles citernes formées) et inversément (retour vers compartiment antérieur = rétrograde). NB : Les protéines hydrosolubles sont dans la lumière du réticulum et donc seront dans la lumière des vésicules. Les autres protéines sont membranaires et restent dans la membrane des compartiments par lesquels elles transitent jusqu’à leur destination finale. Fonctions de l’appareil de Golgi : L’appareil de Golgi est un centre de tri. Les protéines et lipides provenant du RE via les vésicules de transition y sont modifiés étape par étape avant d’être triés, concentrés et emballés puis exportés dans des vésicules à leur destination finale. À cette fin, nécessité de : - Apposition d’étiquettes (Tag) moléculaires : modifications de résidus glucidiques ajoutés dans le RE, ajouts de groupements phosphate, O-glycosylation, sulfatation, … qui spécifient la destination finale - Clivages protéolytiques - Synthèse des polysaccharides complexes de la paroi des végétaux (pectine et hémicellulose), de la plupart des glycosaminoglycanes de la matrice extra-cellulaire (MEC) des animaux. Schéma synthétique : p94. c) Les lysosomes Les lysosomes sont les centres de digestion intracellulaire. Ce sont des compartiments délimités par une membrane et contenant des enzymes hydrolytiques (hydrolases acides) qui catalysent la dégradation de macromolécules en milieu acide. Leurs enzymes et composants membranaires sont produits par le RE puis transférés séparément à la face Cis du Golgi où leur traitement se poursuit. Ils sont ensuite transportés dans des vésicules qui bourgeonnent à partir du réseau trans-Golgi puis fusionnent avec des endosomes tardifs. Des pompes à H+ consomment de l’ATP pour maintenir un pH acide dans la lumière du lysosome. Ce pH acide aide à dénaturer les protéines, ce qui les rend plus accessibles à l’action des hydrolases qui elles y sont résistantes. Une partie des hydrolases s’échappent dans le cytosol, dont le pH compris entre 7.0 et 7.3 ne permet pas leur activation. Esgain Charles 19 Rôles des lysosomes : - Hétérophagie : dégradation du matériel importé dans la cellule par endocytose (phagocytose + pinocytose) - Autophagie : dégradation des constituants cellulaires devenus inutiles ce qui permet le recyclage des molécules chimiques. Les lysosomes dans lesquels persiste du matériel non hydrolysable constituent des corps résiduels. À noter que la plupart des protéines cytosoliques et nucléaires ne sont pas dégradées dans les lysosomes mais par les protéasomes (complexes multiprotéiques dans le cytosol et le noyau). 3 voies conduisent à la digestion de matériel dans les lysosomes : La phagocytose correspond à l’endocytose de matériel solide, et ne se fait que dans quelques cellules spécialisées (ex : macrophages). L’endocytose s’initie par une reconnaissance spécifique du matériel intégré par la cellule. Suite à cette reconnaissance, le matériel est internalisé dans le phagosome, qui fusionne dans un deuxième temps avec un lysosome. La pinocytose désigne l’endocytose de molécules dissoutes dans le liquide extracellulaire. Cette voie est réalisée en permanence par toutes les cellules qui n’ont pas de paroi. Les molécules pinocytées passent par une série de compartiments permettant de faire un tri de ce qui doit être recyclé ou non. L’endosome tardif est le compartiment dans lequel se trouve le matériel qui doit être digéré. L’autophagie : le matériel cellulaire destiné à être recyclé va être enfermé dans une double membrane formée par la fusion de vésicules (dont l’origine est débattue). La vacuole formée est appelée autophagosome et fusionne avec le lysosome. L’hétérogénéité de forme, de taille, d’aspect des lysosomes reflète la diversité des matériaux qu’ils digèrent. Le nombre de lysosome varie selon les cellules. Dysfonctionnement des lysosomes : Maladies de surcharge lysosomale : Maladies génétiques qui affectent une ou plusieurs hydrolases lysosomales. Il y a accumulation des substrats non digérés dans les lysosomes dont le nombre augmente → désordres pathologiques évolutifs sévères avec le plus souvent une atteinte du SNC, dont l’issue est fatale. Esgain Charles 20  Les mélanosomes sont des organites apparentés aux lysosomes (contiennent également des hydrolases acides) mais qui ont la capacité de fusionner avec la membrane plasmique. Ils sont présents uniquement dans les mélanocytes, qui sont des cellules possédant des longs prolongements dendritiques. Les mélanosomes sont le lieu de synthèse des pigments (mélanine) qui protègent des radiations UV et colorent les téguments chez les animaux. Au cours du processus de synthèse de mélanine, les mélanosomes autour du noyau migrent vers les extrémités dendritiques. La mélanine qu’ils contiennent est libérée dans la MEC et endocytée par les kératinocytes. d) Les diverses vacuoles Il y a différents types de vacuoles : - Les vacuoles pulsatiles expulsent l’excès d’eau chez les protistes unicellulaires d’eau douce (ex : paramécie), permettant de maintenir une concentration appropriée en sels et autres molécules. - La vacuole centrale, présente chez les cellules végétales matures, est formée par la fusion de vésicules dérivées du réticulum endoplasmique et du Golgi. Les plus jeunes cellules contiennent plusieurs petites vacuoles qui fusionnent au cours de la maturation en une vacuole unique caractéristique de la cellule différenciée. La membrane qui l’entoure, appelée tonoplaste, appartient au réseau membranaire interne de la cellule végétale. La vacuole centrale peut jouer des rôles différents selon le type de cellule et l’espèce végétale : o Squelette hydrostatique (en coopération avec la paroi) : pression de turgescence o Digestion : dégradation de macromolécules par des hydrolases acides o Réserve : réservoir principal des métabolites utiles et d’ions inorganiques, et réserve de protéines dans les cellules nutritives des graines qui vont être utilisées par l’embryon au cours de son développement o Détoxification : la vacuole permet d’isoler des molécules qui, accumulées dans le cytoplasme, seraient toxiques, ainsi que des composants cellulaires dont elle assure le recyclage. o Protection contre les prédateurs : car elles renferment des composés répulsifs ou toxiques libérés lorsque la plante est mangée ou lésée. o Homéostasie : Contrôle du pH cytosolique en modulant le flux de protons entre la vacuole et le cytosol, et contrôle l’équilibre hydrique de la cellule o Pollinisation : certaines vacuoles contiennent des pigments bleus et mauve, qui attirent les pollinisateurs et protègent la plante en absorbant les UV. o Croissance cellulaire : en absorbant l’eau, la vacuole induit une augmentation de taille de la cellule, sans que celle-ci n’ait à produire du cytoplasme → le rapport entre la surface membranaire et le volume cytoplasmique reste élevé même dans une cellule végétale de grande dimension ! - Les vacuoles d’endocytoses et endosomes : décrites précédemment. Esgain Charles 21 e) Les péroxysomes Les péroxysomes sont des organites ovoïdes délimités par une membrane et contenant des enzymes oxydatives. Ils sont formés au départ de vésicules dérivées du RE qui importent ensuite des protéines spécifiques du cytosol. Leur croissance se fait par incorporation de lipides et protéines, puis division par simple fission. Ils sont abondants dans les cellules hépatiques, rénales ainsi que les neurones. Dans les péroxysomes ont lieu des réactions oxydatives : Ces réactions oxydatives effectuées dans les peroxysomes ont diverses fonctions : - Détoxification (ex : éthanol → acétaldéhyde). - β-oxydation des AG à longue chaine générant de l’acétyl-CoA et des AG plus courts. - Rôle dans la formation de phospholipides spécifiques (plasmalogènes) nécessaires à la myélinisation des cellules nerveuses et particulièrement abondants dans les membranes des cellules cardiaques. Les peroxysomes sont plus reconnaissables chez les mammifères (autres que les primates) car il y a la présence d’une structure cristalline centrale constituée d’urate oxydase (uricase), qui permet de transformer l’acide urique en allantoïne (pas possible chez l’humain, si trop d’acide urique risque de précipitation → goutte, lithiase rénale). Esgain Charles 22  1.5.5. Les organites contenant de l’ADN Les mitochondries et les chloroplastes convertissent l’énergie en formes utilisables par la cellule. Points communs : - Ces organites sont délimités par au moins 2 membranes, et ne font pas partie du réseau membranaire interne. Le compartiment interne est appelé matrice dans la mitochondrie et stroma dans le chloroplaste. - Ils contiennent une petite quantité d’ADN qui programme la synthèse de protéines par leurs propres ribosomes. Ce sont des ribosomes du même types que ceux d’une cellule procaryote. - Leurs protéines sont synthétisées d’une part par leurs ribosomes et d’autres part par des ribosomes du cytosol. a) Les mitochondries La mitochondrie est présentée comme ayant une forme tubulaire, mais en réalité il s’agit d’une structure dynamique qui se modifie en permanence. Elle est organisée en réseau (mitochondriome) qui alterne entre une organisation filamenteuse et vésiculaire. La taille des mitochondries est équivalente à celle des procaryotes. Elles sont délimitées par une membrane externe lisse et une membrane interne invaginée (permettant d’augmenter la surface interne d’environs 5x). Ainsi, la mitochondrie est organisée en 2 compartiments : la matrice et l’espace intermembranaire. Les mitochondries sont dynamiques : elles se divisent souvent, fusionnent et changent de forme (fission et fusion). La croissance et la division des mitochondries se font indépendamment du cycle cellulaire mais nécessitent des protéines codées par des gènes nucléaires, et donc cela ne se fait pas en dehors de la cellule. Plusieurs copies de l’ADN mitochondrial programment la synthèse d’ARNt, d’ARNr et de protéines par les ribosomes situés dans la matrice. Cependant, la plupart des protéines mitochondriales sont codées par le génome nucléaire et importées du cytosol. Les phospholipides membranaires mitochondriaux sont issus du RE. La matrice mitochondriale est visqueuse (car présence de protéines enzymatiques, copies de l’ADNmt, ribosomes, granules stockant Ca++, …). L’ADN mitochondrial humain est un ADN circulaire de >16 000 paires de bases comprenant 37 gènes : 2 gènes d’ARNr, 22 gènes d’ARNt et 13 gènes codant des sous-unités polypeptidiques de la chaine respiratoire (→retenir que c’est peu !). Cet ADN n’est pas associé à des histones. Le code génétique mitochondrial est légèrement différent du code génétique universel et le taux de mutation est plus important que l’ADN nucléaire. Les mitochondries sont le siège de la respiration cellulaire aérobie (production de l’ATP via dégradation de molécules organique en présence de dioxygène, grâce à diverses enzymes de la matrice ou intégrées à la membrane). Il est dès lors normal de constater que le nombre de mitochondries dans une cellule est variable en fonction de l’activité métabolique de cette dernière (50 à 106 par cellule). Esgain Charles 23  Les mitochondries assurent d’autres fonctions cellulaires : - Elles contribuent à la synthèse des hormones stéroïdes, en collaboration avec le REL o Testostérone dans les testicules o Progestérone et œstradiol dans l’ovaire o Glucocorticoïde (ex : cortisol) dans la glande surrénale o Minéralocorticoïdes (ex : aldostérone) dans la glande surrénale - Homéostasie du Ca++ o Stockage temporaire (comme le REL) - Apoptose (« suicide cellulaire ») - β-oxydation des AG à chaine courte Origine procaryotique des mitochondries : arguments en faveur de la théorie endosymbiotique : - Taille - Pas de noyau, ADN circulaire, peu de protéines associées à l’ADN - Réplication indépendante du cycle cellulaire - Division par scission binaire - Machinerie de transcription et traduction (synthèse protéique) indépendante de celle de la cellule - Ribosomes du même type que les ribosomes bactériens (taille, composition, sensibilité aux antibiotiques) - Similitudes membrane mitochondriale interne/membrane plasmique bactérienne o Absence de cholestérol, o Enzymes et mécanismes de transport membranaire o Présence de cardiolipides (phospholipides doubles), responsables de l’imperméabilité aux protons → gradient b) Les chloroplastes Ces organites sont situés dans les parties vertes des végétaux. Leur nombre varie de 1 à plusieurs dizaines par cellule selon l’âge et/ou les conditions d’éclairement. Ils contiennent des chlorophylles (pigments verts) et des caroténoïdes (pigments jaune orangé) qui captent la lumière nécessaire à la photosynthèse. Dans les cellules végétales, les pigments photosynthétiques sont situés dans la membrane des thylakoïdes. Les thylakoïdes granaires en forme de disques sont empilés comme des pièces de monnaie ; chaque empilement constitue un granum. Les grana communiquent entre eux au moyen de fins tubules, les thylakoïdes intergranaires. Le compartiment interne rempli d’un fluide est appelé stroma. C’est l’endroit où sont produits et stockés les sucres. Le stroma renferme plusieurs copies d’ADN chloroplastique (ADNct) circulaire (jusqu’à 150), des ARN, des ribosomes et de l’amidon transitoirement. Les chloroplastes sont le siège de la photosynthèse = le processus qui permet aux plantes de synthétiser de la matière organique en exploitant la lumière du soleil. Les chloroplastes constituent un type de plaste = terme réservé aux organites des végétaux qui produisent ou stockent des substances nutritives et des pigments. Exemples de plastes : chloroplastes, leucoplastes (dépourvus de pigments, permettent le stockage de protéines, lipides et amidons [amyloplastes]), chromoplastes (contient des pigments qui donnent aux feuilles, fruits, fleurs une teinte jaune, orange ou rouge). Les plastes ont des caractéristiques communes : chaque plaste est entouré de 2 membranes concentriques, contiennent de l’ADN, ribosomes, machinerie de synthèse protéique. Tous les plastes Esgain Charles 24 d’un végétal donné contiennent le même ADN (ADN plastidial). Les proplastes des cellules immatures sont transmis avec le cytoplasme lors de la division cellulaire. Lorsque la cellule se différencie, les proplastes se spécialisent en fonction de ses besoins. Une interconversion entre les différents types de plastes reste par la suite possible. Les plastes se divisent indépendamment de la division nucléaire, par fission d’un plaste préexistant. 1.5.6. Le cytosquelette Le cytosquelette est constitué de 3 types de fibres protéiques : microfilaments d’actine, filaments intermédiaires et microtubules de tubuline. Il s’agit d’un système globalement dynamique. Les microfilaments et les microtubules peuvent exister isolés, ou être intégrés dans des structures cellulaires complexes dont ils constituent l’armature (centrioles, cils et flagelles, appareil mitotique, myofibrilles, …). Rôles du cytosquelette : - Soutien mécanique de la cellule, maintien de sa forme - Point d’ancrage d’organites et d’enzymes cytosoliques - Mouvements cellulaires - Transport intracellulaire Les microfilaments d’actine sont relativement souples, organisés en réseaux. Les microtubules sont plus rigides. Filaments intermédiaires plus variés, assemblages différents selon le type de filaments et le type de cellule. Dans l’épithélium, ils connectent les cellules les uns aux autres a) Les microfilaments Les microfilaments d’actine ont le diamètre le plus petit. Aussi appelés actine F (filament). Ce sont des filaments torsadés de 7 nm de diamètre, résultant de l’assemblage linéaire non covalent d’une protéine globulaire, l’actine G. L’actine F est polarisée. Elle s’organise en réseau linéaire ou bi-tridimensionnels avec d’autres actine F. L’actine est la protéine la plus abondante du cytosol des cellules animales et végétales. Les microfilaments sont surtout concentrés sous la membrane plasmique et ses extensions, ainsi que dans les microvillosités. L’assemblage peut se faire par les deux extrémités du microfilament. Pour qu’un assemblage puisse se faire, il faut une concentration critique. La concentration critique de l’extrémité – est > que la concentration de l’extrémité +. Concentration d’équilibre : concentration d’actine à laquelle l’extrémité + s’allonge autant que l’extrémité – se raccourcit → la longueur du microfilament ne varie pas mais son renouvellement est constant (modèle du tapis roulant). Ce fonctionnement nécessite une dépense d’énergie sous forme d’ATP : l’actine qui s’ajoute est liée à l’ATP ; l’actine libérée est liée à l’ADP (hydrolyse via ATPase lente de l’actine déstabilise les interactions entre les molécules d’actine, ce qui favorise le désassemblage). Esgain Charles 25  Les microfilaments sont associés à de nombreuses protéines, dont le rôle est de : - Réguler la dynamique de l’assemblage – désassemblage - Permettre l’assemblage en une structure d’ordre supérieur : o Faisceaux parallèles (ex : microvillosités) o Réseaux (ex : réseau sous-membranaire) o Faisceaux contractiles (ex : microfilaments d’actine associés à de la myosine) - Permettre l’ancrage à la membrane plasmique De plus, les microfilaments, en association avec d’autres protéines, aident la cellule à maintenir sa forme et assure son soutien. La présence du réseau fibreux d’actine donne au cytoplasme cortical une consistance gélatineuse (gel), alors que le cytoplasme central est plus liquide (sol). Des faisceaux de microfilaments d’actine parallèles et ancrés au réseau de filaments intermédiaires renforcent les microvillosités. Les microfilaments jouent un rôle dans la contraction des muscles striés squelettiques. Les fibres musculaires (FM) sont des syncytium (contiennent plusieurs noyaux) qui s’organisent en faisceaux musculaire. Chaque fibre musculaire striée contient des milliers de myofibrilles. Les noyaux des FM y sont aplatis et repoussés en périphérie sous le sarcolemme. Esgain Charles 26  Dans le muscle, les microfilaments d’actine alternent avec des filaments de myosine (= protéine en forme de bâtonnet, surmontées d’une à deux têtes) pour former des myofibrilles. Chaque filament de myosine est constitué de 200/300 molécules de myosines en tête bèche. Lors de la contraction, les microfilaments d’actine et myosine ne changent pas de longueur, mais s’imbriquent (glissent en sens inverse). Cela a pour effet de diminuer la longueur des sarcomères. Fonctionnement : Au repos, les têtes myosines sont liées à 1 ATP. Lors de la contraction, il y a hydrolyse de l’ATP, donc transformation en ADP + Pi → la tête se déplace vers le filament d’actine. La libération de Pi entraine la fixation de la myosine sur l’actine. La libération d’ADP provoque un changement de conformation de la myosine qui entraine un déplacement du microfilament d’actine vers le centre du sarcomère. L’arrivée d’ATP permet de détacher la myosine + retour en position initiale Cependant, une FM ne se contracte que si elle est stimulée. Au repos, la tropomyosine s’enroule autour du microfilament d’actine, empêchant donc la liaison actomyosine. Un complexe protéique, la troponine, régule l’association des microfilaments d’actine avec la tropomyosine en fonction de la concentration de Ca++ dans le cytosol. - Lorsque la [Ca++] est basse (repos), la troponine maintient la tropomyosine dans cette position. Le muscle est donc relâché. - Lorsque la [Ca++] augmente, le Ca++ se lie au complexe troponine, ce qui déplace la tropomyosine et expose des sites de liaison de l’actine aux myosines. Le muscle se contracte. Chaque FM est innervée par un neurone moteur (qui est en contact avec plusieurs fibres musculaires) qui la stimule via une jonction neuro-musculaire. L’arrivée d’un potentiel d’action (PA) sur le bouton présynaptique entraine la libération d’acétylcholine (Ach), déclenchant un PA musculaire. Ce PA se propage le long de la membrane jusqu’aux tubules transverses (invaginations du sarcolemme), provoquant un flux de Ca++ depuis le réticulum sarcoplasmique vers le cytoplasme de la cellule. Des interactions actine-myosine s’observent dans d’autres types cellulaires, où elles sont par exemple à l’origine de contractions cellulaires localisées : ex : division cellulaire (anneau contractile), mouvement amiboïde par la formation de pseudopodes, cyclose (mouvement circulaire du cytoplasme dans les cellules végétales), cf dias 147 – 149. Esgain Charles 27 b) Les filaments intermédiaires Les filaments intermédiaires sont très variés, chaque type est formé par l’assemblage complexe d’une protéine fibreuse de nature différente selon le type cellulaire (ex : kératine) → diamètre variable. Ils sont résistants à la traction, et dès lors particulièrement abondants dans le cytoplasme des cellules soumises à des stress mécaniques, comme la peau (ils sont absents du cytoplasme des cellules végétales et fongiques, car soutien et résistance assurés par la paroi). Les filaments intermédiaires sont peu dynamiques, et contrairement aux microfilaments d’actine, ils sont non-polarisés. Ils sont rarement à l’état libre car leur auto-assemblage ne nécessite pas d’énergie : Deux monomères de protéines fibreuses s’enroulent parallèlement pour former un dimère. Deux dimères s’assemblent de façon antiparallèle pour former un tétramère. L’assemblage de plusieurs tétramères constitue un protofilament. Enfin, huit protofilaments s’associent latéralement pour constituer un filament intermédiaire. À noter qu’après la mort de la cellule, les réseaux de filaments intermédiaires restent plus longtemps. Types : - La kératine, une protéine synthétisée par les kératinocytes de l’épiderme, forme des filaments intermédiaires. Les filaments de kératine assurent, à la peau, imperméabilité et protection. - Les filaments intermédiaires les plus communs sont constitués de vimentine, ils assurent la stabilité mécanique de certaines cellules épithéliales et mésenchymateuses - Les filaments de lamines forment la lamina nucléaire (soutien de l’enveloppe nucléaire et point d’ancrage aux chromosomes) - Les filaments intermédiaires appelés neurofilaments renforcent l’axone des neurones Rôles : - Résistance et soutien de la cellule - Point d’ancrage des organites cellulaires - Adhérence et cohésion cellulaire en participants à des jonctions intercellulaires spécialisées (desmosomes et hémidesmosomes). c) Les microtubules Présents dans le cytoplasme de toutes les cellules eucaryotes. Ce sont des tubes creux, long et droits, formés de 13 protofilaments disposées couronne. Chaque protofilament se forme de l’association de dimères de tubuline alpha et beta, 2 protéines globulaires. Les microtubules sont polarisés. L’extrémité + se termine par une couronne de tubuline β, et l’extrémité – se termine par une couronne de tubuline α. La formation de microtubule se forme de – vers +. Le GTP lié à la protéine α est exposé vers l’intérieur donc jamais hydrolysé. Le GTP lié à la tubuline β est exposé vers l’extérieur, donc peut être hydrolysé. Esgain Charles 28  Les microtubules sont liés à de nombreuses protéines qui régulent la vitesse d’assemblage/de désassemblage ou les organisent en édifices complexes. Ex : protéines tau : spécifiques des neurones : association aux microtubules régulée par l’état de phosphorylations de sites spécifiques. Lien établi entre hyperphosphorylation des protéines tau et des maladies neurodégénératives. D’autres sont des microtubules solitaires, qui rayonnent àptd centre organisateur de microtubules (MTOC) généralement localisé près du noyau. Leur extrémité + est toujours orientée vers la périphérie de la cellule. La majorité des cellules animales possèdent un MTOC unique appelé centrosome. Le centrosome contient une paire de structures cylindriques appelées centrioles. La majorité des cellules de champignons et de végétaux ne contiennent pas de centrioles. - Chez les champignons, le MTOC est inclus dans l’enveloppe nucléaire (corps du pôle du fuseau). - Chez les végétaux supérieurs, la nucléation des microtubules se fait à partir de plusieurs sites répartis tout autour de l’enveloppe nucléaire. Le centrosome des cellules animales est composé d’une matrice protéique qui entoure une paire de centrioles (perpendiculaires). Il permet la nucléation (- vers +) des microtubules, dirigée par des protéines de la matrice péricentriolaires (tubuline γ de la matrice, et non pas les centrioles !). Il permet aussi de stabiliser l’extrémité – à l’équilibre (l’assemblage se déroule à l’extrémité +). Structures microtubulaires stables : les centrioles Les centrioles sont disposés perpendiculairement l’un par rapport à l’autre, et chacun est constitué de 9 triplets de microtubules disposés en cercle. Ils se répliquent lorsque la cellule se prépare à se diviser. À noter que seul le microtubule le plus interne est complet (partage 3 protofilaments avec celui du milieu, qui partage également 3 protofilaments avec le microtubule le plus externe). Structures microtubulaires stables : les cils et flagelles a) Formation : - Migration du centrosome sous la membrane plasmique - Amarrage du centriole mère à la membrane plasmique (=corpuscule basal) - Élaboration de l’axonème (9 doublets périphériques reliés entre eux par des ponts de nexine, et reliés à 1 central) du cil ou du flagelle à partir du centriole mère C’est donc une projection SOUS la membrane plasmique, et non pas en dehors comme chez les procaryotes (appendices protéiques qui se projettent). → Axonème : 9 doublets de microtubules périphériques (dont seul le microtubule interne est complet, il partage 3 protofilaments à l’externe) reliés entre eux par des ponts de nexine, et reliés par des ponts radiaires à 1 doublet central qui est entouré d’une gaine protéique. b) Description : - Projection de microtubules associés à des protéines - Ancrés à la cellule par un corpuscule basal - Recouverts par la membrane plasmique Esgain Charles 29  Les mouvements des flagelles et des cils n’est pas le même ; le flagelle ondule, à la manière d’un serpent tandis que les cils ont un mouvement de battement dissymétrique, avec alternance d’un mouvement de propulsion rapide et d’un mouvement de récupération lent. Les flagelles permettent la mobilité de la cellule dans le milieu : - Spermatozoïdes dans les voies génitales, - Euglènes, trypanosomes dans leur milieu Les cils permettent : le déplacement de la cellule ou du milieu autour de la cellule : - Cils de la trachée (mucus) - Cils des trompes utérines (ovocytes) - Cils des protistes (nutriments, propulsion) Ces mouvements se font grâces aux protéines motrices de dynéine avec dépense d’ATP. Activées, leurs têtes globulaires essaient de se déplacer pour faire glisser les doublets de microtubules voisins l’un contre l’autre. Les nexines empêchent un déplacement net mais permettent un déplacement limité (car un peu élastiques). La force exercée par les bras de dynéine induit un mouvement de courbure à l’origine des ondulations du flagelle ou des battements du cil. Les microtubules sont également impliqués dans le déplacement intra-cellulaire. Les microtubules interviennent par deux mécanismes distincts : - Assemblage et ou désassemblage de microtubules (tapis roulant) - Formation de rails sur lesquels se déplacent des protéines motrices qui portent une cargaison. Déplacement de matériel au sein des cellules Les centrosomes élaborent les fibres de l’appareil mitotique lorsque la cellule se divise. Chaque fibre est formée de plusieurs microtubules. Des fibres du fuseau émanant des 2 pôles se fixent aux kinétochores (complexe protéique) des chromosomes et tirent les chromatides vers les pôles. Ensuite, le raccourcissement des microtubules auxquels sont fixés les chromosomes permet la migration des chromosomes vers les pôles lors de la division cellulaire. Le mouvement des chromosomes est induit par le désassemblage des microtubules kinétochoriens par leur extrémité +. L’extrémité + des microtubules reste associée au kinétochore des chromatides malgré la libération de tubuline (interaction préférentielle des protéines du kinétochore avec la tubuline liée) → les chromatides se rapprochent progressivement d’un pôle (dia 170). Rails statiques : 2 familles de protéines motrices s’y déplacent : les kinésines (vers l’extrémité +) et les dynéines (vers l’extrémité -). Tête est arrimée aux rails, et la queue permet de transporter la cargaison. Ce sont donc les têtes qui se déplacent. Chaque pas nécessite l’hydrolyse d’1 ATP. Principe des protéines motrices : chgt de confo induit par de l’énergie (ex : hydrolyse ATP). C’est ça qui est important. Synthèse p 177 – 178 Esgain Charles 30  1.5.7. Le cytoplasme Le cytoplasme = contenu cellulaire délimité par la membrane plasmique (et l’enveloppe nucléaire) chez les eucaryotes. Il contient : - Le cytosol = fluide intracellulaire contenant les ions et molécules organiques en solution. Les rôles du cytosol sont : la prise en charge du métabolisme intermédiaire ; synthèse et dégradation des protéines, stockage des graisses, du glycogène, et des vésicules de sécrétion. - Les organites et ribosomes - Le cytosquelette On y trouve des inclusions cytoplasmiques (stockage de graisse, du glycogène, vésicules de sécrétions, …). 1.5.8. La membrane plasmique La membrane plasmique est un assemblage complexe de lipides, protéines et glucides régulant les échanges de matière et d’information avec l’extérieur de la cellule. La structure de base est la bicouche de glycérophospholipides (polaires), où sont enchâssées des protéines, glycoprotéines, lipides et glycolipides. Les chaines glucidiques des protéines et des lipides pointent vers l’extérieur. Il n’y a pas de pores (contrairement à l’enveloppe nucléaire). Rôles : - Les lipides empêchent que la membrane ne se désagrège en milieu aqueux → maintien de l’intégrité du compartiment cellulaire. - Les protéines peuvent avoir différentes fonctions, mais 2 grandes fonctions prédominent : permettent le transport à travers la membrane, mais également la communication. Ces deux fonctions permettent un contrôle des échanges cellulaires. - Les glucides sont tjrs du côté extracellulaire. Ils permettent la reconnaissance cellulaire. 1.5.9. La matrice extracellulaire La Matrice Extra Cellulaire (MEC) est constituée de macromolécules : protéines et protéoglycanes. Le type cellulaire prédominant est le fibroblaste, responsable de la sécrétion de la MEC. À l’interface de l’épithélium et du tissu conjonctif, la MEC forme une lame basale à laquelle adhèrent les cellules (jonctions : hémidesmosomes). Le cytosquelette est relié à la MEC par des protéines : les intégrines. La matrice contribue non seulement au soutien et à l’adhérence des cellules, mais aussi permet aux cellules d’un même tissu de coordonner leurs activités. Le constituant majeur de la MEC est le collagène (famille de glycoprotéines fibreuses) qui forme des fibres inextensibles résistantes à la traction. Elles facilitent aussi l’organisation de la MEC. Autre protéine abondante : l’élastine, qui assure l’élasticité et est sécrétée principalement par les fibroblastes durant la période de croissance. Elle est progressivement remplacée par du collagène inextensible (vieillissement cutané). Les vergetures reflètent une atrophie du réseau d’élastine, à la suite de contraintes mécaniques qui ont été trop importantes. Irréversibles. Les fibres de collagène et d’élastine sont intégrées dans un réseau complexe de protéoglycanes. Complexe de protéoglycanes : Protéine de liaison, à laquelle vient se greffer des chaines polysaccharidiques non ramifiées chargées négativement (= protéine + glyco-amino-glycane). Les GAG sont formés par la répétition de sucres dont un sucre aminé N-acétylé généralement sulfaté. Ces GAG sont trop rigides pour se ramifier. Ils ont une forte capacité de rétention d’eau (chargés négativement). Esgain Charles 31  Un complexe de protéoglycanes est formé d’une centaine de protéoglycanes liés de façon non covalente à un long GAG particulier (hyaluronate). En résumé, la MEC présente des propriétés de résistance comparable à du béton armé : résistance à la compression (complexes de protéoglycanes), et résistance à la traction (fibres de collagènes). La MEC est fixée à la membrane plasmique par des glycoprotéines appelées fibronectines. Celles- ci ancrent la matrice à des protéines membranaires, les intégrines, se liant elle-même à des molécules du cytosquelette : - La fibronectine : peut être comparée à un adaptateur capable de lier la MEC à des protéines de la membrane plasmique, comme des intégrines. Elle est formée de 2 sous-unités reliées par 2 ponts disulfures à l’extrémité C-terminale. Elle est composée de domaines rigides reliés par des parties flexibles. Chaque domaine est pourvu de sites de liaison soit à des constituants de la MEC soit à des protéines membranaires. - Les intégrines sont quant à elles des protéines membranaires, qui sont d’une part liées aux molécules de la MEC, et d’autre part liées au cytosquelette via des protéines de liaison. Les interactions que les intégrines effectuent avec les éléments de la MEC sont relativement faibles mais nombreuses, donc solides (~velcro). Elles permettent d’activer des voies de signalisation intracellulaire en transmettant des signaux extérieurs au cytosquelette. 1.5.10. Le glycocalyx Le glycocalyx est un manteau cellulaire formé de chaines glucidiques : glycolipides et glycoprotéines membranaires, ainsi que glycoprotéines et protéoglycanes de la MEC. Ce glycocalyx va créer un environnement riche en eau autour de la cellule (car sucres sont hydrophiles) et donc protéger des lésions mécaniques. Il confère également l’identité cellulaire, et favorise l’adhérence ou limite les interactions non désirables selon les cas. 1.5.11. Les parois végétales La nature chimique et la structure de ces parois varient et diffèrent de celles de procaryotes, mais leur fonction est également d’assurer la protection et le soutien de la cellule. La paroi primaire est une paroi relativement fine, extensible, mais pas élastique. Tjrs située à l’extérieur de la cellule même lorsqu’il y a une paroi secondaire. Elle est élaborée dès la fin de la division cellulaire et renforcée dès qu’il y a une division cellulaire. Lorsque la cellule est mature, la paroi a tendance à s’épaissir et se durcir. Les cellules qui n’ont qu’une paroi primaire peuvent se diviser et s’étirer. Composition : réseau lâche de fibres de cellulose, englobé dans une matrice faite d’autres polysaccharides (hemicellulose p.ex) et de glycoprotéines. Dans certains cas, présence de lignine (cf infra). La cellulose est insoluble dans l’eau mais fortement hydrophile donc la paroi est imbibée d’eau. Les composants de la paroi secondaire (formées de couches) sont les mêmes que ceux de la paroi primaire mais en proportions différentes : réseau moins hydraté, moins de substance matricielle et + de cellulose, présence de lignine. Rigide et imperméable à l’eau. La paroi secondaire empêche la croissance cellulaire et les échanges avec le milieu extérieur → entraîne la mort de la cellule. Dès lors, les cellules qui se divisent activement ou impliquées dans des processus métaboliques, tels que la photosynthèse, n’ont pas de paroi secondaire. Cette paroi secondaire est caractéristique des cellules matures qui assurent des fonctions telles que le transport de la sève, la protection ou le soutien de la plante. Dans la paroi secondaire, la disposition des fibres de cellulose est beaucoup plus régulière. Les couches de fibres alternent en se croisant à angle droit. Esgain Charles 32  La lignine est un polymère hydrophobe complexe formé d’alcools phénoliques, qui rend la paroi secondaire rigide, très peu perméable à l’eau, et résistante à la décomposition. Alors que la pectine et l’hémicellulose forment des liaisons hydrogène avec la cellulose, la lignine forme avec la cellulose des liaisons covalentes → la paroi primaire est souple car les liaisons peuvent se faire et défaire facilement au contraire de la paroi secondaire. En effet, la paroi lignifiée ne laissant pas passer l’eau, la cellule meurt après avoir synthétisé sa paroi secondaire. Ces cellules mortes jouent un rôle important dans le soutien de la plante et dans la conduction de la sève brute (xylème) provenant des racines. 1.6. Différences entre cellules végétales et animales Cellule végétale : possède une vacuole centrale et des organites appelées plaste. Elle est entourée d’une paroi primaire (impose un mécanisme de cytocinèse différent, et l’empêche de migrer). En général pas de cils ni de flagelle (car absence de centrioles). Ne contient pas de cholestérol mais des stérols végétaux. Synthèse : composants des cellules eucaryotes et unité structurale et fonctionnelle du vivant : p203 – 209. Annexes supplémentaires : p209 – 243 Esgain Charles 33  2. Membranes biologiques 2.1. Structure des membranes Initialement, modèle en sandwich. Actuellement, modèle de mosaïque fluide. La cryofracture permet de visualiser les protéines membranaires. Il y a plus de protéines ancrées dans le feuillet interne. Le rôle est tjrs le même : créer une barrière/séparer des compartiments. 2.1.1. Composition Bicouche de glycérophospholipides, protéines à la surface, à la face interne et transmembranaire (=traverse complètement la membrane). D’autres lipides (ex : cholestérol, sphingomyélines, plasmalogènes, cardiolipines, …). Les protéines confèrent les propriétés fonctionnelles de la membrane. Ainsi, le rapport de masse protéines/lipides varie de ¼ à 4/1. - Ex : membrane interne des mitochondries (métabolisme énergétiques) : 4/1 - Villosités intestinales (transport passif et actif de différentes molécules) : 4/1 - Gaine de myéline (rôle d’isolant) : ¼ Les membranes biologiques sont asymétriques, ce qui reflète des différences fonctionnelles. Les glycolipides se retrouvent exclusivement dans le feuillet externe qui est souvent plus épais. Les glucides varient quant à eux selon les espèces, les individus et le type cellulaire. 2.1.2. Fluidité membranaire Les phospholipides membranaires se déplacent latéralement et tournent autour de leur axe longitudinal. Les échanges d’une couche à l’autre (interne/externe) sont plus rares mais existent et sont appelés flip-flop. En effet, le flip-flop nécessite un apport d’énergie et l’aide d’enzymes intramembranaires appelées flippases. La fluidité est plus importante lorsque les AG sont insaturés et courts. La fluidité membranaire influence directement la perméabilité membranaire. Ainsi, la proportion d’AG saturés/insaturés modifie la perméabilité de la bicouche membranaire. Le pourcentage de cholestérol influence également la fluidité membranaire. Cette influence est cependant complexe, car dépend de la température : à température élevée (37°C), le cholestérol limite le mouvement des phospholipides, donc diminue la fluidité membranaire. Cependant, à températures plus basses, il entrave l’entassement des phospholipides, et diminue donc la température de fusion. Le cholestérol a par conséquent un rôle de tampon thermique. Synthèse p256. On observe que de façon générale, la composition lipidique peut s’adapter aux variations de température (ex : poissons d’eau froide ; riche en AG insaturés). 2.1.3. Protéines membranaires Les protéines confèrent à chaque type de membrane des propriétés fonctionnelles caractéristiques → La quantité et le type de protéine varie d’une membrane à l’autre. Plusieurs types de protéines : - Intrinsèques : insérées dans la membrane, les parties hydrophobes sont entourées par des chaines hydrocarbonées des lipides, tandis que les parties hydrophiles sont exposées au milieu extracellulaire et/ou au cytosol. Elles sont qualifiées de transmembranaires quand elles traversent la membrane de part en part. - Périphériques : attachées à la surface cytosolique ou EC, soit aux groupements lipidiques polaires de la face cytosolique par des interactions covalentes, soit aux domaines intra- ou extracellulaires des protéines intrinsèques par des interactions non covalentes. - À ancrage lipidiques : IC ou EC : liées par un ancrage covalent à un ou plusieurs lipides. Esgain Charles 34  Ces ancres lipidiques permettent à des protéines qui n’ont pas d’AA hydrophobes d’être intégrées à la membrane. Les détergents sont utilisés pour mettre en solution les protéines membranaires intrinsèques. Fonctions des protéines membranaires : Les protéines insérées dans la bicouche de phospholipides assurent la plupart des fonctions de la membrane (une protéine peut cumuler plusieurs fonctions). - Canaux, transporteurs, pompes, - Enzymes - Récepteurs, - Marqueurs de surface - Protéines d’adhérence - Relais entre le cytosquelette et la MEC 2.1.4. La perméabilité sélective La perméabilité sélective de la membrane repose sur : - Les propriétés biochimiques de la bicouche phospholipidique, - La présence de protéines de transport spécifiques enchâssées dans la membrane La bicouche lipidique est perméable : - Aux petites molécules non polaires ou polaires non chargées (CO2, O2, H2O, urée, …) - Aux molécules liposolubles (lipides, hydrocarbures, AG, vitamines A, D, E et K, …) - Aux ions et molécules polaires pour lesquels elle dispose d’un transporteur spécifique La bicouche lipidique est imperméable : - Aux grosses molécules - À la plupart des molécules polaires (pour lesquels elle ne dispose pas de transporteurs spécifique) - Aux ions et aux molécules chargées (idem) La membrane plasmique n’est pas homogène. Certains lipides et protéines se rassemblent transitoirement, créant une mosaïque dynamique de microdomaines différents appelés radeaux lipidiques (lipids rafts). Ces domaines, enrichis en cholestérol et sphingolipides, sont plus épais que le reste de la bicouche et leur fluidité est limitée, ce qui favorise la concentration et l’assemblage de protéines membranaires particulières en unité fonctionnelle nécessaire à la réalisation d’une activité biologique. 2.2. Transport passif 2.2.1. La diffusion Le transport passif à travers la membrane se fait par diffusion (=dissémination dans l’espace disponible jusqu’à ce que la concentration devienne uniforme dans le système). Elle résulte de l’agitation aléatoire des molécules. Les solutés diffusent du compartiment le plus concentré vers le moins concentré. Il y a deux modes de diffusion : diffusion simple et diffusion facilitée (=avec aide de protéines). Le transport passif ne nécessite pas d’énergie ! La situation est dite à l’équilibre lorsque le nombre de passages d’un côté à l’autre est le même dans 2 deux sens (eq. dynamique). Lorsqu’une membrane est perméable à l’eau et à 2 solutés, chaque substance diffuse suivant son propre gradient de concentration, indépendamment de l’autre ! (P266) Esgain Charles 35  Dans ce contexte, une substance diffuse en suivant son gradient de concentration du milieu le plus concentré au milieu qui l’est moins. (le gradient de concentration d’une espèce chimique entre deux milieux est la différence de concentration de l’espèce chimique entre les deux milieux). Pour augmenter la vitesse de diffusion on peut : - Augmenter la température du milieu (car agitation des molécules augmente) - Augmenter le gradient concentration (car vitesse proportionnelle au gradient) - Avoir des molécules de plus petite taille (car vitesse de diffusion inversément proportionnelle à la taille des molécules) 2.2.2. L’osmose Cas particulier de la diffusion où la membrane est perméable à l’eau mais pas au soluté (= semi- perméable). La concentration osmotique est fonction du nombre de solutés présents dans l’eau. L’eau diffuse d’un compartiment à l’autre de sorte à égaliser les concentrations en soluté. Des solutions de même concentration sont dites iso-osmotiques. Seules les molécules d’eau libre se déplacent, celles qui sont agglomérées autour des molécules chargées ou polaires ne se déplacent pas (coquille d’hydratation) → ex. la présence de soluté chargés ou polaires diminue la concentration en molécule d’eau libre → création d’un gradient de concentration de molécules d’eau libre → déplacement des molécules d’eau libre selon leur gradient de concentration. Equilibre hydrique des cellules dépourvues de paroi cellulaire La concentration tonique est la concentration en solutés incapables de traverser la membrane = solutés non pénétrants. Cette concentration tonique permet de qualifier donc un compartiment hypotonique et hypertonique. Ex : Globule rouge (GR) : - Dans un milieu isotonique : pas de diffusion nette de l’eau à travers la paroi plasmique. - Dans un milieu hypertonique : cellule rétractée - Dans un milieu hypotonique : cellule gonfle et finit par éclater. Ainsi, les organismes qui vivent dans milieu isotonique n’ont pas de problème d’osmose, et les autres ont acquis des mécanismes d’osmorégulation. Ex : vacuoles pulsatiles des paramécies. Equilibre hydrique des cellules pourvues d’une paroi Ex. Paroi chez les végétaux : - En milieu hypotonique, il y a un état de turgescence : une pression est développée par la paroi, qui s’oppose à la pression de turgescence, et empêche la cellule d’éclater. - En milieu hypertonique, état de plasmolyse. La membrane se rétracte alors que la paroi reste en place. La paroi n’apporte dans ce cas pas d’avantage. 2.2.3. Diffusion facilitée La diffusion facilitée se fait par une protéine membranaire spécifique. La direction est déterminée par le gradient de concentration (molécules non chargées). Le transport est passif (pas de dépense d’énergie). Saturable ! Dans ces conditions, la diffusion simple ne dépend que du nombre de soluté, etc., tandis que la diffusion facilitée dépend du nombre de transporteurs et de la vitesse à laquelle ils travaillent. Esgain Charles 36  Potentiel membranaire : correspond à la différence de potentiel électrique entre l’intérieur et l’extérieur. Toutes les membranes plasmiques ont une différence de potentiel électrique entre leurs 2 faces : l’intérieur est négatif par rapport à l’extérieur. Cette différence de potentiel électrique favorise l’entrée de cations mais s’oppose à l’entrée d’anions. Un ion ou une molécule chargée diffuse en suivant son gradient électrochimique. Dès lors, les molécules non chargées subissent uniquement l’influence du gradient de concentration. Le gradient électrochimique associe le gradient de concentration et le potentiel électrique. Ces 2 composantes peuvent s’additionner pour augmenter la force d’entrainement des ions à travers la membrane ou au contraire agir l’une contre l’autre. La diffusion facilitée nécessite un canal ou un transporteur (de type uniport, ex. perméase) - Canal : forme un tunnel hydrophile par lequel les ions diffusent sélectivement dans le sens de leur gradient électrochimique. Il est plus ou moins sélectifs (un à plusieurs types d’ions, eau, …). Rarement ouvert en permanence, l’ouverture/fermeture est commandée par des stimuli chimiques (fixation d’un ligand, interaction avec un composant intracellulaire), électrique ou mécaniques (canaux voltage-dépendant, chémo-dependant, ou mécano-dépendant). - Le transporteur quant à lui oscille entre 2 conformations permettant ou non le passage d’une molécule spécifique (sucres simples, AA, nucléosides, …) d’un côté à l’autre dans le sens de son gradient de concentration. Exemple de canaux : Les aquaporines (500 sortes différentes) jouent un rôle important dans la diffusion de l’eau à travers la membrane plasmique des cellules. Les aquaporines sont formées de 6 hélices alpha. Exemple de transporteur : transporteur du glucose : ce transporteur permet la sortie du glucose des cellules épithéliales intestinales vers le liquide extracellulaire par la membrane plasmique basolatérale de la cellule. Il expose alternativement le site de liaison au glucose à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule. Synthèse p284. 2.3. Transport actif Le transport actif se fait contre le gradient de concentration, au moyen d’un transporteur protéique spécifique. Ce transport est thermodynamiquement défavorable, une source d’énergie est donc nécessaire. Cette énergie est fournie par hydrolyse de molécules d’ATP. Le transport actif primaire permet, en liant une molécule d’ATP, de faire passer la ou les molécules d’un coté à l’autre de la membrane. Par exemple, la pompe Na+/K+ ATPase permet de faire sortir 3 Na+ et rentrer 2K+, avec hydrolyse d’ATP. Lorsque l’énergie nécessaire au transport actif n’est pas fournie par hydrolyse direct de molécule énergétique (ATP), mais que le transporteur utilise l’énergie fournie par le gradient de concentration on parle de transport actif secondaire. Ex : symport Na+/glucose : Le Na+ est hors de la cellule grâce à un transport actif primaire (Na+/K+ ATPases par exemple). Le transport secondaire introduit simultanément dans la cellule un ion Na+ (dont le gradient de concentration est favorable) et une molécule de glucose (gradient défavorable). Esgain Charles 37  Il existe différentes protéines de transport membranaire actif : P290 - La pompe : utilise l’énergie de photons, d’électrons ou libérée par l’hydrolyse de l’ATP pour déplacer de façon spécifique des ions ou de petites molécules contre leur gradient électrochimique. - Les co-transporteurs : catalysent le déplacement d’une molécule A contre son gradient électrochimique grâce à l’énergie libérée par le déplacement d’un ou plusieurs types d’ions ou d’une autre molécule (B) dans le sens du gradient électrochimique. o Symport : A et B traversent ensemble dans la même direction o Antiport : A et B traversent en sens contraire → Exemple : transport du glucose dans les cellules épithéliales intestinales : Le glucose est pompé dans la cellule au domaine apical par un symport Na+/Glucose. Une pompe Na+/K+ basolatérale permet de maintenir une faible concentration interne en Na+. Le glucose sort par diffusion facilité au niveau basolatéral, car la concentration basale du glucose (EC)est basse car le glucose retourne dans la circulation sanguine. Des jonctions serrées empêchent le retour du glucose au niveau apical → les protéines membranaires ne peuvent diffuser au travers des jonctions serrées. → Exemple : pompe à ions : Les ions sont disposés différemment intra-extracellulaire. Ainsi, un gradient se forme de part et d’autre de la membrane plasmique. Les pompes à ions permettent aux cellules d’établir et de maintenir un milieu interne différent du milieu externe. En effet, le cytoplasme est chargé négativement par rapport au liquide extracellulaire car les anions et cations sont répartis inégalement. Ces gradients constituent une réserve d’énergie (énergie potentielle) nécessaire pour réaliser divers travaux cellulaires, par exemple un cotransport. Les principales pompes sont la pompe Na+/K+ ATPase chez les animaux et la pompe H+ chez les procaryotes, végétaux et champignons. Résumé : Les molécules traversent la membrane par un transport actif ou un transport passif. Le transport passif ne nécessite pas de source énergétique, contrairement au transport actif. TRANSPORT PASSIF TRANSPORT ACTIF - Diffusion simple - Nécessite un transporteur spécialisé. - Diffusion facilitée (canal, transporteur, …). 2.4. Endo- et exocytose Les macromolécules, particules et parfois des cellules traversent la membrane plasmique par la formation de vacuoles ou de vésicule. - Exocytose : la cellule sécrète des macromolécules en fusionnant des vésicules de sécrétion avec la membrane plasmique. Exemple du mastocyte : des vésicules intracellulaires dites de sécrétion migrent vers la membrane plasmique, fusionnent avec elle et libèrent leur contenu à l’extérieur de la cellule. - Endocytose : la cellule fait entrer des macromolécules et des particules en formant des vacuoles ou des vésicules par invagination de sa membrane plasmique. Exemples : o Phagocytose = capture de particules de grande taille par des cellules spécialisées o Pinocytose = capture du liquide extracellulaire et des substances qui y sont dissoutes Esgain Charles 38  La phagocytose est tjrs induite par un contact spécifique entre des molécules de la membrane plasmique et des molécules du matériel à ingérer (=Adhérence). Il y a formation de pseudopodes qui englobent la cellule dans une vacuole appelée phagosome (=Ingestion). Ensuite, fusion du phagosome avec un lysosome dont les enzymes hydrolytiques digèrent le matériel endocyté (=Digestion). - Chez les protistes de type amibe : forme d’alimentation. - Chez les animaux : assure des fonctions de défense et de nettoyage (élimination de cellules étrangères, de cellules anormales, sénescentes ou mortes par apoptose). La pinocytose correspond à la capture, par la cellule, de liquide EC et de solutés qui y sont dissous, dans des petites vésicules qui se forment àptd la membrane plasmique. 4 types : sur base de la taille, du revêtement et du devenir des vésicules : - Les vésicules lisses (sans revêtement cytosolique visible en MET) - Les vésicules à clathrine - Les cavéoles - Les vésicules de macropinocytose La plupart des vésicules de pinocytose fusionnent avec un sous-compartiment de la voie endocytaire. 2.4.1. La voie endosomale Elle est constituée d’une succession de sous-compartiments cellulaires permettant de trier les molécules internalisées par endocytose. Une partie du matériel internalisé est recyclée et retourne à la membrane (=recyclage), une partie va être utilisée telle qu’elle par la cellule (=récupération) et une partie digérée (=digestion). La relation entre les différents compartiments n’est pas encore totalement comprise. Dans ce cours, hypothèse d’un compartiment unique qui se transforme. Tout au long de ce processus, le sous- compartiment migre vers le noyau et le contenu s’acidifie. Esgain Charles 39  Schéma : Pinocytose : Rappel : 4 types de vésicules de pinocytose : a) Les vésicules lisses : - Se forment continuellement par pincement de la membrane plasmique, - Entrainent l’internalisation, sans discrimination, des molécules dissoutes (soluté) dans le milieu EC → transport en vrac non spécifique, - Fusionnent avec les endosomes précoces. b) Les vésicules à clathrine : - Se forment par invagination de la membrane plasmique où s’est formé un manteau de clathrine (→ endroits particuliers de la membrane appelés puits) à la face cytosolique - Les puits représentent 2% de la surface cellulaire. La clathrine est une protéine multimérique, constituées de 3 chaines lourdes et 3 chaines légères. L’ensemble forme une triskèle, qui s’assemble avec d’autres triskèles pour former un réseau maillé, constituant le manteau de clathrine, unis à la membrane par des protéines adaptatrices. Esgain Charles 40  Les vésicules à clathrine ont la caractéristique de permettre une endocytose spécifique de macromolécules (ligands) qui se lient avec une affinité élevée à des récepteurs de la membrane plasmique. Les récepteurs permettent de concentrer les ligands à la surface cellulaire avant leur internalisation → endocytose médiée par des récepteurs. Mécanisme : le ligand se fixe sur son récepteur membranaire, les complexes récepteur-ligand sont recrutés et concentrés dans les puits, la formation des vésicules d’endocytose à partir des puits permet l’internalisation des complexes ligand-récepteur avec du milieu extracellulaire → des composants même mineurs du liquide extracellulaire peuvent être absorbés en grandes quantités dans un petit volume → transport sélectif de molécules par les cellules qui portent les récepteurs correspondants → le transport est sélectif. Cette endocytose est notamment utilisée par les cellules pour absorber les nutriments essentiels, ou éliminer des molécules comme les hormones dont la présence dans le milieu EC doit être transitoire. Exemple : cholestérol : transporté dans le sang (vers les tissus) par les LDL. Les récepteurs aux LDL diffusent dans la membrane plasmique et se concentrent dans les puits à clathrine. Des vésicules d’endocytose se forment et sont amenées aux endosomes précoces. c) Pinocytose par les cavéoles : Formation de petites vésicules en forme de poire, les cavéoles, au niveau des radeaux lipidiques de la membrane plasmique représentant 5 à 10% de la surface cellulaire et caractérisés par la présence de certains lipides et d’une protéine membranaire intrinsèque : la cavéoline. La formation de cavéoles est induite par un mécanisme d’endocytose médiée par la fixation d’un ligand sur un récepteur membranaire → endocytose médiée par des récepteurs. Le contenu des cavéoles est livré aux endosomes précoces puis véhiculés jusqu’à la lumière du RE ou livré à la membrane plasmique d’en face (= transcytose, ne fait que traverser la cellule d’un bout à l’autre). À l’exception des cellules endothéliales, la fréquence et la vitesse de ce type de pinocytose sont largement inférieures à la pinocytose dépendante de la clathrine. Ainsi, le rôle physiologique de cette voie (à l’exception des cellules endothéliales) reste à déterminer. d) Macropinocytose : La macropinocytose est caractérisée par des grandes vésicules appelées macropinosome. Internalisation d’un volume important de liquide (sans trop de s?