Ronéo 3 LAS - Biochemistry and Molecular Biology Notes - PDF

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 SOCLE COMMUN UE BIOCHIMIE ET BIOLOGIE MOLÉCULAIRE Matière Titre du cours Date Professeur Cours vu 01-ENZYMOLOGIE 05/10 Pr. Schichmanoff 02-LIPIDES PT.1 09/10 Pr. Fabre 03-LIPIDES PT.2 09/10 Pr. Fabre Biochimie 04- STRUCTURE DES LIPIDES ET DES 13/10 Pr. Fabre STÉROÏDES 05- ERRATUM POLYSACCHARIDES 05/10 Pr. Gardano Biologie 01- MEMBRANE PLASMIQUE 12/10 Pr. Oudar Cellulaire 02- LE CYTOSOL 11/10 Pr. Oudar UE SHS Matière Titre du cours Date Professeur Cours vu Histoire des sciences et de la 01- ERRATUM SCIENCES ET MEDECINE 05/10 Pr. Vassy médecine UE MÉTIERS DE LA SANTÉ Matière Titre du cours Date Professeur Cours vu 01- ENSEMBLE DU SQUELETTE PT.1 10/10 Pr. Dumas 02- ENSEMBLE DU SQUELETTE PT.2 10/10 Pr. Dumas Anatomie 03- ENSEMBLE DU SQUELETTE PT.3 10/10 Pr. Dumas 04- ENSEMBLE DU SQUELETTE PT.4 10/10 Pr. Dumas 05- SÉANCE TEAMS 2 12/10 Pr. Dumas  SOCLE COMMUN UE BIOLOGIE – SOCLE COMMUN Biochimie 09 – ENZYMOLOGIE Croyez en vos capacités, vous en avez tous !  PLAN DU COURS I. Introduction : métabolisme et enzymes II. Notion de catalyse A. Les éléments fondamentaux de la catalyse B. L’énergie d’activation C. Diminution de l’énergie d’activation D. Les catalyseurs a) Propriétés particulières des enzymes b) Particularité des enzymes en tant que catalyseur III. La structure et action des enzymes A. Nature des enzymes B. Notion de site actif C. Notion de complémentarité-spécifique IV. Les cofacteurs A. Définition et Fonction des cofacteurs B. Les coenzymes C. Nomenclature et classification des enzymes V. La cinétique enzymatique A. Analyse de la catalyse en termes de rencontre entre S et E B. Vitesse de la réaction enzymatique C. Les moyens d’étude de la vitesse réactionnelle D. Les unités de mesure VI. Régulation de l’activité enzymatique A. Régulation des voies métaboliques B. Les différents niveaux possibles de la régulation des différentes enzymes Université 2 sur 22 Sorbonne Paris Nord  I. INTRODUCTION : MÉTABOLISME ET ENZYMES ♦ Métabolisme : correspond à l’ensemble des réactions chimiques se déroulant dans une cellule ou au niveau d’un organisme. Le métabolisme o Elles sont nombreuses, successives et interconnectées. o Ces réactions sont souvent bien organisées et très régulées. ♦ (Enzyme = nom féminin) ♦ Les enzymes sont les principales actrices et leviers des différentes voies métaboliques : ce sont des incontournables dans l’ensemble des différents aspects de la biochimie, et plus largement en médecine. ♦ Ce sont des protéines ayant une activité de catalyse spécifique d’une réaction chimique : elles catalysent spécifiquement une réaction du métabolisme de l’être vivant. Définition et rôle des Pour rappel, les protéines correspondent à des polymères d’AAs, enzymes associés entre eux par des liaisons covalentes et possédant une structure complexe pouvant être définie à différents niveaux : qu’elle soit primaire, secondaire, tertiaire ou quaternaire. ♦ Ces protéines peuvent avoir différentes fonctions, et donc parmi elles, des caractéristiques enzymatiques. ♦ I l e x i s t e d e s ARNs a y a n t u n e activité catalytique. ♦ L’enzymologie correspond à l’étude des enzymes. II. NOTION DE CATALYSE A) Les fondamentaux de la réaction chimique ♦ La catalyse est l’augmentation de la vitesse d’une réaction physico-chimique. Elle se fait grâce à un catalyseur. Définition ♦ Remarque : Les enzymes ont le pouvoir d’accélérer la vitesse des réactions d’un ordre de 10 6 à 1012. ♦ Une réaction entre 2 réactants A + B —> C ne peut se faire que : ♦ Si A et B sont en contact = se rencontrent = proximité des molécules Les prérequis Les conditions de cette rencontre sont favorables avec 2 paramètres de la importants : réaction ☐ L’énergie dégagée lors de cette rencontre doit être suffisante. chimique ☐ L’orientation spatiale des éléments A et B au moment de la rencontre qui doit être adéquate. Université 3 sur 20 Sorbonne Paris Nord  II. NOTION DE CATALYSE B) L’énergie d’activation ♦ C’est une barrière énergétique = barrière d’activation = énergie d’activation=énergie nécessaire pour que la réaction se réalise : ♦ Elle correspond à l’énergie des molécules lors de leur rencontre (doit être suffisante) et à la différence entre l’état initial et l’état de transition issue de la rencontre. ♦ Il s'agit de l’énergie nécessaire pour une présentation adéquate des groupes réactionnels et pour les transformations liées à la réalisation de la réaction. ♦ Elle doit être suffisante pour que la réaction puisse se faire. ♦ L’énergie d’activation influence la cinétique réactionnelle. Si elle est importante, la vitesse de réaction est faible. Si elle est faible, la vitesse de réaction est rapide Université 4 sur 20 Sorbonne Paris Nord  II. NOTION DE CATALYSE C) Diminution de l’énergie d’activation ♦ Tous les chocs intermoléculaires ne libèrent pas la même énergie. Il y a des chocs qui vont libérer peu d’énergie, d’autres qui libèrent une quantité moyenne d’énergie (chocs les plus fréquents) et des chocs qui vont libérer un niveau d’énergie élevé. En conditions basales (en l’absence ♦ Le graphique qui représente le nombre de chocs intermoléculaires en intervalle de temps t en fonction de l’énergie libérée par les chocs intermoléculaire correspond à la de catalyseur) courbe de Gauss. ♦ Si le seuil d’énergie nécessaire (énergie d’activation) pour que la réaction se produise (ΔG≠) est élevé : il y aura peu de chocs intermoléculaires libérant suffisamment d’énergie pour permettre la réaction. ♦ En condition basale (c’est-à-dire sans catalyse) : La proportion des chocs associés à un ΔG (variation d’enthalpie) supérieure à l’énergie d’activation est faible. Par conséquent, la vitesse de formation du produit C (vitesse de réaction) sera faible. ♦ De manière générale, plus l’énergie d’activation est élevée, plus la probabilité de rencontre efficace est faible et plus la vitesse de réaction est lente. Avec la catalyse chimique o Avec un catalyseur chimique, l’énergie d’activation nécessaire pour obtenir la réaction est déplacée vers une valeur plus faible. La droite représentant seuil d’énergie d’activation est déplacée vers la gauche sur le graphique ici présent. La catalyse diminue l’énergie d’activation nécessaire. o Par conséquent, la proportion de chocs qui générera un ΔG supérieur à l’énergie d’activation augmente car le niveau d’énergie d’activation aura baissé. Ainsi la vitesse de formation du produit C sera donc augmenté. Université 5 sur 20 Sorbonne Paris Nord  II. NOTION DE CATALYSE C) Diminution de l’énergie d’activation (suite) o Ici on observe que la droite verticale (seuil d’énergie d’activation) est encore plus déplacée vers la gauche : Le niveau d’énergie a considérablement baissé par rapport aux niveaux d’énergie initiaux requis sans catalyse ou avec une catalyse chimique. Par conséquent, la vitesse de réaction sera considérablement augmentée en présence d’un catalyseur enzymatique. Avec la catalyse enzymatique = organique o La principale propriété fonctionnelle d’une enzyme est : o d’augmenter la probabilité de rencontre efficace entre les substrats (A et B) et les autres molécules intervenant dans la réaction en orientant correctement les molécules l’une par rapport à l’autre, ce qui va se traduire par la diminution de l’énergie d’activation nécessaire à la réaction. o La vitesse de réaction correspond à la vitesse de formation de la molécule C. Pour la connaître, on doit mesurer l’accumulation du produit C en fonction du temps. o Plus il y a de rencontre efficace entre A et B par unité de temps, plus la production de C va être importante et donc plus la vitesse sera élevée. o Les enzymes sont ainsi à l’origine d’une augmentation de la vitesse de réaction : accumulation de C en fonction du temps augmente. Université 6 sur 20 Sorbonne Paris Nord  II. NOTION DE CATALYSE D) Les catalyseurs ♦ Un catalyseur : o Ne provoque pas de réaction : elle ne peut pas rendre possible Propriétés une réaction qui n’est pas thermodynamiquement réalisable spontanément. communes o Ne modifie pas l’équilibre final de la réaction, il permet seulement de des l’atteindre plus vite. catalyseurs o Agit à faible dose : c’est-à-dire à une concentration qui sera très inférieure celle des molécules qui entrent dans la réaction chimique. o Est récupérable dans sa forme originale, lorsque la réaction est terminée. ♦ Les enzymes possèdent les caractéristiques communes aux catalyseurs avec en plus des particularités. ♦ Elles présentent une double (grande) spécificité : o Spécificité vis-à-vis du substrat o Spécificité vis-à-vis de la réaction catalysée : elles catalysent des réactions stéréospécifiques ♦ Leur efficacité est plus grande que celle d’un catalyseur chimique ou non organique : Les enzymes augmentent considérablement la vitesse de Propriétés réaction. particulière ♦ Exemple de l’hydroxylation de la Phénylalanine Phe : s des o Les enzymes permettent de catalyser des réactions stéréospécifiques là enzymes où les catalyseurs chimiques sont moins spécifiques. = o Il est possible de provoquer l’hydroxylation du site aromatique à l’aide Catalyseurs de différents catalyseurs: organiques Utilisation du catalyseur chimique : l’ajout du groupement OH (groupement hydroxyle) sur le cycle aromatique pourra se faire aussi bien en position ortho-OH-Phe (= sur un des Carbones directement adjacent au substituant du cycle) et en position para-OH-Phe (PARA: opposée au substituant présent). Utilisation d’une enzyme (catalyseur organique) : elle catalyse soit l’une soit l’autre des réactions afin d’obtenir soit l’ortho-OH- Phe ou bien la para-OH-Phe (Tyrosine). ➔ Une seule réaction catalysée par l'enzyme. Université 7 sur 20 Sorbonne Paris Nord  III. STRUCTURE ET ACTION DES ENZYMES A) Nature des enzymes ♦ Les enzymes sont de nature protéique : on parle soit d’holoprotéine soit Nature protéique d’hétéroprotéine. des enzymes o Holoprotéine : polypeptide constitué uniquement d’AAs. o Hétéroprotéine : assemblage d’AAs et d’autre éléments. ♦ Une enzyme fonctionne (catalyse) souvent en présence de cofacteur. ♦ Ces cofacteurs sont associés à l’enzyme au niveau du lieu de réaction ou situé au niveau du site actif de l’enzyme. Les différentes parties de enzymes ♦ Chez les hétéroprotéines, la partie protéique de l’enzyme est appelée « apoenzyme ». Université 8 sur 20 Sorbonne Paris Nord  III. STRUCTURE ET ACTION DES ENZYMES B) Notion de site actif ♦ Le site actif est la partie déterminante pour la fonction de l’enzyme. Définition ♦ Il détermine la spécificité de la réaction catalysée, c’est-à-dire il va conditionner : la structure du substrat prit en charge et le produit obtenu. ♦ L’action catalytique met en jeu un complexe stéréospécifique formé de substrat et d’enzyme. ♦ Historiquement dans le premier modèle proposé, chaque molécule d’enzyme reconnaît spécifiquement un ou plusieurs type(s) de substrat dans un modèle dit « clé-serrure ». Complexe ♦ De manière générale, le poids moléculaire des enzymes est très supérieur à celui de leurs substrats, ce qui a conduit les biochimistes à émettre l’hypothèse d’une stéréospécifique région active restreinte appelée « site actif ». ♦ Le modèle a donc évolué car on s’est rendu compte que l’ensemble de l’enzyme n’est pas impliqué dans la réaction. Ainsi, le site actif (schématiquement formée par un petit nombre d’AAs) est donc une zone très restreinte de l’enzyme et zone particulière au sein d’une poche hydrophobe qui permet : o la fixation du substrat: la configuration spatiale de la poche permet l’arrivée et la fixation transitoire du substrat o la réalisation de la catalyse → Constitué d’AA éloignés dans la séquence primaire mais proche dans l’espace. Université 9 sur 20 Sorbonne Paris Nord  III. STRUCTURE ET ACTION DES ENZYMES B) Notion de site actif (suite) ♦ On peut distinguer 2 principaux types d’AAs au sein des séquences primaires de ces enzymes : o La majorité des AAs correspondent à des AAs dits indifférents, autrement dit ces AAs ne sont pas impliqués dans la fixation du substrat ou dans la catalyse (ni à la structure du site actif). Ils peuvent être substitués par Les d’autres AAs sans que la capacité enzymatique de l’enzyme soit modifiée. Acides o Les AAs dits contributifs sont importants pour la réaction. Parmi ces AAs on Aminés distingue : Ceux qui sont liés la conformation spatiale de la protéine (ces AAs peuvent être tout de fois être éloignés du site actif) Les AAs situés au niveau du site actif (site de catalyse) pouvant être soit impliqués dans la fixation du substrat soit impliqués dans la catalyse elle-même. ♦ Il n'y a pas plus d’une dizaine d’AAs impliquées dans la catalyse, de plus ces AAs sont majoritairement polaires qu’ils soient chargés ou non, par exemple : Classe d’AAs intervenant dans la catalyse 1) La fixation du substrat ♦ La notion de stéréospécificité du substrat est très importante pour la formation des liaisons adéquates entre le substrat et l’enzyme. ♦ Elles vont constituer le préalable à la réaction catalytique. ♦ Le substrat va être maintenu dans une La catalyse certaine position à l’aide de liaisons enzymatique chimiques faibles comme des liaisons - 2 étapes clés hydrogènes ou des liaisons ioniques permettant la réaction : Fixation d’un substrat qui est l’ANP cyclique au sein du site actif d’une enzyme qui est une phosphodiesterase. Université 10 sur 20 Sorbonne Paris Nord  III. STRUCTURE ET ACTION DES ENZYMES B) Notion de site actif (suite) 2) La réaction chimique ♦ Groupes réactionnels des AAs permettant la catalyse : o C’est par leur chaîne latérale que les AAs (groupements spécifiques leur conférant des propriétés chimiques particulières), vont permettre les interactions : La catalyse enzymatique ♦ Exemple du site actif de la trypsine : -2 étapes clés o Les AAs au sein d’un site actif peuvent être le lieu d’un réarrangement électronique à l’origine ensuite du mécanisme réactionnel. ♦ Dans cet exemple (diapo): on a le site actif de la trypsine où l’aspartate qui est en position 102 dans la séquence primaire va favoriser la captation du proton de la serine qui est l’AA 195 transférée par l’histidine en position 57. ♦ Ce qui va permettre donc l’activation de la serine qui va pouvoir former une liaison covalente avec le substrat et permettre l’hydrolyse d’une liaison peptidique. ♦ Donc ici, il faut bien illustrer le fait que les AAs qui sont assez éloignés au sein d’une séquence primaire peuvent interagir entre eux, au niveau de la conformation finale de l’enzyme. Université 11 sur 20 Sorbonne Paris Nord  III. STRUCTURE ET ACTION DES ENZYMES C) Notion de complémentarité-spécificité ♦ Le modèle initialement envisagé « clé-serrure » par les biochimistes, au début du 20ème siècle a évolué, grâce à une meilleure compréhension des mécanismes réactionnels. ♦ On a maintenant cette notion de complémentarité-spécificité qui est toujours d’actualité mais qui a évoluée vers un modèle dynamique qui est celui de l’ajustement induit = « induce-fit » encore appelé modèle de Koshland. ♦ L’arrivée du substrat sur le site actif de l’enzyme induit un ajustement de l’enzyme = induce-fit, il y a alors modification de sa conformation spatiale nécessaire à son activité catalytique. Modèle de Koshland IV. LES COFACTEURS A) Définition et fonction des cofacteurs ♦ Les cofacteurs sont des molécules ou de simples atomes qui vont être directement impliqués dans la réaction enzymatique. ♦ Ils sont présents dans la majorité des enzymes : Toutes les enzymes n’ont Définition pas besoin de cofacteur pour fonctionner par conséquent ils ne sont pas présents dans toutes les enzymes ! ♦ Il s’agit d’ion inorganique (ex : Mg, Ca) ou bien de molécules organiques. NB : Quand ces cofacteurs sont des molécules organiques complexes on parlera de coenzymes. ♦ Directement impliqués dans la réaction enzymatique soit pour : Fonction des cofacteurs o Transporter ou compléter un substrat o Accepter un produit o Participer à la structure de l’enzyme Université 12 sur 20 Sorbonne Paris Nord  IV. LES COFACTEURS B) Les coenzymes ♦ Beaucoup de coenzymes ne peuvent pas être synthétisés par les animaux (dont l’Homme). ♦ Ils doivent être fournis par le régime alimentaire, notamment par la consommation de végétaux ou de micro- organisme qui va permettre d’apporter les précurseurs (très souvent des vitamines) nécessaires à la formation de ces coenzymes. (VITAMINES = facteurs nutritifs essentiels dont les animaux ont besoin en quantité minime, sont souvent des précurseurs de coenzyme). ♦ Les coenzymes ont des fonctions bien spécifiques mais elles sont souvent partagées par différentes enzymes, catalysant le même type de réaction (mais les réactions sont distinctes). ♦ Non fixés à la protéine : ils sont liés de manière lâche à l’enzyme. ♦ Fonctionnent en réalité comme substrat. ♦ Parfois appelés coenzyme libre car il y a dissociation de l’enzyme à chaque réaction catalysée. ♦ Nicotinamide adénine dinucléotide ♦ Elle impliqué dans le transfert d’électrons pour de nombreuses réactions chimiques catalysées par des enzymes : Il existe plus d’une centaine d’oxydoreductases qui sont connues pour utiliser ce NAD+ comme coenzyme. Les coenzymes NAD+ libres ♦ Dans cette réaction qui provient du métabolisme des glucides, l’enzyme qui permet la transformation d’un pyruvate en lactate et inversement va utiliser pour se faire du NAD+ : il y aura alors transfert d’un électron pour permettre le passage du pyruvate au lactate. Coenzyme A ♦ Utilisée principalement dans le métabolisme lipidique. CoA-SH ♦ Elle est appliquée dans le transfert de groupements Acyl. ♦ Utilisé par les transférases dans la synthèse et l’oxydation des acides gras. ♦ Ce sont les groupements ou groupes prosthétiques. ♦ Pas de dissociation après catalyse Les coenzymes ♦ Flavine adénine dinucléotide solidement FAD ♦ Transporteur d’électron qui va être associer à diverses enzymes comme la liés à l’enzyme « succinate déshydrogénase ». ♦ Le groupement hème= hémique Hème ♦ Retrouvé dans les cytochromes. Université 13 sur 20 Sorbonne Paris Nord  IV. LES COFACTEURS B) Les coenzymes (suite) ♦ Sur cette diapo est représenté un tableau qui reprend quelques exemples d’enzymes avec leurs fonctions et avec leurs cofacteurs (s'ils en ont) pour illustrer les différents cas de figures. Exemples d’enzymes nécessitant ou non un cofacteur IV. LES COFACTEURS C) Nomenclature et classification des enzymes ♦Les enzymes peuvent être nommées de 2 façons : o nom du substrat + ase: (ex: saccharose + ase —> saccharase) o nom du substrat + transformation réalisée + ase: (ex: lactate + déshydrogénation + ase —> lactate déshydrogénase) ♦ Dans les années 60, il a été décidé d’établir une classification avec la mise en place Nomenclature d’une codification internationale (nomenclature officielle). ♦ La nomenclature officielle : o est un numéro de code (EC) à 4 chiffres o comporte 6 classes, elles-mêmes divisées en sous classes. Université 14 sur 20 Sorbonne Paris Nord  ♦ Il y a 6 classes d’enzymes en fonction des réactions catalysées : (à connaitre) 1. Oxydoréductases : transfert d’électrons. 2. Transférases : Transfert de groupes chimiques d’un composé à un autre. Les 6 classes 3. Hydrolases : Coupure de liaisons grâce à l’apport d’eau. d’enzymes à 4. Lyases ou Synthases : Addition de groupes sur une double liaison ou formation d’une connaître double liaison par soustraction d’un groupe. 5. Isomérases : Transfert de groupe à l’intérieur d’une molécule pour former un isomère. 6. Ligases ou Synthétases : Formation de liaisons C-C, C-S, C-O ou C-N utilisant l’énergie fournie par la rupture d’une liaison pyrophosphate d’un triphosphonucléotide tel que l’ATP. V. LA CINÉTIQUE ENZYMATIQUE A) Analyse de la catalyse en termes de rencontre entre enzyme (E) et substrat (S) ♦ La catalyse enzymatique est une rencontre entre une enzyme E et un substrat S pour constituer dans un premier temps des complexes enzymes-substrats ou complexe ES qui sont des intermédiaires réactionnelles. ♦ La probabilité de formation du complexe est fonction à la fois de l’enzyme et du substrat et de leurs concentrations. ♦ Le complexe ES devra être d’un niveau énergétique suffisant pour que la réaction puisse avoir lieu. De ce état activé et instable (niveau d’énergie élevé), après formation du complexe ES, le système évolue vers un niveau d’énergie inférieur, plus stable: o soit en évoluant vers la formation d’un produit P (et la libération de l’enzyme) o soit en retournant à l’état initial ( E + S). 1,2, 3, 4 : équilibre de la réaction Cette catalyse enzymatique est donc régie par différents équilibres. V. LA CINÉTIQUE ENZYMATIQUE B) Vitesse de la réaction enzymatique Université 15 sur 20 Sorbonne Paris Nord  ♦ Pour une réaction enzymatique, la vitesse de cette réaction dépend de : o de la probabilité de formation de P (produit) o de la probabilité de formation du complexe ES car la formation de P en dépend o des concentrations de E et de S car la formation de ES en dépend ♦ Les concentrations de E, S et P sont déterminées par 4 processus se Vitesse et déroulent à une vitesse propre, et qui dépendent : formation o de leur constante de vitesse « K » du o de la concentration des réactants. complexe ES ♦ Le complexe intermédiaire ES est : Université 16 sur 20 Sorbonne Paris Nord  V. LA CINÉTIQUE ENZYMATIQUE C) Les moyens d’étude de la vitesse réactionnelle ♦ Pour étudier la vitesse réactionnelle, il est possible de facilement faire varier les paramètres mesurables : [S], [P] et Temps T. ♦ Cependant il faut garder à l’esprit que [E] est très difficilement mesurable car sa concentration est très faible comparée à la concentration en substrat ([E] le tout retrouvé dans la MEC. Université 3 sur 4 Sorbonne Paris Nord Biochimie Tutorat 05 – Polysaccharides Santé Bobigny Université 4 sur 4 Sorbonne Paris Nord  UE BIOLOGIE – SOCLE COMMUN Biologie Cellulaire 03 – LA MEMBRANE PLASMIQUE Points clés ❖ Connaître les différents composés et la structure de la membrane ❖ Connaître les caractéristiques de la membrane Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny PLAN DU COURS I. Composition de la membrane A. Les lipides membranaires B. Les protéines membranaires II. Structure de la membrane III. Modèle de Singer et Nicholson IV. Biosynthèse et renouvellement Université 2 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny Introduction La membrane plasmique est une enveloppe continue qui sépare deux compartiments :  Le cytoplasme  Le milieu extracellulaire Elle délimite la cellule de son volume. Elle permet de contrôler l’homéostasie (maintient constant du cytoplasme). Elle constitue une zone d’interaction entre la cellule et son environnement mais aussi une frontière asymétrique. Bicouche lipidique Constituée de macromolécules protéiques et/ou glycoprotéiques (inséré dans la bicouche) Asymétrique o Elle présente un versant extracellulaire qui porte des sucres associés à des protéines appelées les glycoprotéines ou 5 caractéristiques glycolipides ce sont des sucres associés à des lipides. de la membrane  Ensemble porte le nom de glycocalyx (cell-coat en anglais) plasmique o Elle présente aussi un versant orienté vers le cytoplasme, donc intracellulaire qui n’est jamais glycosylé. Non homogène En continuité avec les compartiments intracellulaires (endomembranaires)  Réticulum endoplasmique, appareil de Golgi  La membrane agit comme un filtre très sélectif : elle contrôle les entrées et les sorties des nutriments, mais aussi l’exportation des déchets.  Elle capte un certain nombre de signaux provenant de l’extérieur et est capable de modifier son comportement et celui de la cellule en fonction des informations reçues afin de s’adapter et de répondre à ces signaux. La membrane est composée d’un triple feuillet constitué de : o Deux couches osmiophiles (capable de fixer un colorant ou une substance qui est l’osmium) Point de vue o Une couche osmiophobe (entre les deux couches osmiophiles) structural Université 3 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny I. COMPOSITION DE LA MEMBRANE  Elle est constituée majoritairement de protéines, de lipides et de sucres.  Exemple de la membrane des hématies : o 52% de protéines (dont 70% dans les membranes des organites) o 40% de lipides (dans les organites : 30% environ)  55% de phospholipides  25% de cholestérols  20% de glycolipides o 8% de sucres  Les lipides sont en général des molécules plus petites que les protéines, et ont un poids moléculaire moins important, inférieur à 1000 Dalton.  La membrane plasmique comporte environ 50 molécules de lipides pour une seule molécule protéique. I. COMPOSITION DE LA MEMBRANE A. Les lipides membranaires Si on traite un échantillon de membrane plasmique par des solvants organiques, la moitié des lipides membranaires sera extraite tandis que l’autre moitié restera liées aux protéines par des liaisons covalentes. Ces lipides sont amphiphiles, ils présentent une extrémité hydrophile donc polaire et une extrémité hydrophobe donc apolaire. Cette propriété physico-chimique est à la base de l’organisation en bicouche des lipides dans un milieu aqueux. Les régions hydrophobes s’organiseront de façon à être le moins en contact avec l’eau. Les principaux lipides membranaires : o Les phospholides o Le cholestérol o Les sphingolipides o Les galactolipides o Les gangliosides o Les glycolipides Université 4 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny A. Les lipides membranaires Les phospholipides  Les phospholipides sont des diacylphosphoglycérides, les plus abondants Généralités dans la membrane (environ 55% des lipides membranaires). Origine  Ce sont des molécules résultantes d’une réaction chimique : l’estérification du glycérol par deux acides gras d’une part et d’un acide phosphorique d’autre part.  Une tête polaire hydrophile qui peut regrouper d’autres substituants : la choline, une molécule de phosphate et une molécule de glycérol.  Deux chaînes aliphatiques (chaînes Composition hydrocarbonées saturées ou insaturées) apolaires pouvant contenir 14 à 24 atomes de carbones selon les AG contenus dans les phospholipides.  Plusieurs types de phopholipides forment une famille (le cas de la phosphatidylcholine). Le type de phospholipide est déterminé selon le substituant qui sera greffé sur les AG. Différents types de phospholipides Université 5 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny A. Les lipides membranaires Le cholestérol  Le cholestérol est le deuxième élément extrêmement important en termes de quantité dans une membrane biologique.  Le cholestérol peut être utilisé comme marqueur de la membrane plasmique, celle-ci en contient beaucoup contrairement aux membranes des organites intracellulaires qui en contiennent peu. A. Les lipides membranaires Les sphingolipides  Les sphingolipides sont les troisième constituants majeur de la membrane plasmique. Composés d’une base nommée la sphingosine, qui est amidifiée par un AG de longueur variable sur son groupement NH2 et constitue un céramide, qui est à la base de tous les sphingolipides.  Ils sont obtenus par addition d’un substituant sur la fonction alcool primaire.  Ce sont des molécules amphiphiles : les deux chaînes hydrocarbonées forment une queue apolaire distincte du reste de la molécule.  Deux grandes familles : o Sphingoglycolipides aussi appelés cérébrosides o Sphingophospholipides (sphingomyéline) Université 6 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny Les lipides membranaires Les glycolipides Synonyme Dyacylglycoglycérides. Origine Ils proviennent de l’estérification du glycérol par deux acides gras. Sur le C3, des carbohydrates comme le galactose peuvent s’y fixer. Localisation Ils sont très présents dans le monde végétal et moins dans le monde animal. B. Les protéines membranaires  Elles représentent la moitié du poids sec de la membrane.  Elles sont moins nombreuses que les lipides mais plus volumineuses.  Les protéines présentes dans la membrane sont diverses, leurs poids moléculaire varient de 20kDa à 215Kda pour les protéines les plus volumineuses.  Elles possèdent deux extrémités : o Une aminoterminale NH2 o Une carboxyterminale COOH  Ces extrémités peuvent être situées du côté cytoplasmique ou du côté extracellulaire de la cellule. Il est également possible que les extrémités soient du même côté : le côté cytoplasmique.  La position des protéines dépend des possibilités d’interactions de celle-ci avec les lipides, en général ce sont des interactions faibles.  Il existe deux classes de protéines : o Les protéines intrinsèques (intégrales) o Les protéines extrinsèques (périphériques) Université 7 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny B. Les protéines membranaires Les protéines intrinsèques  Elles peuvent être de deux groupes : o Traverser la totalité de la membrane : protéines transmembranaires o Ancrées sur un des deux feuillets de la membrane (feuillet interne ou externe)  Elles sont pour la grande majorité des protéines membranaires (plus de 70% des protéines contenues dans les membranes)  Elles sont fortement liées à la membrane, leur extraction est difficile o Elles nécessitent un détergent comme le TRITON x100 ou le SDS (dissolvent les membranes). o Elles peuvent être détachées par des solvants organiques entraînant la destruction de la bicouche lipidique.  Selon le nombre de zone hydrophobes et d’autres facteurs (séquences signal), les protéines transmembranaires peuvent émerger d’une seule face de la membrane (=protéines monotopiques, traverser la couche une fois (=protéines bitopiques ou traverser la couches plusieurs fois = protéines polytopiques.  Les protéines bitopiques traversant la couche une fois agissent souvent comme des récepteurs catalytiques (récepteur à tyrosine kinase).  Les protéines polytopiques traversant la couche plusieurs fois ont des parties installées dans la membrane. Le nombre de passage varie de deux à plus d’une douzaine.  Les protéines sont ainsi classées selon le nombre de passage et selon l’orientation de leurs extrémités dans les membranes. Pour les Protéines protéines bitopiques : transmembranaires o Extrémité NH2 terminale dirigée vers l’extracellulaire : la protéine intrinsèque est de type I. o Extrémité NH2 terminale dirigée vers le cytoplasme : la protéine intrinsèque est de type II.  Une protéine monotopique dont une seule face émerge de la bicouche, traverse la membrane une seule fois et l’ancrage se fait par la région en hélice alpha incluse dans les feuillets (ex : cytochrome B).  L’ancrage de ces protéines se fait par un lipide, dû à une liaison ester, la protéine est dans une position « superficielle » elle n’est pas incluse Protéines ancrées dans la membrane mais c’est une protéine intrinsèque qui nécessite un détergent pour être détachée.  La liaison se fait par l’intermédiaire d’un glycophosphatidylinositol Protéines à ancre GPI (ancre GPI), toujours dans le feuillet externe par une liaison covalente. Son extraction nécessite l’utilisation d’un détergent. Université 8 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny Les protéines membranaires Les protéines extrinsèques  Elles sont en dehors de la bicouche, deux localisations possibles : o La face externe de la membrane o La face interne de la membrane  Elles représentent environ 1/3 des protéines membranaires.  Elles se lient à la double couche lipidique par des liaisons faibles (en général de type électrostatiques) jamais par des liaisons covalentes, au groupement polaire des lipides ou à des régions hydrophiles de protéines qui sont elles-mêmes des protéines intrinsèques membranaires.  Presque toutes les protéines extrinsèques externes portent du côté extérieur des groupements ou des chaînes polysaccharidiques plus ou moins ramifiées (ce sont des protéines glycosylées) tandis que les protéines du côté cytologique ne sont jamais glycosylées, relativement courtes et peu ramifiées.  Les sucres qui constituent la partie la plus externe sont appelés glycocalyx (cell caot). Ces sucres sont directement en liaison avec le milieu extracellulaire. Ce glycocalyx est plus ou moins épais selon les cellules. o Exemple : 1,5nm pour un globule rouge, 200nm pour un entérocyte  L’ancrage pour les protéines périphériques peut se faire : o Par une longue chaîne hydrocarbonée qui s’encastrent dans le feuillet interne pour les protéines cytosoliques (la tyrosine kinase SRC ou petite protéines G ras). Les protéines membranaires Rôle des protéines  Transports transmembranaires  Récepteurs (informations venant de l’extérieur)  Reconnaissance cellulaire  Inhibition de contact  Adhérence cellulaire  Activités enzymatiques  Rôles structuraux  Ces protéines ont la capacité de fixer un certain nombre de substances diverses comme des substances médicamenteuses, des virus ou des toxines.  Les sucres représentent 5-10% du poids sec de la membrane et peuvent être mis en évidence par des techniques comme l’acide périodique-schiff = APS ou encore qui sont capables de reconnaitre les substances glucidiques de façon spécifique.  Ces sucres sont toujours liés à des protéines ou à des lipides dans la membrane (sucres abondants dans les protéoglycanes). Université 9 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny II. Structure de la membrane Organisation en bicouche  Les molécules lipidiques se disposent en double couches constituant une barrière presque imperméable, difficilement franchissable notamment pour toutes les particules qui sont hydrosolubles.  Le groupement polaire des lipides est dirigé vers la face externe = feuillet osmiophile externe et vers la face interne = osmiophile interne.  Les groupements apolaires dits chaînes carbonées aliphatiques se situent dans la partie médiane de la bicouche, elles sont orientées de façon perpendiculaire à la surface des feuillets.  Le feuillet externe est souvent légèrement plus épais que l’interne ce qui révèle une asymétrie de la membrane.  Chaque feuillet fait environ 2nm d’épaisseur et la partie médiane 3,5nm pour une épaisseur totale d’environ 7,5nm.  La démonstration de l’organisation des lipides en bicouches a été faite en 1925 notamment grâce à des expériences sur des globules rouges, ils ne possèdent pas d’organites ni de noyau donc pas de membrane hormis la membrane plasmique.  Une suspension de globules rouges dont on connaît le nombre et dont on mesure la surface de la membrane plasmatique.  Ces membranes sont traitées avec de l’acétone qui est un solvant organique permettant de solubiliser les lipides qui sont étalés dans une cuve contenant de l’eau.  Ces lipides vont former une couche monomoléculaire.  La surface couche lipidique vaut 2x la surface des globules rouges intacts (les lipides sont organisés en une bicouche dans la membrane plasmique). Explication schéma Université 10 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny II. Structure de la membrane Structure asymétrique  La bicouche lipidique est asymétrique, ceci est dû à la répartition des lipides entre les deux feuillets qui est elle-même asymétrique.  Les sphingolipides, phosphatidylcholines et glycolipides sont plus abondants dans le feuillet externe.  Les phosphatidyléthanolamines, phosphatidylsérines sont les plus abondants dans le feuillet interne.  Cependant, cette asymétrie est fondamentale et nécessaire à de nombreux processus biologiques dont la PKC (phosphokinase C), qui utilise les phospholipides pour transformer un certain nombre d’informations extracellulaires en signaux intracellulaires.  Les lipides ne sont pas fixes, ils peuvent passer d’une couche à l’autre par un phénomène de diffusion transversale.  Flip-flop (phénomène rare)  Il existe des liaison S-S (souffre) dites liaisons disulfures, elles se font entre les résidus cystéines des protéines situées dans le domaine extracellulaire de celle-ci. Cela est dû au fait que l’environnement est réducteur dans le cytosol ce qui empêche la formation de ponts disulfures. Université 11 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny II. Structure de la membrane Structure fluide  La membrane plasmique n’est pas rigide, elle est ou moins fluide selon un certain nombre de paramètres : o La nature des lipides : la présence de phospholipides insaturés augmente la fluidité de la bicouche, tandis qu’à l’inverse, la saturation des phospholipides la rend plus ou moins visqueuse. Plus l’AG a des chaînes courtes ou de doubles liaisons, plus la membrane sera fluide. o La quantité de cholestérol o La température  La fluidité membranaire est aussi due aux mouvements que peuvent avoir les constituants de la membrane : o Les lipides sont capables de tourner autour de leur axe perpendiculairement au plan de la membrane. o Les chaînes hydrocarbonées des lipides sont flexibles (se balancent de gauche à droite).  La présence de cholestérol renforce la solidité de la membrane.  Cette molécule possède un groupement polaire hydrophile et un noyau stéroïde hydrophobe.  Son groument polaire hydrophile se place entre les groupements polaires des autres molécules lipidiques tandis que le noyau stéroïde s’intercale dans la zone des chaînes aliphatiques de la membrane.  Ce noyau stéroïde immobilise partiellement les chaînes aliphatiques voisines ce qui rend la molécule (membrane) plus rigide.  Diminution des mouvements  Plus il aura de cholestérol moins la membrane sera fluide.  Le cholestérol joue un rôle structural qui vise à empêcher une fluidité excessive de la membrane.  L’organisme régule ainsi la fluidité de sa membrane en contrôlant ses apports en cholestérol.  Toutefois, une membrane trop rigide est observée dans les maladies Cholestérol cardiovasculaires, le cholestérol ne peut plus s’intercaler entre les phospholipides, le cholestérol retourne dans le sang dans lequel il peut s’oxyder et former des plaques d’athérome pouvant aboutir à une athérosclérose, augmentant le risque d’infarctus.  Dans les membranes des cellules eucaryotes, il existe une molécule de cholestérol pour une molécule de phospholipide (la variation de cette proportion modifie l’origine de la fluidité). Université 12 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny Structure fluide (suite) Une diminution de la température induit une diminution de la fluidité, car cela ralenti l’agitation moléculaire, permettant aux lipides d’interagir plus facilement entre eux (notamment par des interactions Van Der Waals). Température La diminution de la température va alors provoquer la synthèse de lipides insaturés induisant une augmentation de la fluidité de la membrane. La température agit aussi sur la répartition des protéines intrinsèques. II. Structure de la membrane Mouvement des lipides Les mouvements de protéines d’une couche à l’autre sont inexistants mais les déplacements des molécules au sein d’un même feuillet sont fréquents et sont à l’origine de la propriété essentielle de la membrane : sa fluidité, elle-même modulable selon les interactions avec l’extérieur. Cette fluidité contrôlée permet le déplacement des lipides : o De manière isolée o En groupe au sein de compartiments membranaire nommés DIG = Detergent Insoluble Glycolip enriched microdomain Les DIG servent de plateforme pour la fixation d’un certain nombre de protéines et peuvent se réunir pour former des domaines plus étendus. A l’intérieur des membranes, il peut y avoir des mouvements de lipides et de protéines. Les lipides peuvent diffuser : o Transversalement (d’un feuillet à l’autre) o Latéralement (au sein du même feuillet) La vitesse de déplacement des phospholipides est de l’ordre de 1 micromètre par seconde latéralement (dépend de la longueur des chaînes aliphatiques, plus elles sont courtes et insaturées, plus le mouvement sera rapide, qui dépend aussi du sens de déplacement). Il faut 100 fois plus de temps pour un déplacement latéral que pour un déplacement transversal. Ce déplacement dépend de protéines spécialisées : les flippases qui consomment de l’énergie sous forme d’ATP. Université 13 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny II. Structure de la membrane Mouvement protéique  Les protéines diffusent latéralement.  Ce mouvement a été mis en évidence par 4 méthodes expérimentales : 1. La fixation d’anticorps fluorescents sur des antigènes membranaires. 2. FRAP : technique de récupération de fluorence après photo décoloration 3. SPT (Single Particle Tracking) : suivi d’une seule particule. Permet de suivre le mouvement de molécule d’or colloïdal ou de particules fluorescentes qui sont liées spécifiquement à une seule molécule protéique de la membrane. 4. Pinces laser : déplacement des protéines marquées à l’aide de rayon laser par un système de pince laser ou de pince optique. Expérience : fusion des cellules La toute première indication de l’existence d’une diffusion latéral d’une protéine remonte à 1970. L’expérience consistait en la fusion des cellules de nature différentes puis d’observer en microscopie de fluorescence la vitesse de fusion des anticorps préparés contre les protéines de surface des deux populations de cellules. o Préparation des anticorps dirigés contre les protéines de la membrane plasmique de chacune des cellules. Ces anticorps sont marqués avec des fluorochromes de couleurs différentes (fluorescéine pour la couleur verte, rhodamine pour la couleur rouge). o Fusion (avec le virus de Sendaï ou PEG qui facilitent la fusion des membranes).  Au début, la fluorescence est dans chacune des deux cellules puis au bout d’un certain temps, une redistribution de la fluorescence sur toute la surface de la nouvelle membrane de la cellule fusionnée. Université 14 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny Mouvement protéique (suite) Plus récemment, une autre technique a été utilisée pour démontrer cette propriété de diffusion latérale. Un faisceau laser est appliqué sur une membrane, colorée en amont avec des molécules fluorescentes. L’application de faisceau laser sur cette membrane décolore de façon irréversible une zone qui est constituée de 100 à 1000 fluorophores. Au cours du temps, cette zone décolorée redevient fluorescente, ce qui est dû à la migration latérale des fluorophores. La vitesse de récupération de fluorescence donne des informations sur la capacité de diffusion et sur le coefficient de diffusion latérale. FRAP Cette diffusion latérale des protéines est aussi démontrée sur des lymphocytes par le phénomène de capping qui est la formation d’une coiffe. Cette observation s’est faite par la fixation d’anticorps fluorescents qui sont capables de reconnaître des antigènes à la surface des lymphocytes de façon diffuse. Ils se répartissent sur toute la cellule. Comme les protéines sont capables de se regrouper sur une petite zone de la cellule, elles sont ensuite endocytées. Capping sur lymphocytes Université 15 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny Structure membranaire Rotation des lipides et des protéines Les protéines et les lipides peuvent réaliser un mouvement de rotation au sein d’un feuillet de mouvement des protéines sont fréquents dans la membrane plasmique cependant, ils peuvent être limités par de nombreux facteurs. Certaines protéines membranaires sont capables de s’auto-associer en formant des complexes multiprotéiques de tailles très importantes constituant des domaines dits domaines spécialisés de la membrane.  Exemple : l’halobacterium halobium (bactérie) chez laquelle il existe 100 000 copies d’une même protéine, la bacterio rhodipsine, qui s’associent pour former un domaine particulier de la membrane qu’on appelle la membrane pourpre. L’ensemble, forme une surface de l’ordre du micromètre2 est incapable de diffusion.  Pour jouer sur cette mobilité des protéines, il existe des interactions entre : o Protéines membranaires et cytosquelette o Protéines membranaires et matrice extracellulaire  La présence de jonctions intercellulaires est à l’origine de la limitation du mouvement des protéines au sein de la membrane plasmique.  Tous ces mouvements de molécules et leurs limitations sont à l’origine de la notion de domaines ou de compartiments membranaires.  La membrane plasmique est divisée en différents compartiments ou sous-compartiments  En général les protéines sont capables de se déplacer librement à l’intérieur d’un même compartiment et aussi d’un compartiment à un autre. III. Modèle de Singer and Nicholson L’ensemble de toutes ces données a permis d’élaborer le modèle de Singer et Nicholson (accepté à l’unanimité par les scientifiques). Il correspond de la mosaïque fluide. Il date des années 1972. La membrane est assimilée à un fluide bidimensionnel, une mosaïque plane, de lipide et de protéines. Les lipides sont maintenus par des interactions faibles en une bicouche à laquelle sont liées par des interactions faibles les protéines. Ce modèle accentue toutes les propriétés connues actuellement sur les membranes plasmiques. Université 16 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny IV. Biosynthèse et renouvellement  Le renouvellement est permanent, il y a un apport de membrane néosynthétisée qui compense les pertes de la membrane dues aux phénomènes d’endocytose ou de phagocytose.  La microscopie quantitative permet de mettre en évidence la quantité de membrane perdue pendant la phagocytose ou l’endocytose sur un macrophage. o Les macrophages sont capables de phagocyter, d’endocyter l’équivalent de toute leur surface toutes les 33 minutes environ. o La cellule devrait diminuer de taille mais celle-ci ne varie pas, ce qui sous-entend qu’il y a un renouvellement et une biosynthèse.  Lieu de la biosynthèse de ses constituants et du début des constituants qui entrent dans le système endomembranaire. Le cytosol  Exemple : le cholestérol et les précurseurs des phospholipides sont synthétisés dans le cytosol. Deux compartiments indispensables  Le système endomembranaire assure la synthèse Le système et maturation des phospholipides. endomembranaire  Il assure également la synthèse d’une large partie des glycoprotéines membranaires ou transmembranaires.  Certains constituants de la membrane plasmique sont insérés dans les membranes du réticulum endoplasmique comme les phospholipides et les glycoprotéines transmembranaires ou sous forme de vésicules qui fusionnent avec la membrane plasmique permettant l’insertion des constituantes néosynthétisés comme les phospholipides et les glycoprotéines transmembranaires. Des vidéos interactives avec QCMs inclus sont proposés sur Moodle par le professeur lui- même pour vous entrainer. Bon courage !!! Université 17 sur 18 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 03 – Membrane Plasmique Santé Bobigny Université 18 sur 18 Sorbonne Paris Nord  UE BIOLOGIE – SOCLE COMMUN Biologie Cellulaire 04 – LE CYTOSOL Points clés ❖ Composition du cytosol ❖ Particularités du code génétique (à quoi il sert) ❖ Les bases de la traduction (les 3 étapes) ❖ Les différents rôles du cytosol (de hsp, Ca2+, protéases..) Biologie Cellulaire Tutorat 04 – Le cytosol Santé Bobigny PLAN DU COURS I. Introduction II. Composition du cytosol III. Fonctions du cytosol A. Synthèse des protéines B. Adressage des protéines synthétisées C. Modification des protéines synthétisées D. Dégradation des protéines IV. Rôle dans l’immunité V. Autres acteurs présents dans le cytosol A. Protéines G B. Le calcium et les molécules associées Université 2 sur 19 Sorbonne Paris Nord Biologie Cellulaire Tutorat 04 – Le cytosol Santé Bobigny I. INTRODUCTION ♦ Les trafics intracellulaires peuvent s’effectuer de plusieurs manières, mais il y en a deux principales : soit via des systèmes vésiculaires qui permettent à des molécules de passer d’un organite à un autre, soit via des molécules qui traversent directement le cytoplasme (ou le cytosol), à l’aide ou non du cytosquelette. ♦ Tout cela se fait dans le cytoplasme, c’est-à-dire l’enceinte de la cellule, à l’intérieur de la membrane plasmique. ♦ Le cytosol/hyaloplasme correspond à la phase liquide, translucide où baignent les organites mais aussi de nombreuses autres petites molécules. ♦ Il occupe l’espace à l’intérieur d’une cellule qui n’est pas occupé par des organites (noyau, appareil de Golgi, ribosomes, réticulum, mitochondries et plastes (chez les plantes), cytosquelette, vésicules, système endosomal et lysosomal, phagosomes…). Le cytosquelette permet le maintien de la forme de la cellule. Il va également servir de transport à l’intérieur des cellules et de système d’ancrage. ♦ Définition technique : Fraction liquide du cytoplasme, obtenue après centrifugation et élimination des organites. ♦ Il occupe environ 50% du volume d’une cellule classique, l’autre moitié est occupée par les organites. Cela peut être variable d’un type cellulaire à l’autre. Exemple de cellule classique : un hépatocyte, cellule qui entre dans la constitution du parenchyme hépatique Université 3 sur 19 Sorbonne Paris Nord Biologie Cellulaire Tutorat 04 – Le cytosol Santé Bobigny II. COMPOSITION DU CYTOSOL ♦ Lorsqu’on centrifuge un broyat de cellules, le surnageant qui reste à la fin correspond au cytosol. ♦ Le cytosol est composé : o À 85% d’eau o D'acides aminés, d’acides gras, glycérol et des sucres issus de la digestion de molécules plus volumineuses qui ont potentiellement été fabriquées ou endocytées. o D’ions (Sodium Na+ en moindre quantité, Potassium K+ en grande quantité, Cl-, Mg2+, Ca2+) o De Gaz dissous tels que O2 et CO2 o D’inclusions lipidiques, de glycogène (molécules plus volumineuses que les précédentes citées) qui permettent le stockage des sucres et des lipides (par la suite, leur dégradation permettra de fournir de l’énergie à la cellule). Le glycogène est la principale forme de stockage des sucres chez les animaux contrairement aux plantes pour lesquelles c’est l’amidon) o D'enzymes en très grand nombre (plusieurs milliers qui vont faciliter les réactions biochimiques comme les ribosomes), d’acides nucléiques et des nucléotides (ARNm ou ARNr). Les ribosomes sont des particules ribonucléoprotéiques (= RNP), et associées à des ARNm, ils forment des polysomes qui sont des lieux de synthèse des protéines. o De protéines du cytosquelette qui sont un des constituants majeurs, organisés en structure macromoléculaire. ♦ Ces différentes molécules sont entrées dans les cellules par des mécanismes d’endocytose ou à l’aide de transporteurs. ♦ Selon les interactions des protéines (fibreuses ou globulaires) à l’intérieur du cytosol, la consistance du cytosol peut être +/- visqueux. o Lorsque les interactions sont fortes, on aura un cytosol qui va être plutôt visqueux (Consistance d’un gel) et inversement lorsque les interactions sont faibles, le cytosol va être plutôt fluide. La viscosité étant basée sur des interactions, elle peut donc changer rapidement en fonction des cellules. o Cette modification de consistance du cytosol entre forme gel et fluide est à l’origine de mouvements de certains organites. Université 4 sur 19 Sorbonne Paris Nord Biologie Cellulaire Tutorat 04 – Le cytosol Santé Bobigny III. FONCTIONS DU CYTOSOL ♦ Le cytosol est un carrefour métabolique. ♦ De très nombreuses voies métaboliques commencent dans le cytosol et se poursuivent dans d’autres compartiments après des mécanismes d’adressage des métabolites ♦ Le métabolisme du glucose et production d'énergie : o Le glucose, une fois entré dans la cellule, est transformé très rapidement en glucose-6-phosphate (il porte un groupement phosphate sur l’atome carbone numéro 6). Cette transformation consomme de l’énergie par hydrolyse d’un ATP. C’est le mécanisme de la GLYCOLYSE. o La glycolyse se déroule entièrement dans le cytosol en anaérobie (sans consommationde O2). o La production d’énergie se fait dans un organite spécifique : chez les cellules animalesdans la mitochondrie et chez les cellules végétales dans la mitochondrie + chloroplastes. ♦ La synthèse, la modification, l’adressage et la dégradation des protéines. Université 5 sur 19 Sorbonne Paris Nord Biologie Cellulaire Tutorat 04 – Le cytosol Santé Bobigny III. FONCTIONS DU CYTOSOL A. SYNTHÈSE DES PROTÉINES Le cytosol est le site de synthèse : o De la totalité de ses propres protéines (enzymes, constituants du cytosquelette qui sont destinés à rester dans le cytosol) o De la majorité des protéines mitochondriales (protéines fonctionnelles et structurelles) o De la totalité des protéines contenues dans le nucléoplasme o Des protéines extrinsèques de la membrane plasmique (face cytosolique) o Des protéines G (capable d'hydrolyser le GTP) Le début de la synthèse de TOUTES les protéines se fait dans le cytosol. La synthèse des protéines est aussi appelée phénomène de traduction. La traduction est un mécanisme par lequel une information sous la forme d’un ARNm va être décodée, après la transcription. On passe d’une séquence de nucléotides à une séquence d’acides aminés d’où le terme de traduction. Pour la traduction on utilise le code génétique = dictionnaire des AA (acides aminés) : o Dans un ARNm, la seule partie variable est la base (le ribose (sucre) et le phosphate sont identiques), ainsi, seules les bases sont impliquées dans le code génétique. o On dénombre 4 bases pour 20 acides aminés. o Un code à trois lettres avec 4 lettres différentes (U,C,A,G) permet de coder l’ensemble des acides aminés (43= 64 possibilités : ce qui est suffisant pour coder les 20 AA. Mais pour un code à 2 lettres, on aurait 42 =16 à insuffisant). On parle donc de codon (ou triplet). o Il existe un codon initiateur : AUG = Méthionine (la traduction commence uniquement par ce codon) o Il existe trois codons dits « STOP » ou « non-sens » : UAA, UAG et Le code UGA. Ces derniers ne codent pas pour des acides aminés mais servent à arrêter la synthèse de la chaine polypeptidique. génétique o Mis à part la méthionine et le tryptophane codés par un seul codon, tous les acides aminés sont codés par deux codons ou plus. Université 6 sur 19 Sorbonne Paris Nord Biologie Cellulaire Tutorat 04 – Le cytosol Santé Bobigny III. FONCTIONS DU CYTOSOL A. SYNTHESE DES PROTÉINES (suite) ♦ Le code génétique possède 3 propriétés : o Universel : il est identique pour TOUS les organismes vivants (animaux, plantes, bactéries, virus).(même si Le code récemment on a observé des déviations dans la mitochondrie et génétique certains organismes unicellulaires) (suite) o Dégénéré : un même AA peut être codé par plusieurs codons. Remarque : dans la plupart des cas, c’est la troisième base qui diffère. o Non chevauchant : l’ARNm est lu codon par codon, triplet par triplet du point de départ au point de terminaison. Attention à ne pas confondre avec les gènes chevauchants ! ♦ Ils sont responsables de cette traduction : o Ces derniers vont recevoir divers éléments nécessaires à la traduction dont les ARNt (qui vont apporter les AA) et l’ARNm (= Les ribosomes est l’information qui sera à traduire). o Composé de 2 unités : la petite sous-unité et la grande sous- unité qui elle contient l’enzyme capable d’accrocher successivement un AA à la chaîne polypeptidique en cours d’élaboration : c’est la peptidyl transférase. ♦ Une chaîne peptidique est constituée d’une succession d’acides aminés liés par des liaisons amide (= liaison CONH). ♦ Une liaison peptidique est la formation d’une liaison amide entre l’extrémité COOH d’un premier AA avec l’extrémité NH2 de l’acide aminé suivant. ♦ L’ordre des AA dans cette chaîne est défini par la séquence de l’ARNm via l’information contenue dans cette séquence. ♦ A chaque liaison amide formée on aura l’élimination d’une molécule La chaîne d’eau. peptidique III. FONCTIONS DU CYTOSOL : SYNTHESE DES PROTÉINES LES ÉTAPES DE LA TRADUCTION ♦ La traduction s’effectue en 3 étapes : o Initiation : assemblage du ribosome sur l’ARNm. o Élongation : accrochage des acides aminés les uns aux autres via des cycles répétés de délivrance d’AAs et de formation de la liaison peptidique. C’est aussi lié à des mouvements le long de l’ARNm par des mécanismes de translocation. o Terminaison : libération de la chaine polypeptidique. ♦ Les mécanismes généraux sont identiques mais il peut exister des différences entre les eucaryotes et procaryotes surtout au niveau des facteurs d’initiation, d’élongation et de terminaison. Université 7 sur 19 Sorbonne Paris Nord Biologie Cellulaire Tutorat 04 – Le cytosol Santé Bobigny III. FONCTIONS DU CYTOSOL : SYNTHESE DES PROTÉINES LES ÉTAPES DE LA TRADUCTION (suite) ♦ Activation de l’amino-acyl : Avant l’initiation, il y a l’activation du premier AA qui est la Méthionine. o L’AA (Met) est activé par accrochage sur un ARNt dit initiateur grâce àune enzyme : l’amino-acyl ARNt synthétase qui couple l’AA à son ARNt. o L’amino-acyl ARNt synthétase (ARNt initiateur) transforme l’amino-acyl(via de l’ATP) en amino-acyl-AMP (avec libération de 2 pyrophosphates). o Puis, par rupture de la liaison, l’enzyme transfère l’amino- acyl- AMP surl’ARNt. Ø On obtient ainsi un acide aminé lié à un ARNt : l’amino- acyl-ARNt, en 3’ (c’est un phénomène orienté) 1. Initiation ♦ Au début, les deux sous-unités du ribosome sont dissociées : o 4 à 6 facteurs d’initiation (dont eIF4f, eIF4a et eIF4b) et une hélicase (enzyme ATP-dépendant) vont s’associer au niveau de la coiffe située à l’extrémité 5’ de l’ARNm (extrémité où commence la lecture). o Ils sont ensuite rejoints par la petite sous-unité associée à d’autres facteurs d’initiation : eIF2A + GTP + MET-ARNt o Cet ensemble va se placer sur le site P (= site peptidyl de la sous- unité) Université 8 sur 19 Sorbonne Paris Nord Biologie Cellulaire Tutorat 04 – Le cytosol Santé Bobigny III. FONCTIONS DU CYTOSOL : SYNTHESE DES PROTÉINES LES ÉTAPES DE LA TRADUCTION (SUITE) Ø Cet ensemble va commencer la lecture de l’ARNm via une hélicase (elle nécessite de l’énergie sous forme d’hydrolyse de l’ATP). o Lorsque ce complexe rencontre un codon AUG (codon 1. Initiation d’initiation), le facteur eIF2A hydrolyse le GTP auquel il est lié, (suite) entraînant la dissociation des facteurs d’initiation. o Cette dissociation permet à la grosse sous-unité de venir se fixer à la petite sous-unité. Ø On obtient ainsi un complexe ribosomal de 80S (Svedberg) fonctionnel. Ø L’initiation est terminée. Université 9 sur 19 Sorbonne Paris Nord Biologie Cellulaire Tutorat 04 – Le cytosol Santé Bobigny III. FONCTIONS DU CYTOSOL : SYNTHESE DES PROTÉINES LES ETAPES DE LA TRADUCTION (SUITE) ♦ A chaque cycle d’élongation, on observe : o L’activation de l’amino-acyl ARNt avec du GTP et deuxfacteurs eEF1 (=eucaryote élongation factor) o La liaison de l’amino-acyl-ARNt dans le site A du ribosome(petite sous-unité) o Transfert spontané du peptide sur le site A : transpeptidation o La libération de l’ARNt (qui était sur le site P) o La translocation du site A au site P grâce à un facteur eEF2 et L’hydrolyse du GTP (1 GTP pour chaque translocation de codon). ♦ Ce cycle va avoir lieu jusqu’à l’étape de terminaison. 2. Élongation ♦ Lorsque le ribosome arrive à un codon stop (UAA, UAG, UGA), il s’arrête dans le site A : le facteur eRF (qui a une structure tridimensionnelle très proche de celle d’un l’ARNt) se lie au codon 3.Terminaison stop et provoque l’hydrolyse du peptidyl- ARNt (rupture de la liaison ester sur le site P donc le peptide est décroché du ribosome) et libère donc le peptide dans le cytoplasme. N.B : Il y a une animation à la fin de la vidéo 3 (8min28) sur la façon dont se font ces différentsmécanismes de l’élongation permettant la lecture et la synthèse d’une protéine. III. FONCTIONS DU CYTOSOL B. ADRESSAGE DES PROTÉINES SYNTHETISEES Dans le cytosol, il y a des facteurs spécialisés dans la reconnaissance des séquences d’adressage des protéines. Ils permettent de trier et diriger les protéines vers une destination. Les principaux à retenir sont : SRP Adressage des protéines vers le Réticulum (Signal Recognition Particle) NLS Adressage des protéines vers le Noyau (Nuclear Localization Signal) Université 10 sur 19 Sorbonne Paris Nord Biologie Cellulaire Tutorat 04 – Le cytosol Santé Bobigny III. FONCTIONS DU CYTOSOL C. MODIFICATION DES PROTÉINES SYNTHETISEES ♦ Le cytosol est en mesure de modifier les protéines soit pendant (co-traduction), soit après la traduction (post-traduction). ♦ On dénombre une centaine de modifications pouvant toucher les AAs : o Phosphorylation-déphosphorylation o Enlèvement Méthionine o Modifications des acides aminés o Méthylation, Carboxylation, Acétylation, Sulfatation de certains AAs o Glycosylation : O-glycosylation au niveau de l’appareil de Golgi, pouvant intervenir sur un nombre limité de protéines cytosoliques. o Accrochage d’acides gras, après la traduction, sur certaines protéines leur permettant de s’ancrer, de manière réversible ou non, sur la face cytosolique des membranes plasmique, nucléaire et des différents compartiments endomembranaires (cas de l’isoprénylation ou formation des ancres GPI). o Conformation 3D et possibilité +/- dépliement par les protéines de choc thermique, permettant l’acquisition d’une conformation tridimensionnelle, qui confère une activité à la protéine. o Ubiquitination (= dégradation) III.FONCTIONS DU CYTOSOL : MODIFICATION DES PROTÉINES SYNTHETISEES ACCROCHAGE D’ACIDES GRAS ♦ L’accrochage de résidus d’acides gras se fait sur des protéines néosynthétisées qui vont permettre d’adresser ces protéines vers la membrane et permettre leur insertion du côté cytosolique. ♦ Parmi ces différentes possibilités d’accrochage des résidus d’acides gras on va avoir des réactions qui vont soit se faire de façon co-traductionnelle (pendant la traduction) ou de façon post- traductionnelle (une fois que la protéine est terminée). Ø Les protéines seront ainsi ancrées dans la membrane sur la face extracellulaire (c’est le cas de l’ancre GPI) ou intracellulaire (accrochage des protéines sur la face cytosolique). GLYPATION : consiste à accrocher une ancre EXTRACELLULAIRE GPI (glycosylphosphatidylinositol) dans le CO- Réticulum endoplasmique TRADUCTIONNELLE MYRISTOYLATION INTRACELLULAIRE POST- PALMITOYLATION TRADUCTIONNELLE ISOPRENYLATION Université 11 sur 19 Sorbonne Paris Nord Biologie Cellulaire Tutorat 04 – Le cytosol Santé Bobigny III. FONCTIONS DU CYTOSOL : MODIFICATION DES PROTÉINES SYNTHETISEES LES PROTÉINES DE CHOC THERMIQUE (HSP) ♦ Aussi appelées Heat Shock Proteins (HSP) = Protéines chaperonnes = Protéines de stress ♦ Localisation extrêmement variable (cytosol, matrice de la mitochondrie, lumière du réticulum endoplasmique, lumière des lysosomes, membrane interne…). Caractéristiques ♦ Elles ont TOUTES une activité ATPasique SAUF l’ubiquitine. ♦ Poids moléculaire variable (10 à 110 kDa) ♦ Rôle général dans l’intégrité des autres protéines cellulaires, dans l’adressage, dans les modifications post- traductionnelles et dans la dégradation des protéines. ♦ Elles interviennent dans des mécanismes physiologiques. ♦ HSP constitutives : présentes de façon permanente dans toutes les cellules à l’état normal => ubiquitaire (ex : ubiquitine). ♦ HSP inductibles : apparaissent lors de phénomène de stimulation ou de stress (infection virale, hypoxie, action de toxines), elles sont absentes à l’état normal. Ø Ex : Tout stress sur des cellules peut conduire à des dénaturations pour les protéines. La renaturation est un mécanisme thermodynamiquement spontané qui se fait à 20°C normalement. L’augmentation de la température d’environ 4-5 degré (à 37°C Plusieurs types chez l’Homme), au sein d’une cellule va induire une réponse transitoire qui se traduit par une diminution de la synthèse de certaines protéines et par la modification de la conformation spatiale (souvent associé à la perte de leur activité fonctionnelle). Ces protéines modifiées auront tendance à s’agréger et peuvent devenir toxiques pour les cellules. Il y aura donc une augmentation de la transcription des gènes codant pour les HSP et une augmentation de la synthèse des protéines chaperonnes qui permettent de diminuer cette agrégation. ♦ Ces protéines chaperonnes ou protéines de choc thermique ont été découvertes chez les levures puis chez les animaux, à la suite d’une élévation de la température. Elles ont été très bien conservées au Découverte et cours de l’évolution ce qui suggère un rôle essentiel dans la vie des évolution cellules. ♦ Retrouvées chez de nombreux êtres vivants : HSP70 humaine a 50% d’homologie avec celle bactérienne (chez E. Coli), certains domaines ont des taux d’homologie de 96%. Université 12 sur 19 Sorbonne Paris Nord Biologie Cellulaire Tutorat 04 – Le cytosol Santé Bobigny LES PROTÉINES DE CHOC THERMIQUE FONCTIONS DES PROTÉINES DE CHOC THERMIQUE ♦ Pour être fonctionnelles, les protéines doivent se modifier et acquérir une conformation définitive nécessaire à leur intervention dans les différentes fonctions qu’elles peuvent avoir. Ø C'est alors que les protéines chaperonnes (hsp et co- chaperonnes) interviennent pourreplier la protéine et acquérir sa conformation tertiaire et quaternaire qui sont absolument indispensables pour leurs fonctions dans la cellule. Acquisition de la conformation tridimensionnelle des protéines ♦ La clathrine permet la formation, soit de bourgeonnement, soit de molécules d’endocytose. Elle est associée à une protéine adaptative : l’adaptine, qui permet la liaison. ♦ Lorsque la vésicule est formée, elle va perdre son manteau de clathrine (nécessai