Biologie Générale - Communication et Signalisation Cellulaire PDF

WMD1120 Biologie Générale 3 Chapitres Communication & signalisation cellulaire (10h) Evolution (10h) Pour les étudiants en Sciences biomédicales Approches expérimentales de la Biologie (10h) lundi 13h30 Pascal Kienlen-Campard...

WMD1120 Biologie Générale 3 Chapitres Communication & signalisation cellulaire (10h) Evolution (10h) Pour les étudiants en Sciences biomédicales Approches expérimentales de la Biologie (10h) lundi 13h30 Pascal Kienlen-Campard [email protected] 1  Organisation du cours I. Communication & signalisation cellulaire (FARM-SBIM) Séances le lundi 10h45, mardi 10h45, mercredi 13h30 10h II. Evolution (FARM-SBIM) Séances le lundi 10h45, mardi 10h45, mercredi 13h30 10h Enregistrements vidéo III. Approches expérimentale de la biologie (SBIM) 10h 5 Séances le lundi 13h30-15h30 à partir du 21/11 Enregistrements vidéos 2  Toutes le vidéos de cours seront disponibles sous forme d’ezcast (site Moodle) Forum de discussion par chapitre 3  Examen Cette année Sous forme de QCM, pour chaque question un choix de 6 réponses possibles Bonne réponse = 1 point 1 ou 2 bonnes réponses possibles par question. Le nombre de bonnes réponses vous sera précisé. La réponse est considérée comme exacte (1point) si vous donnez toutes les bonnes réponses (1 ou 2). Elle est considérée comme inexacte (0 point) si vous donnez toute autre forme de réponse. Elle est considérée comme une abstention si vous ne répondez pas (0 point). « Le maître dont l'oracle est à Delphes ne dit, ni ne cache, mais il indique » « Much learning does not teach understanding » 4  WMD1120 Biologie Générale Ouvrages de référence Biologie (5è édition française, 12è édition anglaise) Raven et al. Eds: De Boeck/Mc Graw Hill Biologie (9è édition française, 11è édition anglaise) Campbell et al. Eds: Pearson Site moodle du cours WMD1120 Contact: Pascal Kienlen-Campard [email protected] 5  WMD1120 Biologie Générale Partie 1. Communication et signalisation cellulaire I. L’organisation cellulaire du vivant II. L’organisation et les propriétés de la membrane plasmique III. Le transport de substances à travers la membrane IV. Communication cellulaire et transduction de signal 6 La Biologie est l’étude des être vivants Des caractéristiques partagées par les êtres vivants Organisation cellulaire: tous les organismes sont constitués d’une ou plusieurs cellules. Complexité ordonnée: Tous les êtres vivants sont complexes et ordonnés (organisation hiérarchique). Sensibilité: tous les organismes répondent à des stimuli. Utilisation d’énergie: tous les organismes absorbent de l’énergie qu’ils utilisent pour assumer leurs fonctions. Homéostasie: Tous les organismes maintiennent des conditions internes relativement constantes. Adaptation évolutive: tous les organismes interagissent avec leur environnement et développent des adaptations à cet environnement. 7  I. L’organisation cellulaire du vivant L’organisation cellulaire du monde vivant Tous les organismes vivants sont constitués de cellules: Procaryotes Eucaryotes Unicellulaires Multicellulaires 8  Escherichia coli Paramécies Saccharomyces cerevisae Bactérie Protistes Levure Procaryote Eucaryotes Eucaryote Unicellulaire Unicellulaire Unicellulaire Monde végétal Monde animal Homo sapiens …et ses 3.1013 soit 30.000 milliards de cellules Cellule d’épiderme de bulbe d’oignon 9 La théorie cellulaire est la théorie centrale et principale de la biologie cellulaire et un fondement reconnu de la biologie en général Les 3 principes élémentaires de la théorie sont : Tout organisme vivant est composé d'une ou plusieurs cellules. La cellule est élémentaire à la vie. Toute cellule provient d'une autre cellule, par biogénèse. Membrane plasmique La compartimentalisation Milieu extracellulaire Cytoplasme Membrane Noyau (eucaryotes) Milieu intracellulaire 10  II. L’organisation et les propriétés de la membrane plasmique 1. Structure générale 2. Propriétés de la bicouche lipidique 3. Les protéines membranaires L’exemple pris sera celui des cellules animales. Dans la cellule végétale, la membrane plasmique existe de manière analogue mais est entourée d’une épaisse paroi cellulaire rigide qui soutient la forme de la cellule (paroi pectocellulosique formée de cellulose et de protéines). 11 1. Structure générale Une architecture de base se retrouve dans toutes les membranes cellulaires: Une bicouche de phospholipides Des protéines transmembranaires Un réseau de protéines intracellulaires les soutenant et stabilisant leur forme Des marqueurs de surface qui diffèrent entre les cellules et leur confèrent une identité propre 12 Les phospholipides 13  Les phospholipides Molécules amphipathiques Ex: la phosphatidylcholine (lécithine) Choline Phosphate Hydrophile Glycérol Acide gras Hydrophobe Formule Modèle Icône 14 Les phospholipides diffèrent par: La nature du groupement lié au glycérol (phosphoglycérolipides) La taille et la nature des chaines d’acides gras 15 Plusieurs famille de lipides membranaires Les sphingolipides Structure générale R= Atome d’hydrogène (céramide) Phosphocholine(sphingomyéline) 16  2. L’organisation en bicouche lipidique phospholipides Bicouches lipidiques Liposomes hydrophile hydrophobe 17 18  Le modèle de la mosaïque fluide une bicouche de phospholipides formant une barrière imperméable; + cholestérol (dans les cellules animales) des protéines transmembranaires exerçant diverses fonctions (transport, communication,...) un réseau de protéines intracellulaires (périphériques) liées au cytosquelette, assurant le soutien divers marqueurs de surface, sous forme de chaînes glucidiques liées à des protéines (glyco-protéines) ou des lipides (glyco-lipides), donnent l’identité des cellules. Forment ensemble le glycocalyx 19  fluide extra-cellulaire têtes polaires L’organisation des phospholipides en bicouche crée une zone interne (espace queues intramembranaire) apolaire qui empêche le apolaires passage de substances hydrophiles têtes polaires cytosol protéines membranaires Fluidité les phospholipides peuvent se déplacer les uns par rapport aux autres au sein de la bicouche => mouvements dans la membrane, et déplacement des protéines membranaires expérience 20 Exercice 21 Le mouvement des phospholipides Flip (bascule) Flick (latéral) 22 Les mouvements et la fluidité dépend de la composition intrinsèque des membranes: Nature des chaines d’acides gras (saturés/insaturés) Présence de cholestérol (augmente la fluidité) + rigide + souple 23 Dans le cas d'une structure moléculaire compacte et cohésive, le cholestérol écarte les molécules de phospholipides et augmente la fluidité membranaire 24  Les acides gras saturés et insaturés Structure chimique d'un acide gras poly-insaturé. Numérotation des carbones selon la nomenclature chimique (en bleu, sous la molécule) et biochimique (en rouge, au-dessus de la molécule) L'acide palmitique (16 atomes de carbone) un exemple d'acide gras saturé. A. acide trans-9-octadécènoïque B. acide cis-9- octadécènoïque (acide oléique) 25  Composition asymétrique des feuillets internes et externes Ext Externe: Phosphatidylcholine Sphingomyéline (n’est un phosphoglycérolipide) Glycolipides Interne: Phosphatidyléthanolamine Phosphatidylsérine Phosphatidylinositol Int 26 Les courbures membranaires Les différentes espèces de lipides membranaires imposent des courbures Courbure membranaire et fission Cylindrique Conique Conique Inversé 27 Propriétés de la membrane La membrane est peu perméable à la plupart des molécules polaires (peu solubles dans le cœur hydrophobe de la bicouche lipidique). L’eau est polaire Le dioxyde de carbone est apolaire Ethanol? Oxyde nitreux (protoxyde d’azote)? 28  Les molécules chargées électriquement (ions) ont des coefficients de perméabilité inférieurs à ceux de la même espèce polaire neutre. Les anions diffusent généralement mieux à travers les bicouches lipidiques que les cations. La vitesse de diffusion des petites molécules apolaires non chargées à travers les bicouches lipidiques et de plusieurs ordres de grandeur plus élevée que celle des ions et de l'eau (ex: dioxyde de carbone) Les lipides et les solvants organiques tels que le chloroforme et l'éther diéthylique diffusent à travers la membrane Les molécules plus grosses diffusent plus lentement, indépendamment de leur nature polaire ou apolaire. 29 3. Les protéines membranaires 30 Les protéines membranaires Les protéines membranaires peuvent être classées en fonction des structures leur permettant d'interagir avec la membrane et la manière dont celles-ci s'agencent. Les types de structures mises en jeux et leurs organisations sont regroupés sous le terme de topologie membranaire. Les protéines monotopiques sont des protéines en contact avec un seul des compartiments définis par la membrane 1. interaction par une structure parallèle au plan de la membrane 2. interaction par une boucle hydrophobe 3. interaction par liaison covalente avec un lipide membranaire (lipidation) 4. interaction par liaison électrostatique directe ou indirecte avec les lipides membranaires 31 Les protéines polytopiques sont des protéines en contact avec les deux compartiments définis par la membrane. Souvent présentées comme protéines transmembranaires, qui traversent la membrane Les différentes types de protéines membranaires polytopiques 1. Protéine à un domaine transmembranaire 2. Protéine à plusieurs domaines transmembranaires 3. Protéine organisée autour de nombreux domaines (tonneau) transmembranaires. 32  domaines transmembranaires Protéines transmembranaires traversent la membrane de part en part possèdent un (ou plusieurs) domaine transmembranaire, constitué d’acides aminés apolaires (hydrophobes), retenu à l’intérieur de la bicouche lipidique Les extrémités polaires de la protéines font saillie de part et d’autre de la membrane Protéines extrinsèques attachées à la membrane par des protéine molécules d’ancrage qui s’associent extrinsèque aux phospholipides molécule d’ancrage les molécules d’ancrage sont des lipides modifiés attachés d’une part à la protéine (lipoprotéine) et insérés d’autre part dans la membrane 33 Fonction des protéines membranaires cellule cellule 1 2 Protéines d’adhérence: permettent aux cellules d’adhérer les unes aux autres interactions transitoires ou permanentes Protéines de fixation au cytosquelette souvent des protéines d’adhérence fixation au cytosquelette par l’intermédiaire de protéines de liaison (adaptatrices) 34 La présence de protéines d’adhérence et de protéines de fixation au cytosquelette permettent d’établir des contacts directs et permanant fixant l’architecture d’un groupe de cellules: jonctions (cellules animales) plasmodesmes (cellules végétales) Etablissent des contacts transitoires par exemple dans de phénomènes d’adhérence dynamiques (contact) qui permettent de remodeler un tissu 35 Les jonctions cellulaires 36  Ceinture étanche (« tight junction ») La barrière hémato-encéphalique est une barrière physiologique entre la circulation sanguine et le système nerveux central (SNC). Elle sert à réguler le milieu (homéostasie) dans le cerveau, en le séparant du sang. Les cellules endothéliales qui sont reliées entre elles par des jonctions serrées et qui tapissent les capillaires sanguins sont les composants essentiels de cette barrière. 37 La barrière hémato-encéphalique sépare la circulation sanguine et le liquide céphalo-rachidien dans lequel baignent le cerveau et la moelle épinière. Elle agit comme un filtre ou une barrière d’échange entre le cerveau et la circulation sanguine (le cerveau draine environ 20% du sang pompé par le cœur) 38 39 Jonction adhérentes et desmosomes Adhérence des cellules entre elles ou à la lame basale (adhérence des cellules épithéliales au tissu conjonctif) Ancrage au cytosquelette 40  Cellule a Cellule b Jonctions communicantes Elles sont perméables et mettent en relation le cytoplasme de 2 cellules voisines 41 Fonction des protéines membranaires Transporteurs: transfert sélectif de substances à travers la membrane (entrée ou sortie) deux types: canaux ou transporteurs La présence canaux ou de transporteurs confère de propriétés de perméabilité particulière à la membrane, et permet notamment le transport de molécules pour lesquelles la membranes est peu ou pas perméable 42 Fonction des protéines membranaires Enzymes de nombreuses réactions enzymatiques ont lieu à la face interne de la membrane plasmique 43 Fonction des protéines membranaires Récepteurs de surface: reconnaissent des molécules à l’extérieur de la membrane transmettent lorsqu’ils sont activés un message à l’intérieur de la cellules Marqueurs de surface le plus souvent des glycoprotéines marquent les cellules pour leur donner une identité spécifique 44  Marqueurs de surface: le système ABO (groupes sanguins) Le groupe sanguin d’un individu est déterminé par certains antigènes (protéines) présents à la surface de ses globules rouges Il est reconnu par des anticorps du système immunitaire qui provoquent l’agglutination et la lyse des globules rouges étrangers 45  III. Le transport de substances à travers la membrane 4. Transport passif à travers la membrane 5. Transport actif à travers la membrane 6. Endocytose et exocytose 46 La perméabilité membranaire et les transports membranaires flux continuel (entrée et sortie) de molécules entre la cellule et le milieu extérieur: capture de nutriments ajustement du pH, des concentrations ioniques sécrétion de substances communication locale ou à distance la bicouche lipidique, en raison de sa nature hydrophobe, laisse passer des molécules apolaires, mais est imperméable aux molécules polaires et à des composés de grande taille Plusieurs modes de passage de molécules à travers la membrane diffusion simple à travers la bicouche lipidique (molécules apolaires) transport à l’aide de protéines transmembranaires (molécules polaires, chargées) endocytose/exocytose par repliements de la membrane (grandes molécules) Ces différents mécanismes offrent des possibilités de régulation du passage de substances à travers la membrane 47 4. Le transport passif à travers les membranes 48 La diffusion à travers la membrane Elle se réalise selon un gradient de concentration Elle permet l’entrée ou la sortie de molécules O2, CO2,... eau, ions, glucose,... Elle ne nécessite pas d’énergie Entrée Sortie 49 Diffusion: principe les molécules et ions en solution sont en mouvement constant => mouvement net depuis les régions plus concentrées vers les régions moins concentrées (= diffusion) jusqu’à l’égalisation des concentrations (équilibre) 50  Diffusion simple concerne les molécules apolaires, non chargées, capables de passer à travers la bicouche lipidique exemple: O2, CO2, hormones stéroïdes,... selon le gradient de concentration passage dans les deux sens possibles, jusqu’à l’égalisation des concentrations 51 Diffusion facilitée (= transport passif) également selon le gradient de concentration pour les molécules polaires et/ou chargées incapables de passer pas à travers la bicouche lipidique exemple: ions, glucose, acides aminés,... passage par des structures protéiques transmembranaires, deux types: - canaux - transporteurs ne requiert pas d’énergie 52 Les canaux ioniques formés de protéines transmembranaires circulation libre (entrée - sortie) des ions, en fonction de leur gradient de concentration souvent spécifiques pour un ion donnée (Ca++, Na+, K+, Cl-) certains sont régulables (ouvert - fermé) ouvert fermé 53 Exemple: les canaux sodiques et potassiques L’ion potassium K+ et l’ion sodium Na+ sont des cations monovalent. La bicouche lipidique est imperméable aux cations Les canaux potassiques constituent le type le plus répandu de canal ionique et sont présents dans pratiquement tous les organismes vivants. Ils forment des pores traversant les membranes cellulaires et sont sélectifs aux ions potassium. Il existe aussi des canaux sodiques. La présence de ses canaux ouverts rend la membrane perméable au potassium et au sodium. Le flux des ions suit un gradient de concentration. Il sont souvent appelés canaux de fuite. 54  Notion de sélectivité 55 Diffusion facilitée (= transport passif) Les transporteurs également appelés “perméases“ formés de protéines transmembranaires étape de fixation de la molécule à transporter, implique une saturation possible et donc une vitesse de transport limitée (fonctionne comme un tourniquet à l’entrée d’un stade) grande spécificité pour la molécule à transporter: ex. ions, glucose, acides aminés peut fonctionner dans les deux sens (entrée - sortie) 56  Diffusion de l’eau à travers la membrane: l’osmose Principes de l’osmose Eau pure (1L): 55 moles H2O Solution NaCl 1M (1L): 1 mole NaCl dans une solution aqueuse, les molécules H2O < 55 moles dissoutes (solutés) et les molécules d’eau sont en mouvement si deux solutions de concentrations différentes sont séparées par une membrane qui est perméable à l’eau mais pas aux solutés (semi- perméable), les molécules d’eau vont migrer à travers la membrane vers la solution la plus concentrée: c’est l’osmose la pression osmotique = la pression à appliquer pour arrêter le flux d’eau la concentration osmotique d’une solution dépend de la concentration de l’ensemble des solutés la solution la plus concentrée est dite hypertonique, la moins concentrée hypotonique; deux solutions de même concentration osmotique sont dites isotoniques 57 Pression osmotique dans les cellules les solutions injectées aux patients, (par ex. perfusions) doivent être isotoniques par rapport au sang liquide physiologique: 0,9% NaCl 58  Passage de l’eau à travers la membrane la capacité de diffusion de l’eau à travers la bicouche lipidique est faible les aquaporines sont des canaux protéiques qui facilitent le passage de l’eau à travers la membrane (diffusion facilitée) ces canaux assurent des flux d’eau important dans les cellules de certains organes (ex. rein) Un disfonctionnement de l’aquaporine AQP2 est à l’origine d’un forme de diabète insipide: - production abondante d’urine diluée (jusqu’à 10 litres par jour) - dû à un manque de réabsorption d’eau par des cellules dans les reins 59 Découvert des aquaporines Les aquaporines ont été découvertes par Peter Agre en 1992 en injectant l'ARNm de la protéine dans un ovocyte de xénope alors qu'il étudiait les globules rouges et leurs membranes. Prix Nobel de chimie pour ses travaux en 2003 Injection d’ARN messagers Ovocyte injecté avec un ARN codant une aquaporine 60  Chaque aquaporine permet à 3 milliards de molécules d’eau par seconde de passer en file indienne dans son canal protéique, qui peut en contenir 10 à la fois Sans les aquaporines qui accélèrent considérablement le transport, seule une petite partie de ces molécules traverseraient la même zone de la membrane cellulaire en une seconde 61 Transport actif à travers la membrane 62  5. Transport actif à travers la membrane transport de substance à travers la membrane à l’encontre du gradient de concentration (entrée ou sortie) permet de créer des différences de concentration entre le cytoplasme et le milieu extracellulaire molécules concernées: ions, sucres, acides aminés, nucléotides assuré par des transporteurs protéiques, de spécificité variable pour les substances à transporter: - uniport: transporte une seule substance - symport: transporte simultanément deux substances dans la même direction - antiports: transporte deux substances en directions opposées ces transporteurs requièrent de l’énergie (souvent sous forme d’ATP) pour leur fonctionnement 63 64 La pompe à Na+/K+ dans la plupart des cellules, [Na+] cytosol < extérieur, et [K+] cytosol > extérieur pompage actif de Na+ hors de la cellule, et de K+ dans la cellule assuré par un transporteur protéique antiport, la pompe à Na+/K+ transport actif requérant de l’énergie (fournie par l’ATP) 1. trois Na+ se lient à la pompe côté cytosol 2. changement de conformation et liaison d’un ATP qui cède un phosphate P à la pompe 3. cette phosphorylation induit un autre changement de conformation, et les Na+ sont libérés à l’extérieur 4. dans cette conformation, la pompe a une forte affinité pour le K+, et en fixe deux côté extérieur 5. nouveau changement de conformation, et perte du P 6. retour à la conformation initiale, perte d’affinité pour K+ (libérés), de nouveaux Na+ prennent place NB: il est estimé que chaque pompe peut transporter au moins 300 Na+ par seconde ! 65 Le maintien des concentration ioniques intracellulaires et extracellulaires La concentration en K+ est typiquement 30 à 40 fois plus élevée à l'intérieur des cellules qu'à l'extérieur, alors que la situation est inversée pour Na+ Ces différences sont engendrées et maintenues par l’activité de la pompe ou échangeur Na+/K+ 66 Le potentiel électrochimique de la membrane Les concentrations ioniques (ex: Na+ et K+) sont différentes de part et d’autre de la membrane (compartiments extracellulaires et intracellulaires) Les perméabilités aux ions dépendent dans une cellule de le présence de canaux ioniques (ex: Na+ et K+) Dans un état « repos » c'est le mouvement de K+ au travers de la membrane qui prédomine, parce qu'il y a plus de canaux potassiques que de canaux sodiques ouverts. L’ensemble de ces mécanismes créent dans les cellules un potentiel de membrane ou une différence de potentiel entre la face interne (chargée négativement) et la face externe de la membrane (chargée positivement) Ex: le neurone 67 Comment un mouvement ionique produit un signal électrique? Cas où la membrane est perméable à l’ion considéré K+ K+ Cl- Un équilibre électrochimique est atteint quand la différence de potentiel électrique s’oppose exactement au gradient de concentration 68 En conséquence les modifications de potentiel de membrane influencent les flux ioniques 69 Il y a une relation entre le potentiel de membrane et la direction du flux d’ions K+ 1à2 2à1 70 Le potentiel de membrane au repos Au repos, très peu de canaux sodium sont ouverts Il en résulte que le potentiel de repos est principalement du à une sortie de potassium de la cellule Ceci a pour effet de créer un gradient de charges aux abords de la membrane Certaines toxines, comme le venin de scorpion, bloquent les canaux potassiques en se fixant sur un site localisé à l'intérieur même du canal 71  Si le potassium sort en permanence de la cellule, il finira par annuler son gradient de concentration. Il faut donc concevoir un mécanisme faisant entrer du potassium à l'intérieur de la cellule contre son gradient de manière à maintenir son équilibre ionique. La pompe membranaire à activité ATPasique pompe Na+/K+ transporte activement, contre leurs gradients, 3 ions Na+ du milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire en échange de 2 ions K+ du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire. 72 Le potentiel de repos (exemple des neurones) Au repos Le membranes neuronales 3 possèdent un nombre supérieur de canaux assurant le transport passif du K+/canaux assurant le 2 transport passif du Na+ La perméabilité des membranes neuronales au K+ >>> Na+ L'état de repos polarisé de la plupart des cellules est du à la présence de canaux potassiques ouverts. Ce sont des canaux potassiques à quatre segments transmembranaires qui sont constitutivement ouverts 73 Un potentiel de repos existe dans toutes les cellules excitables: La membrane est polarisée Une cellule excitable est une cellule capable de décharger un potentiel d'action en 3 réponse à une dépolarisation suffisante de son potentiel de membrane. 2 Neurone Cellule bêta des îlots de Langerhans Cellule musculaire striée les solutions injectées aux patients, (par ex. perfusions) doivent être isotoniques par rapport au sang liquide physiologique: 0,9% NaCl (masse/volume). MM NaCl = 58 g.mol-1 Que se passerait-il en cas d’injection d’une solution 0,9% KCl (masse/volume). MM KCl = 74 g.mol-1 ? 74 Le co-transporteur Na+/glucose (SGLT) dans les cellules de l’épithélium intestinal co-transporteur symport transport passif de Na+ => flux qui fournit l’énergie pour le transport actif du glucose (ne requiert donc pas d’ATP) 1. Deux Na+ se lient au transporteur côté extracellulaire (attirés par des charges – sur la protéine). 2. Changement de conformation du co-transporteur et liaison d’un glucose. 3. Le flux d’ions permet le passage du glucose, un nouveau change- ment de conformation s’ensuit. 4. Le glucose et les Na+ sont libérés dans le cytosol. 75 Transport couplé Exemple de symport couplé 1. Le transporteur Na+ / Glucose. Le Na+ est transporté suivant son gradient de concentration. Simultanément, une molécule de glucose est introduite dans la cellule 2. Le gradient de Na+ est maintenu grâce à l’échangeur sodium/potassium qui pompe le Na+ à l’encontre de son gradient de concentration. Consomme de l’énergie (ATP). 76 Canaux et transporteurs dans le réseau membranaire interne on trouve également des canaux et des transporteurs passifs ou actifs dans la membrane de différents organites à l’intérieur de la cellule permet le contôle de la répartition de solutés au sein des différents compartiments de la cellule deux exemples: Canaux calcium (passif) Pompe à protons (actif) membrane du REL membrane des lysosomes 77 6. Endocytose et exocytose: transport en vrac 78 Les macromolécules (protéines, polysaccharides, et lipides) ainsi que les microorganismes et autres particules traversent la membrane plasmique via la formation de vésicules On distingue : endocytose: - pour l’entrée dans la cellule - importante pour la nutrition cellulaire, et l’incorporation de macromolécules dans des structures intracellulaires - également impliquée dans la destruction de microorganismes par des cellules spécialisées du système immunitaire exocytose: - pour l’exportation hors de la cellule - impliquée dans la sécrétion d’hormones, et d’autres substances 79  Trois types d’endocytose Phagocytose: pour les particules (cellules, microorganismes, fragments organiques) la membrane entoure la particule, puis se referme pour créer une vésicule Pinocytose: pour les substances dissoutes capture sous forme de gouttelettes de fluide invagination de la membrane et formation d’une vésicule 80 Endocytose via récepteur: pour des macromolécules spécifiques: ex. trans- ferrine (transport du fer); lipoprotéines LDL (transport du cholestérol) fixation préalable des macromolécules sur des récepteurs membranaires protéiques (“attirent“ ces molécules même si elles sont peu concentrées) généralement dans une région de la membrane où le feuillet interne est recouvert d’une assise protéique particulière (formée de clathrine) invagination de la membrane et formation d’une vésicule enrobée de clathrine Le mécanisme est saturable 81  Endocytose Destination des vésicules d’endocytose: la plupart des macromolécules et particules ingérées par endocytose finiront par être dégradées dans des lysosomes, et les composés qui en résultent pourront passer dans le cytosol certaines vésicules d’endocytose vont s’associer au Golgi, à partir duquel les molécules endocytées seront dirigées vers des compartiments spécifiques de la cellule Les vésicules d’endocytose peuvent être recyclée vers la surface cellulaire 82 Hypercholestérolémie familiale: dysfonctionnement du récepteur nécessaire à l’endocytose de la lipoprotéine LDL le LDL chargé de cholestérol reste dans le sang formation de dépôts de cholestérol dans différentes parties du corps (ex. paupières), ainsi que dans les artères (risques cardio- vasculaires) 83  Triglycéride Glycérol Acides gras Principaux composants des graisses animales Lipoprotéine LDL Cholestérol Ester 84 85  Exocytose les molécules destinées à la sécrétion sont incluses dans des vésicules dérivant du Golgi ces vésicules de sécrétion migrent vers la membrane plasmique elles fusionnent avec la membrane plasmique et libèrent leur contenu à l’éxtérieur 86  molécules sécrétées: - hormones (transmission de messages à distance) - neurotransmetteur (signalisation d’une cellule nerveuse à l’autre) - composants de la matrice extracellulaire - mucus - autres composants et métabolites intra-cellulaires Sécrétion d’insuline par des cellules de pancréas de rat 87 Mécanismes de transport à travers la membrane plasmique Résumé 88 89  Transport cellulaire: exemple des cellules de l’intestin Flux de Na+ et de glucose, depuis la lumière intestinale vers le milieu intra-corporel. Implique des transports passifs et actifs dans les cellules de l’épithélium intestinal. - Na+: transport passif (SGLT1) côté apical, et actif (pompe Na+/K+) côté baso-latéral - Glucose: transport actif (SGLT1) côté apical, et passif (GLUT2) côté baso-latéral (+ exocytose) S’ensuit un flux d’eau (osmose) indispensable à la bonne hydratation. => solution de réhydratation = mélange Na+ et glucose 90 Communications cellulaires et transduction de signal 1. Aperçu général 2. Les types de communications 3. Les récepteurs et la transduction du signal A. Principe général B. Les récepteurs i. les récepteur intracellulaires ii. Les récepteurs enzymatiques (activité tyrosine kinase) iii. Les récepteurs couplés à une protéine G C. La transduction du signal i. La notion de cascade de phosphorylation ii. La notion de second messager D. La réponse cellulaire 91 1. Communications cellulaires: aperçu général les communications inter-cellulaires, permettent aux cellules de s’influencer mutuellement via un mécanisme de signalisation cellulaire implique une molécule de signalisation (ligand), et une protéine qui reconnaît le ligand (récepteur) divers types de ligands: peptides, protéines, nucléotides, stéroïdes, petites molécules... la signalisation aboutit via une voie de transduction intracellulaire à une réponse cellulaire, comme par exemple: division, migration, transformation, ou mort cellulaire... 92  les ligands hydrophiles ne traversent pas la membrane. Il se lient à un récepteur membranaire les ligands hydrophobes traversent la membrane et se lient à un récepteur intracellulaire 93 2. Différents types de communications Contact direct a) par des jonctions communicantes (les molécules de signalisation passent d’une cellule à l’autre) b) via l’association de protéines membranaires a b 94 Les jonctions communicantes (gap junctions) Analogue au plasmodesme chez les plantes Un canal d’un jonction communicante est composé de 2 connexons appartenant aux cellules associées et qui se connectent dans l’espace intercellulaire Un connexon est un hexamère de 6 protéines transmembranaires appelées connexines Une connexine possède 4 segments transmembranaires. Le couplage métabolique permet l'échange d’ions et de petites molécules. Le couplage électrique permet la propagation de l’influx nerveux 95 Communication locale Communication paracrine: certaines molécules de signalisation sécrétées par une cellule sont rapidement éliminées du milieux extracellulaire (destruction, absorption), et ne peuvent donc agir que sur les cellules voisines 96 Communication locale Communication synaptique: utilisée par les cellules nerveuses; dans ce cas la molécule de signalisation (neurotransmetteur) agit uniquement au niveau de la fente synaptique qui sépare la cellule nerveuse de sa cellule cible 97 Communication à distance certaines molécules de signalisation sécrétées par des cellules spécialisées peuvent atteindre le système circulatoire, et être ainsi entrainées dans l’ensemble de l’organisme ces molécules, qui ont une durée de vie relativement longue, sont appelées hormones et peuvent donc agir sur des cellules cibles distantes on parle de communication endocrine 98 Communication à distance: exemple de la régulation du cycle ovarien En début de croissance, le follicule ovarien sécrète une quantité faible d’œstrogènes, ce qui inhibe l’hypothalamus et l’hypophyse. Cette rétroaction freine les sécrétions de GnRH (hormone hypothalamique) FSH et LH (hormones hypophysaires) L’augmentation rapide et momentanée de la concentration de LH (pic de LH) déclenche l’ovulation dans les 28 à 36 heures qui suivent. 99 Les contraceptifs hormonaux (féminins) 100 3. Les récepteurs et la transduction du signal Un signal (local ou à distance) doit être capté (récepteurs), transmis (transduction) et interprété par la cellule qui y adaptera une réponse. 1. Réception Une molécule de signalisation (ligand) se lie à un récepteur pour l’activer ou l’inactiver. 2. Transduction Des voies de signalisation transmettent l’information reçue pour enclencher une réponse cellulaire. Elles agissent par étapes (en cascade) dans lesquelles des protéines s’activent ou s’inactivent. La phosphorylation des protéine joue un rôle essentiel dans la transduction du signal. 3. Réponse La cellules répondent aux signaux en modifiant leur nature ou leur comportement (division de la cellule, synthèse d’un composé, libération d’une hormone). 101 A. Transduction de signal: principes généraux La transduction des signaux mène à des réponses cellulaires La nature du récepteur et sa localisation dans la cellule vont conditionner la transduction du signal 102  il existe une grande variété de voies de transduction, dépendant de la nature du ligand et du récepteur, et du type cellulaire concerné la signalisation implique le plus souvent l’activation du récepteur par son ligand, puis l’activation en cascade de protéines de réponse l’activation des protéines résulte de modifications de celles-ci (par exemple l’addition d’un groupe phosphate = phosphorylation) 103  Phosphorylation des protéines l’activité de nombreuses protéines est contrôlée par leur état de phosphorylation il existe une grande variété de protéines kinases, qui catalysent l’ajout d’un phosphate sur des protéines spécifiques (réparties en deux groupes: les sérine/thréonine kinases et les tyrosine kinases) à l’inverse, il existe des phosphatases capables de retirer les groupes phosphate présents sur les protéines l’état de phosphorylation d’une protéine peut ainsi être finement régulée 104 B. Les récepteurs i. Récepteurs intracellulaires de nombreuses molécules de signalisation peuvent traverser la membrane plasmique (molécules de petite taille, lipides,...) elles réagissent avec un récepteur intracellulaire (situé à l’intérieur de la cellule) exemple: les hormones stéroïdes et leur récepteurs 105 Les stéroïdes anabolisants, également connus sous le nom de stéroïdes androgéniques anabolisants ou SAA, sont une classe d'hormones stéroïdiennes liée à une hormone naturelle humaine : la testostérone. Ils augmentent la synthèse des protéines dans les cellules, entraînant une augmentation de tissus cellulaires (anabolisme). les stéroïdes pénètrent par voie passive dans les cellules des tissus cibles (muscles, testicules, cerveau) L’augmentation de la synthèse protéique entraîne notamment une hypertrophie musculaire (gain en masse musculaire) 106  Les stéroïdes anabolisants sont principalement utilisés pour favoriser la croissance chez les animaux d’élevage. Ils sont parfois prescrits aux êtres humains pour traiter un retard de la puberté, certains types d’impuissance et l’amaigrissement dû au sida et à d’autres maladies Ils ont été fréquemment employés comme produits dopants stanozolol Effets secondaires: troubles du comportement / psychiatriques, problèmes cardio-vasculaires, troubles des fonctions hépatiques et rénales, atteinte à la fonction sexuelle et à la fertilité chez les femmes et les hommes, problèmes de peau, troubles du système endocrinien, augmentation du risque de développer un cancer, et autres. 107 B. Les récepteurs impliqués dans la communication cellulaire La vitamine D est une vitamine liposoluble (soluble dans les lipides). C'est une hormone retrouvée dans l'alimentation et synthétisée dans l'organisme humain à partir d'un dérivé du cholestérol sous l'action des rayonnements UVB du Soleil. Chez l'humain, elle existe sous deux formes : D2 (ergocalciférol) produite par les végétaux ou D3 (cholécalciférol) d'origine essentiellement animale ou synthétisée au niveau de la peau sous l'effet des rayons ultraviolets. 108 B. Les récepteurs impliqués dans la communication cellulaire 109 ii.Récepteurs couplés à un canal ionique ou ionotropes Ils forment des pores dans la membrane plasmique Ils s’ouvrent et se ferment sous l’action de signaux chimiques (ligands) Ils jouent un rôle capital dans le système nerveux central (transmission de l’information nerveuse) 110  Exemple du récepteur nicotinique de l’Acétylcholine (Ach) L’Acétylcholine (Ach) est un neurotransmetteur (ligand), impliqué dans la transmission nerveuse et la communication entre les neurones et les cellules musculaires (jonctions neuromusculaires) Le récepteur nicotinique s’ouvre sous l’action d’Ach La nicotine a une action similaire à l’Ach (agoniste) 111 Activation du récepteur nicotinique et polarité membranaire Ions Canaux Polarité membranaire 1 Na+ K+ Na+ K+ 2 Na+ K+ Na+ K+ 112 Ions Canaux Polarité membranaire 3 Na+ K+ Na+ K+ Echangeur Na+/K+ 2 Na+ K+ Na+ K+ 113 iii. Récepteurs enzymatiques Ils fixent des ligans sur la face externe de la membrane plasmique Une région de leur portion cytoplasmique est activée et agit comme enzyme dans le cytoplasme 114 Exemple des récepteurs à activité tyrosine kinase La Tyrosine est un acide aminé qui peut être phoshorylé 115 C. La transduction du signal Exemple: voie de réponse à l’insuline hormone protéique, sécrétée par le pancréas sa production est accrue lorsque la concentration en glucose dans le sang augmente cellules cibles de l’insuline: dans le foie, les muscles et le tissu adipeux après liaison à son récepteur, une voie de signalisation (impliquant une cascade de phosphorylations) est activée cette voie induit une entrée accrue de glucose ( transporteur GLUT4 à la membrane) et stimule la conversion de celui- ci en glycogène ( glycogène synthase) 116 i. La notion de cascade de phosphorylation (protéines kinases) Le contrôle de l’état de phosphorylation de protéines intervenant dans une cascade les fait alterner entre formes actives et inactives et permet de relayer dans les cellules un information captée par un récepteur. 117 Exemple de la cascade des MAP kinases Les protéines kinase activées par le mitogène ou MAPK stimulent la division cellulaire en activant les voies normales de la division Leur dérégulation aboutit à une prolifération incontrôlée (cancer) 118 Les cascades de signalisation amplifient le signal 119  iiii. Récepteurs couplés à une protéine G (GPCRs) Topologie caractéristique (7 domaines transmembranaires) Fonctionne à l’aide d’une protéine G se liant à une molécule de GTP riche en énergie 120 121 ii. Les seconds messagers Les récepteurs couplé à des protéines G agissent par l’intermédiaire de seconds messagers L’activation d’un récepteur produit un seconde messager donné Le second messager transmet l’information à des protéines de transduction Le système est régulé (l’action du second messager est transitoire) Ex: l’AMPc ou AMP cyclique 122  Le premier second messager identifié est l’AMP cyclique (cAMP ou AMPc), par les travaux de l’équipe de Earl Surtherland sur le mode d’action de l’adrénaline (une hormone) qui induit une libération de glucose en hydrolysant le glycogène stocké dans les cellules hépatiques ou musculaires D’autres seconds messagers ont été identifiés depuis (GMPc, IP3, and Ca2+). Ce sont des petites molécules solubles non protéiques 123  Approche expérimentale 124 Production d’AMPc consécutive à l’activation d’un récepteur 125  L’AMP cyclique (résumé) La fixation d’un ligand (ex: l’adrénaline) à son récepteur provoque une augmentation d’adénosine monophosphate cyclique (AMPc) dans le cytoplasme Ce second messager est produit par l’action d’une adénylate cyclase qui catalyse la conversion d’ATP en AMPc L’AMPc agit comme second messager activant d’autres protéines de la voie de signalisation 126 La situation est toujours plus complexe Exemple des récepteurs adrénergiques Les ligands (Adrénaline, Noradrénaline) peuvent se lier spécifiquement à des récepteurs différents (ici α ou β) La production d’AMPc (second messager) peut être stimulée ou inhibée Un bêta-bloquant est un médicament qui bloque l'action des neurotransmetteurs du système adrénergique comme par exemple l'adrénaline. Il Contraction des Contraction des sont utilisés pour la régulation des rythmes muscles lisses muscles cardiaques Relaxation des cardiaques anormaux. Ils peuvent également être muscles lisses utilisés dans le traitement de l'hypertension Glycogénolyse artérielle, 127 D. La réponse cellulaire Exemples de l’activation de la dégradation du glycogène par l’adrénaline 128 Une voie de signalisation peut être contrôlée par 2 récepteurs différents 129 Exercice 130