Ronéo 5 LAS partie 1 PDF - Biologie Cellulaire - Sorbonne Paris Nord

 SOCLE COMMUN UE BIOCHIMIE ET BIOLOGIE MOLÉCULAIRE Matière Titre du cours Date Professeur Cours vu 01- SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE 24/10 Pr. Oudar Bio...

 SOCLE COMMUN UE BIOCHIMIE ET BIOLOGIE MOLÉCULAIRE Matière Titre du cours Date Professeur Cours vu 01- SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE 24/10 Pr. Oudar Biologie PARTIE 1 cellulaire 02- SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE 24/10 Pr. Oudar PARTIE DEUX 03- PROBLÈMES LIÉS A LA 24/10 Pr. Oudar COMPARTIMENTATION 01- LE GÉNOME HUMAIN ET SON 23/10 Pr. Fabre Biochimie EXPRESSION PARTIE 1 02- LE GÉNOME HUMAIN ET SON 23/10 Pr. Fabre EXPRESSION PARTIE 2 03- MATURATION 23/10 Pr. Fabre 04- TRADUCTION 23/10 Pr. Fabre  SOCLE COMMUN  UE BIOLOGIE – SOCLE COMMUN Biologie cellulaire 08 – PROBLÈMES LIÉS À LA COMPARTIMENTATION Points clés Définition de l’osmose et calcul de la pression osmotique Les principes de transport de l’eau (aquaporine) Les principes de diffusion passive et de diffusion passive facilitée Le mode de passage des métabolites (transport actif et passif) Les mécanismes d’action de la Na+/K+ ATPase Les mécanismes de transport du glucose et les systèmes de co-transport Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la Santé Bobigny compartimentation PLAN DU COURS I. Problème osmotique A. Compartimentation cellulaire B. Perméabilité membranaire II. Deux principaux problèmes A. Problème lié à la composition des milieux B. Problème lié aux macromolécules III. Transports membranaires A. Généralités B. Transport passif C. Transport actif D. Cotransport Université 2 sur 16 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la Santé Bobigny compartimentation I. PROBLEME OSMOTIQUE A. Compartimentation cellulaire ♦ La compartimentation d’une cellule va engendrer quelques problèmes notamment : o Des phénomènes d’accumulation de substance dans un espace limité=problèmes d’osmose o Des problèmes de barrière ♦ La présence de barrières membranaires limite les mouvements des molécules à l’intérieur des cellules. ♦ Il y a donc une nécessité de la mise en place de transporteurs pour permettre les échanges de métabolites et d'informations avec le milieu (soit entre les organites eux-mêmes, soit entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule), afin de permettre la survie de la cellule. B. Perméabilité membranaire ♦ Lois de l’osmose décrivent des mouvements de solvant (l’eau dans la cellule) ♦ On considère 2 compartiments séparés par une membrane : o 1 compartiment comportant de l’eau pure o 1 compartiment contenant une solution aqueuse saline ♦ Selon la perméabilité de la membrane, les mouvements vont être différents. ♦ Elle laisse passer les solutés et le solvant, le système va évoluer de sorte que Si membrane est les concentrations du soluté de part et d’autre de la membrane vont perméable s’équilibrer. ♦ Elle laisse passer uniquement le solvant et pas les solutés ♦ Le système va aussi tendre vers un équilibre de concentration. Si membrane est ♦ Comme seul le solvant peut traverser la membrane, cette diffusion du hémi-perméable solvant est appelée phénomène d’osmose. = semi-perméable ♦ L’eau passera du compartiment où elle est pure au compartiment (où elle est hautement concentrée) où elle contient des solutés (où sa concentration est plus faible puisqu’elle contient aussi des molécules de solutés). Si membrane est ♦ Rien ne traversera la membrane. imperméable Université 3 sur 16 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la Santé Bobigny compartimentation B. Perméabilité membranaire Pression osmotique ♦ Le flux d’eau se traduit par une augmentation du volume dans le compartiment contenant le soluté. ♦ Si on s’oppose à cette variation de volume par application d’une pression sur le compartiment contenant la solution saline (qu’on appelle la pression hydrostatique) on peut empêcher l’eau de monter dans le compartiment. ♦ La valeur de cette pression mesurée, c’est ce qu’on appelle la pression osmotique de la solution. ♦ La pression osmotique dépend de plusieurs paramètres, notamment de la concentration en soluté (nombre de particules par litre de solvant) =osmolarité. Formule ♦ R=constante des gaz parfait ♦ T=température en degrés kelvin ♦ C=osmolarité de la solution en mole par litre (ou osmole par litre) ♦ Une solution aqueuse de chlorure de sodium NaCl avec un poids moléculaire de 58.5 contenants 5.85g /l soit 0.1mol/l aura une osmolarité de 0.2 osmole/L. ♦ En effet, quand on met du NaCl dans de l’eau, elle se dissocie sous forme de Na+ et Cl- qui provoque l’apparition de 2 espèces moléculaires qui vont jouer un rôle Exemple en termes d’osmolarité. (ils vont participer au gradient de concentration, traité plus loin dans le cours). ♦ Approximativement, on considère que les membranes plasmiques agissent comme des membranes hémi-perméables permettant donc les mouvements d’eau. Université 4 sur 16 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la Santé Bobigny compartimentation B. Perméabilité membranaire Exemple du globule rouge ♦ On plonge un GR dans une solution de chlorure de sodium a 0.15 molaire avec une osmolarité de 300 mosml/l ; Solution isotonique ♦ Le GR ne change pas de volume. ♦ On est dans une solution où l’osmolarité à l’intérieur de la cellule est équivalente à celle de l’extérieur = solution isotonique. ♦ On plonge un GR dans une solution moins concentrée =solution hypotonique ; Solution hypotonique ♦ Le GR va augmenter de volume : l’eau va entrer à l’intérieur et il va gonfler. ♦ Si solution est très hypotonique, le GR va gonfler jusqu’à exploser. ♦ On plonge un GR dans une solution plus concentrée=solution hypertonique Solution hypertonique ♦ Le GR va se déformer, induisant une diminution de son volume et prendre un aspect crénelé ♦ Le GR va diminuer de volume : l’eau va sortir. ♦ Le GR a une osmolalité égale à 300 mosml. ♦ Ces variations de volumes se traduisent essentiellement par des mouvements d’eau de part et d’autre de la membrane des GR. Université 5 sur 16 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la Santé Bobigny compartimentation II. DEUX PRINCIPAUX PROBLEMES A. Problème lié à la composition des milieux ♦ Les milieux intra et extracellulaires contiennent en plus de l’eau, des ions et des protéines. ♦ Cependant la membrane plasmique n’est pas strictement hémiperméable donc certains ions vont diffuser lentement dans un sens comme dans l’autre à travers celle-ci. ♦ Si les variations d’osmolarité du milieu ne sont pas trop rapides, un équilibre de concentration peut être atteint, c’est le premier problème. B. Problèmes liés aux macromolécules ♦ Le second problème provient de la présence de très nombreuses macromolécules des cellules qui ne peuvent pas traverser lamembrane. ♦ Ces macromolécules sont souvent chargées électriquement, créant donc ce qu’on appelle un gradient de potentiel électrique de part et d’autre de la membrane. ♦ Leurs charges sont neutralisées par les ions ; ainsi la répartition finale des ions dépend à la fois des gradients de concentration et des gradients de potentiel électrique. ♦ Cette répartition des ions qui dépend des gradients est la raison pour laquelle certains ions sont plus nombreux à l’intérieur qu’à l’extérieur de la cellule. ♦ Cela provoque une osmolarité dans les cellules, celle-ci est plus grande dans le cytoplasme qu’à l’extérieur, donc par effet d’osmose l’eau va avoir tendance à entrer dans les cellules et tend à les faire éclater. ♦ Selon les espèces, les mécanismes de ressortie de l’eau diffèrent. ♦ De la famille des protozoaires. ♦ Possède des vacuoles pulsatiles qui servent à expulser l’eau vers le milieu extérieur. Exemple de la paramécie ♦ Dans la plupart des cellules animales (mammifères) ; on va avoir des Chez les systèmes des pompes qui sont capable de rejeter certains ions vers mammifères l’extérieur pour réduire l’osmolarité du cytoplasme. Université 6 sur 16 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la Santé Bobigny compartimentation III. LES TRANSPORTS TRANSMEMBRANAIRES A. Généralités ♦ Pour pouvoir maintenir des réactions de métabolisme à l’intérieur de la cellule ; il faut des entrées de métabolite. ♦ Or, pour pouvoir entrer dans la cellule, il faut traverser la membrane (plasmique et de l’organite si les molécules doivent rejoindre un organite en particulier). ♦ Certains produits élaborés dans la cellule sont déversés dans le milieu environnant. ♦ Il existe donc un ensemble de mécanismes qui vont permettre à toutes ces molécules de franchir la membrane plasmique et vont faire intervenir des transports membranaires. ♦ On parle de transport perméatif pour les transports transmembranaires qui n’impliquent pas de modification morphologique de la membrane plasmique. ♦ Les petites molécules traversent la membrane grâce à de multiples mécanismes qui sont classés en fonction : o De la nature de la molécule transportée o Du besoin ou non de source énergétique pour ce transport Les petites ♦ Par exemple, les gaz respiratoires qui sont liposolubles donc hydrophobes molécules vont franchir la barrière membranaire sans problème. ♦ En revanche, les molécules hydrophiles de petite taille (ion, métabolite...) vont devoir être pris en charge par des protéines de transport membranaires capables de faire traverser ces substances à travers la membrane. ♦ Ces transports à travers la membrane vont se dérouler : o Sans l’intervention du cytosquelette o Sans modification de la membrane ♦ Les transporteurs font passer à travers la membrane plasmique des Caractéristiques molécules de type : o Non polaire o Faible poids moléculaire (en général) o Nécessitant des protéines intramembranaires spécifiques (des molécules de transport) ♦ En fonction ou non du besoin en énergie de ces transports on va distinguer Type de 2 types : transport o Transport passif = ne nécessite pas d’énergie o Transport actif = nécessite de l’énergie Université 7 sur 16 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la Santé Bobigny compartimentation III. LES TRANSPORTS TRANSMEMBRANAIRES B. Transport passif ♦ Les transports passifs sont des transports transmembranaires qui ne consomment pas d’énergie par définition. ♦ Ils sont de 2 types : o Diffusion simple (modification d’hydrophobie de la membrane, comprend la diffusion par solvant) o Diffusion passive facilitée (se font par transporteur c’est-à-dire par protéine porteuse appelé aussi des perméases, des canaux ioniques qui engendrent la diffusion passive facilitée) ♦ Ces diffusions vont dans le sens du gradient de concentration ! 1. Diffusion simple ♦ Ou : diffusion par solvant ♦ On va avoir des échanges par diffusion qui sont conditionnés par différents paramètres comme : o La taille des molécules o La présence (ou absence) de polarité o La présence de charge, gradient de concentration o La solubilité dans les lipides ♦ Concernant la taille : la vitesse de pénétration d’une molécule est inversement proportionnelle à son volume (vrai en réalité que pour les petites molécules). ♦ Une molécule polarisée ne pourra pas entrer dans une cellule partransport Précisions passif. ♦ Une molécule non chargée et à haut degré d’hydratation (entourée de beaucoup de molécules d’eau), ne pourra pas traverser la membrane par un transport de type diffusion simple. ♦ Dans le cas d’une molécule capable de se mouvoir librement à travers la membrane ; la vitesse de progression va dépendre de la concentration de part et d’autre de la membrane. ♦ La molécule se déplace de la région de forte concentration vers la région de faible concentration, c’est-à-dire, toujours selon son gradient de concentration. ♦ Cela représente un nombre limité de molécules ; c’est le cas pour : o Molécules de gaz : O2, N, CO2 o Hormones stéroïdes o Eau ♦ Petite précision concernant l’eau : même si c’est une molécule polaire, elle peut passer très lentement grâce à des espaces crées par des parties hydrocarbonées des phospholipides. Université 8 sur 16 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la Santé Bobigny compartimentation B. Transport passif 1. Diffusion simple Diffusion par solvant ♦ Cette diffusion se produit grâce à des modifications de l’hydrophobicité de la membrane ♦ Celle-ci peut être modifiée par le regroupement temporaire (quelque millième de seconde) de protéines intramembranaires sous forme de pores qui sont perméables à l’eau ♦ Les grenouilles ne vivent jamais très loin de milieux aqueux. ♦ En cas de déshydratation, la grenouille peut réabsorber de l’eau qui est à l’intérieur de sa vessie grâce à la formation depores. Paroi de la vessie ♦ Les pores vont se former par regroupement de protéines dans la de grenouille membrane plasmique des cellules de la paroi de la vessie. ♦ Via une simulation hormonale, ces protéines vont former un canal qui permettra à l’eau de ressortir de la vessie et de repasser dans l’organisme de la grenouille. Université 9 sur 16 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la Santé Bobigny compartimentation B. Transport passif 2. Diffusion passive facilitée ♦ On fait appel à des protéines porteuses, des perméases qui sont des transports qui ne nécessitent pas d’énergie pour fonctionner. ♦ L’« énergie » de ces transports provient du gradient de concentration de la molécule qui doit être transportée. ♦ S’il y a une différence de concentration de part et d’autre de la membrane, ces molécules de transports vont faciliter le passage des molécules entre les 2 compartiments mais TOUJOURS dans le sens du gradient (c’est-à-dire du compartiment où elles sont très concentrées vers la zone où elles le sont moins). ♦ Uniport : transporteur assure le passage d’une molécule d’un côté vers l’autre de la membrane plasmique ou de la membrane d’un organite. ♦ Symport : transporteur est capable d’assurer le passage de 2 types de molécules différentes dans le même sens. ♦ Antiport : transporteur va assurer un échange de 2 molécules différentes dans des sens opposés. 3 catégories de transporteurs ♦ La plupart de ces protéines (transporteur, perméase) sont : o De haut poids moléculaire o Hydrophile Caractéristiques o Capable de fixer par complémentarité stérique une molécule extracellulaire et la transférer de façon spécifique à l’intérieur de la cellule. Université 10 sur 16 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la Santé Bobigny compartimentation B. Transport passif 2. Diffusion passive facilitée Aquaporines ♦ Capable de transporter de façon sélective de l’eau et uniquement des molécules d’eau d’une face à l’autre de la membrane plasmique. ♦ L’eau passe librement à travers, alors que les ions et les autres molécules ne peuvent pas. ♦ Ces canaux ont été découverts dans les années 80 par un biologiste américain Petter Agre qui a obtenu un prix Nobel de chimie en 2003. ♦ Ces aquaporines sont capables de transporter un nombre considérable de molécules d’eau (3 milliards de molécules d’eau par seconde). ♦ Il existe plus de 500 différentes aquaporines dans le monde animal, végétal et 13 de ces aquaporines chez l’homme. ♦ Ce sont des protéines qui font 250-300 acides aminés et 25-35 kDa. ♦ Elles sont constituées de fragments de protéines en hélice alpha qui vont s’insérer dans la bicouche lipidique de la membrane. ♦ Ces hélices sont reliées par des boucles d’acide aminé, dont 3 AA sont particulièrement importants : o Asparagine (N) o Proline (P) o Alanine (A) ♦ Ces 3 AA se trouvent au milieu des boucles. Transporteur du glucose ♦ Chez les mammifères actuellement on a mis en évidence 5 transporteurs de glucose différents selon le type cellulaire (GLUT1.GLUT2….). ♦ Il possède une certaine conformation. ♦ Il va fixer une molécule de glucose et avoir une modification conformationnelle qui va lui permettre de « se retourner » et libérer la molécule de glucose. Principe Université 11 sur 16 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la Santé Bobigny compartimentation B. Transport passif 2. Diffusion passive facilitée Canaux ionique ♦ Constitués par des protéines transmembranaires (en général des protéines à passage multiple) qui transportent des ions de façon spécifique et sélective. ♦ Ces protéines transmembranaires forment des pores, des canaux hydrophiles dont l’ouverture et la fermeture du côté extra cellulaire dépend de groupements protéiques qui agissent comme « une porte ». ♦ Les ions ne peuvent franchir ces canaux que s’ils sont séparés des molécules d’eau qui les accompagnent (ne laissent passer que les ions donc et pas les molécules d’eau). ♦ Canaux ionique voltage dépendant : l’ouverture du canal dépend du potentiel membranaire. ♦ Canaux ionique ligand dépendant : l’ouverture du canal dépend de la fixation d’un ligand. Ils sont présents dans toutes les cellules, notamment à la surface des neurones. ♦ Canaux Ioniques dépendants de nucléotides cycliques Types ♦ Tous ces canaux ne nécessitent pas d’énergie mais sont en nombre limité dans les membranes et donc certains de ces transports sont dit SATURABLES. ♦ A un moment donné, quand ils vont tous être occupés à transporter, on ne pourra plus avoir de mécanisme de transport ♦ Quand on a un phénomène de diffusion passive ; plus la concentration augmente ; plus les molécules entrent. ♦ Dans le cas de diffusion passive facilitée ; la pente est plus « raide » ce qui montre que ce sont des mécanismes de transport plus efficaces (=ça va plus vite) mais à un moment la courbe rencontre un plateau qui est dû à la saturabilité de ces transporteurs. Université 12 sur 16 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la Santé Bobigny compartimentation III. Les transports transmembranaires C. Transport actif ♦ Transport qui consomme de l’énergie pour fonctionner. ♦ Leur particularité est qu’ils peuvent transporter des molécules contre leur gradient de concentration ou gradient électrique. ♦ Pour cela, ils vont dépenser de l’énergie ; le plus souvent provenant de l’hydrolyse de l’ATP. ♦ L’hydrolyse de l’ATP en ADP va permettre de libérer de l’énergie utilisée par ces mécanismes de transports. ♦ Les transports actifs nécessitent aussi l’existence de transporteurs et perméases ACTIFS. ♦ Certains de ces transports peuvent être couplés à des transporteurs passifs : on parle de phénomènes de cotransport. ♦ C’est une protéine constituée de 4 sous unités = tétramères. ♦ Ce tétramère est constitué de 2 sous unités alpha et 2 sous unités beta. ♦ Cette pompe a un poids moléculaire d’environ 270 kDa : o Sous unité alpha : 95 kDa (grosse sous unité) o Sous unité beta : 40 kDa ♦ La sous unité alpha possède le site de fixation situé sur la face intracellulaire et donc la capacité d’hydrolyser l’ATP. ♦ Il existe aussi un site de fixation pour des substances stéroïdes de type cardiotonique sur la face extracellulaire. Pompe Na+/K+ ATPase Université 13 sur 16 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la Santé Bobigny compartimentation C. Transport actif Pompe Na+/K+ ATPase (suite) ♦ La pompe va faire sortir 3 Na+ de la cellule pour faire entrer 2 K+. ♦ L’hydrolyse de l’ATP provoque la libération d’un phosphate ; ce phosphate va pouvoir phosphoryler une enzyme. ♦ Cette hydrolyse nécessite la présence d’ion magnésium. ♦ Na+ = ion sodium et K+ = ion potassium 1. Phosphorylation de l’enzyme grâce à l’hydrolyse de l’ATP et se fait en présence de 3 Na+. 2. Fixation des 3 Na+ sur un site qui est le récepteur localisé sur la face intracytoplasmique de la molécule. 3. Modification la conformation tridimensionnelle de l’enzyme de manière à conduire les 3 Na+ vers la face externe. Mode d’action 4. Phénomène de déphosphorylation de l’enzyme qui s’accompagne de la libération d’ions Na+ à l’extérieur de la cellule et la fixation de 2 K+. 5. La molécule de Na+ /K+ ATPase va reprendre sa conformation initiale et libérer les ions K+ dans le cytosol. 6. La pompe Na+/K+ ATPase est de nouveau prête à fonctionner. Cette pompe fonctionne en permanence en faisant rentrer du K+ et sortir du Na+. Ces transporteurs ont pour fonction d’assurer l’HOMEOSTASIE des ions dans la cellule. Il existe aussi des protons ATPase ou des Calcium ATPase, ils participent de la même façon au maintien en ions de la cellule par rapport au milieu extérieur et au plasma. Ces transporteurs vont créer un POTENTIEL ÉLECTRIQUE entre la face interne et externe de la membrane plasmique. Cela qui explique la raison pour laquelle on a une polarité négative à l’intérieur de la membrane (face cytosolique) et positive à l’extérieur de la membrane (face extra-cellulaire). Ce phénomène créer un GRADIENT ÉLECTRIQUE entre l’intérieur et l’extérieur ; permet donc le fonctionnement d’un certain nombre de canaux de type voltage dépendant. Université 14 sur 16 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la Santé Bobigny compartimentation III. Les transports transmembranaires D. Cotransport ♦ Sont formés de l’association de transport actif avec transport passif ♦ Ce sont des systèmes de transport soit symport, soit antiport ♦ Couplent les transports actifs et passifs dans le même sens ♦ A pour force motrice le flux d’ion qui suit un gradient électrochimique. ♦ Par l’action de la Na+/K+ ATPase : on fait sortir du Na+, on aura plus de Na+ à l’extérieur qu’à l’intérieur. Symport ♦ Donc naturellement le Na+ va vouloir entrer dans la cellule. ♦ Exemple : cotransport Na+/glucose : le sodium en entrant va emporter avec lui, le glucose permet donc l’entrée de glucose grâce à l’entrée simultanée du sodium. ♦ Transporte les substances simultanément dans des sens opposés. ♦ Exemple : des échangeur H+/Na+ : il régule le pH à l’intérieur des cellules grâce à l’entrée de H+ dans la cellule ; là encore, le sodium qui a Antiport tendance à vouloir entrer à l’intérieur de la cellule ; en entrant il permet la sortie du H+. Université 15 sur 16 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 08 - Les problèmes liés à la Santé Bobigny compartimentation Université 16 sur 16 Sorbonne Paris Nord  UE BIOLOGIE – SOCLE COMMUN Biologie cellulaire 07 – SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE 1/2 Points clés ❖ L’organisation générale du RE et de l’appareil de golgi ❖ L’organisation générale des lysosomes, leurs origines et leurs caractéristiques (en particulier membranaires) ❖ Les différents mécanismes d’endocytose (et leurs exemples) ❖ Le cas particulier de la clathrine ❖ Les deux voies de l’exocytose ❖ Le système endosomal Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 PLAN DU COURS I. Introduction II. Organisation du système endomembranaire A. Réticulum endoplasmique B. Appareil de Golgi C. Lysosomes D. Fractionnement subcellulaire III. Les transports cytotiques A. Généralités B. Endocytose C. Exocytose Université 2 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 I. Introduction Dans ce cours sur le système endomembranaire vont être abordés : L’organisation de ce réseau de membrane Les mécanismes qui permettent de faire entrer certaines substances, (endocytose), et ou de faire sortir de la cellule les substances qu’elle fabrique (exocytose). ¨ Le phénomène de compartimentation est une particularité des cellules eucaryotes. o Pas de compartimentation cellulaire dans les cellules procaryotes o Particularité a été acquise au cours de l’évolution. ¨ Elle permet de construire une enveloppe autour du matériel génétique et de former un réseau de membranes à l’intérieur de la cellule. ¨ Les réseaux de membranes constituent les compartiments Rôle et définition membranaires. ¨ Ces compartiments membranaires sont extrêmement importants pour ces cellules car ils vont permettre à des réactions incompatibles d’avoir lieu simultanément dans la cellule. ¨ La compartimentation fait en sorte que ces compartiments soient indépendants les uns des autres d’un point de vue fonctionnel. ¨ Chez les eucaryotes, le cytosol représente un peu plus de 50% du volume cellulaire et c’est là qu’il y a une partie importante des réactions du métabolisme. Il contient une grande variété d’organites, de vésicules intracytoplasmiques qui sont entourées de membrane. Université 3 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 I. Introduction (suite) ¨ On distingue deux grandes voies : o La voie Exportatrice et la voie Importatrice : o Voie « exportatrice »: phénomènes de synthèse et de sécrétion puis, à la suite, des phénomènes d’exocytose. Ces opérations sont assurées par le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi et ses dérivés,notamment les vésicules de sécrétion. Rôle et définitions o Voies « importatrices » ou « lytiques » : mécanismes de (suite) digestion intracellulaire qui sont assurés notamment les lysosomes. Vont également intervenir dans ces mécanismes le RE et l’appareil de Golgi pour la synthèse des enzymes à pH acidepermettant la dégradation. ¨ Le métabolisme cellulaire comporte deux volets : o Anabolisme: l’élaboration de molécules complexes (synthèse). o Catabolisme: dégradation (notamment de substances ingérées voire produites). Université 4 sur 20 Sorbonne Paris Nord  Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 II. ORGANISATION DU SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE A. RETICULUM ENDOPLASMIQUE ♦ Organite prépondérant, il représente : o 10% du volume cellulaire Généralités o 50% des membranes d’une cellule. ♦ Deux formes fonctionnelles: RE lisse et le RE rugueux (ou granuleux) ♦ Porte des ribosomes sur sa face hyaloplasmique, (=sa face cytosolique). ♦ En continuité avec l’enveloppe nucléaire (aussi parsemée de ribosomes). RER/REG ♦ Fonctions : (Rugueux/ o Synthèse des protéines. Granuleux) o Accrochage des sucres sur les protéines pour la fabrication de glycoprotéines. ♦ Particularité : Pas de ribosomes sur sa surface. REL (Lisse) ou ♦ Peut être en continuité avec le REG, mais pas systématiquement. SER(Smooth ♦ Fonctions : o Synthèse des lipides et des stéroïdes. Endoplasmi o Neutralisation de molécules toxiques par désintoxication Reticulum) (médicaments, drogues). o Siège du métabolisme des lipides ♦ Morphologie variable selon la fonction de la cellule ♦ Pour un même type cellulaire, l’aspect diffère en fonction de l’activité métabolique de la cellule. ♦ On peut schématiser la structure du RE, selon le type cellulaire : Morphologie o Sous forme de fins tubules très contournés, fréquemment dans les cellules où le REL est abondant : cellules musculaires ou cellules à très fort métabolisme lipidique comme celles qui synthétisent les variable hormones stéroïdes (précurseur = cholestérol) o Sous forme de sacs aplatis qui forment des nappes parallèles, fréquemment dans les cellules où le REG est abondant : cellules qui élaborent de grandes quantité de protéines. o Plus rarement sous forme de vésicules globulaires ♦ Le RE, lisse ou rugueux, est l’organite prépondérant des cellules eucaryotes. En effet, ses membranes : o comptent pour la moitié des membranes cellulaires o délimitent des espaces qui représentent jusqu’à 10% du volume d’une cellule. Université 5 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 II. ORGANISATION DU SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE B. APPAREIL DE GOLGI ¨ L’appareil de Golgi a une morphologie variable, et est constitué de dictyosomes. Chaque dictyosome correspond à un empilement de saccules aplatis (4 à 8 saccules) formants des disques avec des extrémités en ampoules élargies par lesquelles se forment des vésicules par bourgeonnement. ¨ Dans les cellules animales : o Réseau de dictyosomes, saccules associés pour former un réseau. ¨ Dans les cellules végétales : o Dictyosomes isolés ¨ Extrêmement important et généralement très abondant dans les cellules sécrétrices dont les produits de sécrétions sont riches en polysaccharides. o Exemple : cellules mucigènes de l’intestin dont les produits sécrétés sont un rôle de protection des cellules de l’intestin Présentation lors du passage mécanique du bol alimentaire. ¨ La formation des saccules Golgiens réside dans la confluence de vésicules provenant du RE (notamment du REG) et alors indirectement Organisation de l’enveloppe nucléaire. Université 6 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 II. ORGANISATION DU SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE B. APPAREIL DE GOLGI (SUITE) ¨ Compartiment Cis, phase de formation, o Issu de la fusion des vésicules en provenance (notamment) du REG, il Les est tourné vers celui-ci et établit des relations avec ce derniernotamment différents par l’intermédiaire de vésicules de transition. o Pas de déplacement unidirectionnel entre le REG et l’appareil de compartimen Golgi. ts ¨ Compartiment Médian, o Saccules régulièrement empilés avec des ampoules élargies aux extrémités. o Nombre de saccules dépend du type cellulaire (5 en moyenne) ¨ Compartiment Trans, phase de maturation, o Prolongé par de très nombreuses vésicules, certaines pourront être recouvertes de protéines de manteau, à coatomères (COP) ou à clathrine. ¨ Réseau trans-golgien (=RTG) o Assure le tri et l’adressage des molécules élaborées vers leur destination finale Tous ces éléments ne sont pas toujours identifiables à l’observation de la cellule Principale ¨ Modification et tri des protéines. fonction de l’AG Université 7 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 II. ORGANISATION DU SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE C. LYSOSOMES ¨ Organite très hétérogène du point de vue morphologique etfonctionnel ¨ Taille : 0.05 μm à 0.5 μm, variable selon l’activité de dégradation de la cellule. ¨ Espace clos en forme de sac sphérique entouré d’une membrane dans lequel s’effectue la digestion de la plupart des Caractéristiques macromolécules des cellules animales. ¨ Contiennent des hydrolases dites acides (A sur l’image), provenant du RE et du Golgi, qui ont un pH optimal pour fonctionner entre 4 et 5 qui est celui maintenu dans le lysosome grâce à des pompes H+/ATPase. ¨ Leur contenu enzymatique est très varié peut tuer la cellule, d’où une membrane hermétique retenant le contenu du lysosome. ¨ Dans la cellule végétale il n’y a pas de lysosome mais une/des vacuoles qui assurent plusieurs fonctions dont celles du lysosome des cellules animales. o Plusieurs petites vacuoles dans les cellules en croissance (cellules méristématiques (B sur l’image)) et une vacuole unique dans les cellules différenciées. ¨ Mise en évidence (du lysosome) en 1955 par Christian de Duve (prix Nobel 1974 en compagnie de George Emil Palade) Université 8 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 II. ORGANISATION DU SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE C. LYSOSOMES (SUITE) ¨ Élément important car si fuite, peut mettre en jeu l’intégrité cellulaire. o Fonctions : o Maintenir le système clos o Permettre le passage des ions H+ du cytosol vers l’intérieur du lysosome (pompe H+/ATPase) o Permettre la sortie vers le cytosol des produits résultant de la digestion, comme les acides aminés en cas de digestion de protéines. Sortie via un système de perméases/porines Propriétés de o Protégée de sa propre digestion, c’est-à-dire des enzymes qu’elle la retient par un revêtement membranaire composé de membrane glycoprotéines LAMP (Lysosome-associated membrane glycoprotein) : - au moins 2 types existent : LAMP 1 et LAMP 2 - ont un grand domaine luminal, une portion transmembranaire, une courte queue cytoplasmique. - leur richesse en carbohydrates qui leur confère leur capacité de protection. Université 9 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 II. ORGANISATION DU SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE C. LYSOSOMES (SUITE) 3 différents types de lysosomes ¨ Fusion des vésicules chargées d’hydrolases acides avec des vésicules de phagocytose, phagosomes. ¨ Vont recevoir par l’intermédiaire de vésicules de phagocytose PHAGOLYSOSOME des microorganismes ou de larges particules indésirables destinées à être détruites par les cellules. ¨ Nombreux dans les cellules phagocytaires comme les macrophages ou les globules blancs (défense de l’organisme). ¨ Vont recevoir du matériel à dégrader provenant des endosomes. Les éléments provenant du milieu extracellulaire sont internalisés par la pinocytose ou l’endocytose. ¨ Les lysosomes sont très difficiles à isoler car il est difficile LYSOSOME de les différencier. ¨ On peut utiliser des marqueurs enzymatiques spécifiques de chacun des compartiments qui facilitent leur reconnaissance. ¨ Fusion des vésicules chargées d’hydrolases avec des autophagosomes. ¨ Les autophagosomes se forment autour de débris ou de AUTOPHAGOLYSOSOM substances propres à la cellule dont elle doit se E débarrasser,comme une mitochondrie qui ne serait plus fonctionnelle. ¨ Ils utilisent un mécanisme d’autophagie. Université 10 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 II. ORGANISATION DU SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE D. FRACTIONNEMENT SUBCELLULAIRE Les compartiments du système endomembranaires sont difficiles à observer puisque difficiles à différencier. On peut néanmoins utiliser des marqueurs enzymatiques spécifique à chaque compartiment. La méthode du fractionnement sub-cellulaire peut servir à étudier la composition et la fonction de ces compartiments. Cela consiste à isoler par centrifugation différentielle les différents organites ou composants d’une cellule Principe À partir d’une fraction réticulaire, on centrifuge à très grande vitesse,100 000 tours/minute, un broyat de cellule. La force créée par la vitesse entraîne les composants cellulaires vers le fond du tube. Ils descendent au fond du tube en fonction d’un certain nombre de paramètres : o Taille o Forme o Densité Plus ils seront volumineux, plus la taille sera importante et plus la densité sera élevée, plus ils vont migrer profondément vers le tube. Les différentes particules vont alors se sédimenter en fonction de leur vitesse de sédimentation exprimée en Svedberg. Si on effectue cette expérience que sur du réticulum : o En bas du tube, REG (fraction lourde = microsome rugueux), réticulumdont les membranes sont alourdies par les ribosomes o Intermédiaire, agrégats golgien (fraction moyenne) o Tout en haut, REL et membrane plasmique (fraction légère =microsomes lisses) Université 11 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 III. LES TRANSPORTS CYTOTIQUES A. GÉNÉRALITÉS ♦ Modifications morphologiques visibles de la membrane. ♦ Intervention du cytosquelette. ♦ Transport énergie-dépendant. ♦ Les transports cytotiques, ou les -cytoses, sont un autre système de transport à l’intérieur de la cellule, aux côtés des perméases et autres systèmes de pompe précédemment abordés. ♦ Transport de molécules de haut poids moléculaire. -Dans le sens de l’entrée c’est l’endocytose. -Dans le sens de la sortie c’est l’exocytose. III. LES TRANSPORTS CYTOTIQUES B. ENDOCYTOSE ♦ Entrée de molécules de tailles diverses par mouvements de membrane. ♦ Perte de membrane, qui va être compensée par l’exocytose. ♦ Internalisation de molécules allant de quelques nm à quelques µm.. ♦ Transcytose : Vésicule se forme d’un côté de la membrane, transite Endocytose jusqu'à l’autre côté de la cellule, fusionne avec la membrane de l’autre côté de la cellule, et laisser s'échapper le matériel (ex : cellules endothéliales). L’endocytose est le mécanisme général, mais il va y avoir des spécificités : o Pinocytose à vésicule lisse, pinocytose à manteau de clathrine, potocytose, macropinocytose, phagocytose ♦ Vésicule lisse. ♦ Taille : 150 nm. ♦ Transport NON spécifique de m ac r om o l é c u l e s diverses, de petites tailles. ♦ Bourgeonnement, déformation et invagination de la membrane vers le Pinocytose cytoplasme. à o La vésicule reste ouverte un certain vésicule temps, et quand elle est lisse suffisamment remplie elle va se fermer, s’individualiser et être à l’origine du système endosomal. Ce mécanisme fait intervenir le cytosquelette. ♦ Formation d’une vésicule qui libère son contenu dans le cytosol puis rejoint le système endosomal. Université 12 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 III. LES TRANSPORTS CYTOTIQUES B. ENDOCYTOSE (SUITE) ¨ Vésicule à manteau de clathrine. ¨ Taille : 50-150 nm. ¨ Transport hautement spécifique de molécules d’un seul type fixées sur des récepteurs membranaires. ¨ Etapes : o Fixation de molécules spécifiques sur les récepteurs membranaires (R). o Les récepteurs se regroupent, puis fixation de molécules de β-adaptine sur ces récepteurs (côté cytosolique) et liaison de molécules de clathrines sur les adaptines : formation d’un puit qui entraîne l’invagination de la membrane. o Ceci est permis par les molécules de clathrines qui ont une structure telle qu’elles vont obliger la membrane à se déformer et à former une vésicule. o Fermeture et détachement de la vésicule par une GTPase, la dynamine. o Migration des vésicules grâce au cytosquelette (microtubules). o Perte du manteau de clathrine grâce à des protéines chaperonnes. Les molécules de clathrine retournent à lamembrane pour y être recyclées et former d’autres molécules d’endocytose Pinocytose o Les vésicules nues rejoignent le système endosomal pour former un à endosome précoce. manteau de clathrine ¨ Les molécules de clathrine : Sont des complexes protéiques de 180kDa constitués de 3 longues chaînes polypeptidiques et 3 chaînes courtes formant une structure appelée triskélion. Assemblage spontané en milieu aqueux qui va permettre la formation de la vésicule ¨ La clathrine s’assemble d’abord avec de l’adaptine: Formation d’un complexe ß-adaptine-clathrine qui forme une « corbeille » de 8 hexagones et 12 pentagones qui forcent la membrane à former une vésicule. ¨ La molécule d’adaptine sert donc d’intermédiaire entre la clathrine et la membrane plasmique, elles vont fixer l’enveloppe de clathrine sur la membrane grâce à des récepteurs membranaire. (Le prof a mis une vidéo montrant le processus de pinocytose à manteau de clathrine dans la vidéo 4 de la série compartiment membranaire.) Université 13 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 III. LES TRANSPORTS CYTOTIQUES B. ENDOCYTOSE (SUITE) Pinocytose à manteau de clathrine (suite) Exemple valable pour d’autres éléments : vecteurs de cholestérol, hormones peptidiques. Elles se fixent à la surface de récepteurs spécifiques présent, sur la membrane plasmique. Cas du cholestérol : Les molécules de cholestérols absorbées lors de la digestion vont s’associer sous forme de petits agrégats. Ces agrégats associent à la fois des phospholipides, du cholestérol et une protéine (= ligand spécifique capable d’être reconnu par les récepteurs du LDL). Ces molécules de cholestérol sont emballées dans les LDL. Exemple du Les LDL (Low Density Lipoprotein) sont des molécules lipidiques de petite LDL densité (elles contiennent différentes molécules lipidiques en proportion variable, dont le cholestérol. ¨ Fixation des LDL sur leurs récepteurs membranaires spécifiques. Et phénomènes de migration dans la membrane qui va permettre leur rassemblement dans des zones qui vont permettre leur endocytose. Elles migrent et vont se rassembler dans des zones où vont se formerdes puits recouverts de clathrine et d’adaptine. Puis mécanisme d’endocytose. ¨ Pincement de la vésicule par la dynamine permettant son internalisation. ¨ La vésicule se détache grâce à l’hydrolyse du GTP par les molécules de dynamine (qui ont la capacité de se resserrer pour former un sphincter qui va permettre la formationd’une vésicule). Formation d’un endosome précoce (=c’est une vésicule internalisée). Université 14 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 III. LES TRANSPORTS CYTOTIQUES B. ENDOCYTOSE (SUITE) Pinocytose à manteau de clathrine (suite) ♦ Déshabillement de la vésicule et recyclage du manteau de clathrine, grâce aux molécules chaperonnes de type HSP70 nécessitant de l’énergie fourni grâce à l’hydrolysede l’ATP. ♦ Les endosomes se chargent grâce aux pompes H+/ATPase qui sont sur la membrane. ♦ La diminution du pH permet le détachement des LDL de leur récepteur (l’endosome est alors dit tardif car plus tardif dans lasérie des endosomes). ♦ A partir de cet endosome, ces LDL (détachés de leurs récepteurs) sont ensuite transmis vers le compartiment lysosomal. ♦ A partir de cet endosome tardif, formation de bourgeonnements contenant les récepteurs libres surleur membrane. Une vésicule de recyclage des récepteurs est ainsi formée. Elle va rejoindre la membrane plasmique par un Exemple phénomène d’exocytose, et pourront être recyclés. du LDL (suite) Université 15 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 III. LES TRANSPORTS CYTOTIQUES B. ENDOCYTOSE (SUITE) ♦ Phénomène spécifique d’endocytose découvert récemment. ♦ La potocytose n’a lieu que dans les microdomaines spécialisés de la membrane, les radeaux (=régions riches en cholestérol, en sphingolipides et en gangliosides étroitement associés à des glycoprotéines ancrées par des ancres GPI). ♦ Dans ces radeaux, la membrane est recouverte par l’intérieur de cavéoline, qui est une protéine transmembranaire de 21 kDa, ce qui constitue un revêtement àl’intérieur de la cellule. ♦ La potocytose peut faire intervenir des récepteurs membranaires qui ne sont pas transmembranaires ♦ Etapes : 1. Ces récepteurs vont fixer leur ligand et une cavéole va bourgeonner contenant ligands et récepteurs. 2. La cavéole reste ouverte dans l’attente d’un remplissage suffisant. C’est Potocytose après être suffisamment remplie qu’elle se ferme et se détache (50-80 nm) Fermeture et détachement de la vésicule par une GTPase, la dynamine. 3. Acidification du contenu de la vésicule formée grâce à des pompes à protons, provoquant la rupture des liaisons entre le récepteur et le ligand. 4. Le contenu peut être libéré : o directement le cytosol pour être utilisé par d’autres régions o sans passer par le cytosol. C’est le cas de la transcytose. On retrouve ces cavéoles en grand nombre notamment dans les cellules endothéliales : o Les cavéoles se forment dans la membrane en regard avec le sang o Puis elles vont transiter sur toute la cellule pour se retrouver sur le pôle membranaire opposé dans lequel elles peuvent libérer leur contenu, c’est-à-dire sans passer par le cytosol. o directement dans l’appareil de Golgi. Une partie de son contenu peut alors être directement apportée au RE. 5. Les cavéoles vont ensuite se rediriger vers la membrane et vont remettre à jour ou libérer les récepteurs membranaires qui pourront potentiellement refixer des ligands. ♦ Exemple : les cavéoles interviennent dans l’internalisation de molécules de transduction de signaux comme la toxine du choléra qui va être endocyter dans l’appareil de Golgi puis dans le RE. Ensuite elle passera dans le cytosol. ♦ Contrairement aux vésicules de l’endocytose classique, notamment celles de la clathrine, les cavéoles ne fusionnent pas avec le système endosomal (ni avec les endosomes, ni avec les lysosomes) Université 16 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 III. LES TRANSPORTS CYTOTIQUES B. ENDOCYTOSE (SUITE) ¨ Formation de macro-pinosomes qui ne sont pas recouverts de clathrine.Ce sont des vésicules lisses Macro- ¨ Volumineux : jusqu’à 500 nm de diamètre voire plus en réponse pinocytose àcertainsfacteurs de croissance. ¨ Se forme sous certaines conditions comme la réponse à des facteurs decroissance ou à des agents carcinogènes. ♦ Mécanisme d’entrée dans la cellule permettant la création de phagosomes, cellules de très grande taille (visibles au MO) ♦ Absorption d’éléments entiers et de gros volume pathogènes ou non-pathogènes et digestion au seinde la cellule qu’on appelle phagocyte. ♦ Phagocytose effectuée par des cellules spécifiques: macrophages, granulocytes ou globules blancs ♦ Nécessite beaucoup d’énergie. Mécanisme : 1. Opsonisation : Quand un organisme est infecté par une bactérie parex, fixation d’opsonines (anticorps) sur la paroi bactérienne Phagocytose permettant l'adhérence à la cellule phagocytaire. 2. Chimiotactisme : Attirance entre la cellule phagocytaire et la bactérie. 3. Phagocytose : Contact entre la cellule phagocytaire et la bactérie puis formation de pseudopodes qui entourent la bactérie (mouvements de la membrane): formation d’un phagosome puis fusion avec des vésicules chargées d’hydrolases acides. 4. Digestion: Destruction des bactéries avec mort possible de la cellule phagocytaire ♦ L’ensemble de ces systèmes d’endocytose converge vers la formation du système endosomal. ♦ Un endosome est une vésicule internalisée, issue de l’endocytose, généralement en périphérie de la cellule. ♦ Il existe deux sortes d’endosomes. Précoces et tardifs. ♦ Les endosomes précoces servent de compartiment de tri, on les retrouve en périphérie de la cellule et les molécules endocytés sont soit recyclé vers la membrane plasmique, soit transférés vers la voie lysosomale Le pour y être dégradés. système ♦ Les endosomes tardifs correspondent à ceux dont les molécules doivent endo- y être dégradés, elles vont passer dans la voie lysosomale. Ces somal molécules sont transférées d’un endosome précoce à un endosome tardif qui est plus proche du noyau. Ceci se fait par l’intermédiaire de corps multi- vésiculaires (ils font aussi la navette entre les deux types d’endosomes). Cet endosome tardif donne naissance par bourgeonnement de sa membrane à des vésicules de transport des récepteurs jusqu’au réseau transgolgien. Université 17 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 III. LES TRANSPORTS CYTOTIQUES B. ENDOCYTOSE (SUITE) ♦ Ces récepteurs ont une étiquette particulière : ce sont des récepteurs au mannose-6-Phosphate ♦ Les lysosomes ne contiennent alors plus ces récepteurs. Il y règne un pH acide et les hydrolases venant de l’appareil de Golgi vont donc pouvoir fonctionner. ♦ Lors de la maturation des endosomes, acidification progressive de l’intérieur des vésicules par l’entrée progressive de pompes à protons : o Les vésicules bourgeonnantes ont un pH de 7 initialement. o En fusionnant, elles forment des endosomes précoces dont le pHdiminue progressivement à 6,0 – 6,2. o S’en suit une étape de maturation formant les endosomes tardifs avecun pH d’environ 5,5 jusqu’à un pH de 5 dans les lysosomes. ♦ L’acidification permet la dissociation récepteurs/ligands Autrement dit : ♦ L’arrivée d’hydrolases portant le mannose-6-Phosphate vers les endosomes tardifs permet la formation des lysosomes. Le ♦ Le pH acide permet le détachement des hydrolases portant le système mannose-6-Phosphate de leurs récepteurs. Et leur libération dans endoso- l’endosome tardif. mal ♦ Les récepteurs mannose-6-Phosphate via lesquels sont arrivées les (suite) hydrolases acides sont ensuite recyclés en retournant vers l’appareil de Golgi via des vésicules de recyclage. Université 18 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 LES TRANSPORTS CYTOTIQUES C. EXOCYTOSE Sortie de particules par mouvement de membrane. Gain de membrane. Présente chez TOUTES les cellules eucaryotes sauf les globules rouges. Les molécules excrétées peuvent être des substances produites par la cellule/déchets à éliminer. Les vésicules proviennent du réticulum endoplasmique, passent par l’appareil de Golgi et se dirigent vers la membrane plasmique pour fusionner et libérer leur contenu. Le déplacement des vésicules se fait le long du cytosquelette à l’aide de protéines motrices. 2 GRANDS TYPES D’EXOCYTOSE ♦ Vésicule : porte un manteau de coatomères : COP. ♦ Mécanisme permanent. ♦ Transport de molécules nécessaires au renouvellement Exocytose des constituants de la membrane plasmique et de la matrice constitutive extra-cellulaire. oucontinue ♦ Molécules comme les protéines membranaires produites dans le REou l’AG qui passent par le réseau trans-golgien, mais aussi d’autres substituants fabriqués dans la cellule. ♦ Vésicule : porte un manteau de clathrine. Exocytose ♦ Mécanisme NON permanent : des ligands spécifiques se fixent à induite, desrécepteurs membranaires après stimulation extérieure de la cellule. contrôlée, ♦ Transport de molécules destinées à la sécrétion (ex : hormones, discontinue ou facteurs de croissance, mucus et enzymes de cellules digestives), provoquée aux lysosomes (enzymes lysosomiales) ou aux phagosomes. ♦ Avant la fusion avec la membrane plasmique, les vésicules perdent leur manteau (de coatomères pour l’exocytose continue, de clathrine pour l’exocytose induite). Université 19 sur 20 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 1/2 Université 20 sur 20 Sorbonne Paris Nord  UE BIOLOGIE – SOCLE COMMUN Biologie cellulaire 07 – SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE 2/2 Points clés Biosynthèse des lipides, des triglycérides et du cholestérol Différents mécanismes du transport des protéines Maturation des protéines Voie lysosomale Lysosome : développement et pathologies Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 2/2 PLAN DU COURS I. Activités physiologiques A. Biosynthèse des lipides B. Biosynthèse des triglycérides C. Biosynthèse du cholestérol II. Biosynthèse, transfert et concentration des protéines A. Ségrégation des protéines B. Transport des protéines C. Maturation des protéines III. Transport des protéines dans le système endomembranaire IV. La voie lysosomale V. A retenir – points clés Université 3 sur 22 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 2/2 I. ACTIVITÉS PHYSIOLOGIQUES A. BIOSYNTHÈSE DES LIPIDES ♦ Il y a une synthèse intense dans le réticulum endoplasmique, et plus particulièrement dans les membranes du RE qui possèdent l’équipement enzymatique nécessaire pour les nombreuses réactions du métabolisme des lipides (rappel : il existe 3 types principaux de lipides qui composent les membranes des cellules eucaryotes : sphingolipides, phospholipides et le cholestérol). ♦ Les phospholipides sont 2 acides gras greffés à un groupe polaire (glycérol) et les glycolipides sont des acides gras greffés à une sérine et un sucre. Généralités ♦ La biosynthèse des phospholipides est importante, car elle assure le renouvellement des membranes, dont ils sont les principaux constituants. Celle-ci se fait grâce à une synthèse par élongation avec un site gras simple, à partir de précurseurs cytosoliques hydrosolubles (dérivésde l’Acetyl CoA) synthétisés dans les mitochondries et présents dans le cytosol. ♦ On distingue plusieurs étapes : 1) Les dérivés Acetyl coA s’ancrent dans la membrane 2) Transformés en un glycerol-3-phosphate, 3) On retire le CoA 4) On obtient un acide phosphatidique, 5) Perte du groupement phosphate de son CH2 6) Formation d’un diacylglycérol, on lui accroche un certain nombre de chaines variables, Etapes de de la donnant des phospholipides différents biosynthèse des ♦ Les phospholipides nouvellement synthétisés (néosynthétisés) sont phospholipides incorporés à la membrane,transférés d’un feuillet à l’autre grâce à des protéines flippases (= chaperon de bascule) ayant des vitessesde catalyse variables (selon la longueur du lipide). Le greffage d’éventuels sucres (comme le galactose ou l’acide sialique), sur les glycolipides se fera plus tard dans l’appareil de Golgi. Université 3 sur 22 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 2/2 I. ACTIVITÉS PHYSIOLOGIQUES B. BIOSYNTHÈSE DES TRIGLYCÉRIDES ♦ Ils sont constitués de 3 acides gras et d’1 glycérol pouvant aussi s’appeler les triacylglycérols. ♦ La synthèse se déroule dans le réticulum endoplasmique lisse (REL), à partir de précurseurs provenant la plupart du temps du bol alimentaire (acides gras + monoglycérides). Composition ♦ Production de triglycérides (dans les cellules adipocytaires, dans les des cellules intestinales maisaussi dans les hépatocytes). triglycérides o Adipocytes situés sous la peau, fonction de stockage des lipides où le REL estparticulièrement abondant. → On observe une estérification sur la dernière fonction alcool pour former un triglycéride. I. ACTIVITÉS PHYSIOLOGIQUES C. BIOSYNTHÈSE DU CHOLESTÉROL ♦ Il existe 2 sources/origines de cholestérol : 1) Apport alimentaire o Le cholestérol est transporté dans le sang grâce à des complexes méta moléculaires appelés lipoprotéines LP (repartis en 5 classes) qui vont associer le cholestérol estérifié avec des AG, des triglycérides, des phospholipides et des protéines, avec l'élément hydrophile dirigé vers l'extérieur de la membrane : 1) Synthèse endogène o Chez l’animal, elle s’effectue surtout au niveau des hépatocytes (cellules majoritaires dufoie qui constituent le parenchyme hépatique avec un important réseau de REL, très développé). Sources de o Le cholestérol est d’abord synthétisé dans le cytoplasme à cholestérol partir de l'hydroxyméthylglutaryl Co-enzyme A (HMG-CoA) puis passe par des intermédiaires tels que le mévalonate puis en farnésyl diphosphate afin d’être sous sa forme finale. o Le RE est engagé dans la synthèse des hormones stéroïdes (la mitochondrie également). → Ex: la testostérone dans les testicules dans les cellules de Leydig, la progestérone dans les ovaires du corps jaune, la cortisone dans les glande corticosurrénale, ces hormonessont fabriquées à partir du REL, grâce entre autre, au cholestérol. Université 4 sur 22 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 2/2 II. BIOSYNTHÈSE, TRANSFERT ET CONCENTRATION DES PROTÉINES A. SÉGRÉGATION DES PROTÉINES ♦ Celles synthétisées sur les polysomes libres : protéines cytosoliques et des protéines destinées à certains compartiments internes tels que les mitochondries, les peroxysomes ou le noyau. ♦ Celles synthétisées sur les polysomes liés au réticulum endoplasmique : protéines de sécrétion, celles qui seront exportées comme on va retrouver dans les vésicules sécrétoires lors de phénomènes d’exocytose 2 types de mais aussi les protéines intrinsèques de la membrane, qui seront protéines synthétisés sur les polysomes liés au RE en passant du REG vers les dictyosomes puis aller vers la membrane plasmique. Les protéines destinées aux compartiments internes tels que les lysosomes pour les cellules animales et vacuoles pour les cellules végétales sont elles aussi synthétisées sur les polysomes liés au réticulum. 1. On met les cellules en culture en présence d’un acide aminé radioactif, la leucine tritiée. 2. La leucine radioactive va être utilisée lors de la synthèse protéique et va donc être incorporée,ces protéines seront donc radioactives, ce qui permet de les détecter. 3. On rince afin d’éliminer toute la leucine radioactive non utilisée par la synthèse protéique. 4. Oneffectue un fractionnement subcellulaire, onobtient des fractions de microsome rugueuxradioactives. 5. On sépare ces fractions en 2 lots de microsomes rugueux et on ajoute dans un 1er lot des protéinases (=enzymes détruisant les protéines) et après un temps d’incubation on observe que les polypeptides néosynthétisés sont intacts ce qui veut dire qu’ils n’ont pas été Expérience attaquéspar la protéinase et sont donc protégés par la membrane des montrant la microsomes. Concernant le 2 èmelot on ajoute une protéinase après localisation des traitement avec un détergent (qui solubilise les membranes), les protéines après protéinases accèdent aux protéines et les détruisent ainsi on observe leur synthèse des polypeptides néo-synthétisés qui ont été dégradés.  Conclusion de l’expérience : Les polypeptides néo-synthétisés sont donc bien à l’intérieur de la membrane. Les peptides destinés à être sécrétés sont localisés à l’intérieur de la lumière du reticulum endosplasmique rugueux, au moins en partie. Université 5 sur 22 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 2/2 II. BIOSYNTHÈSE, TRANSFERT ET CONCENTRATION DES PROTÉINES B. TRANSPORT DES PROTÉINES ♦ Présence d’une séquence signal à l’intérieur du polypeptide qui va déterminer la synthèse sur le RER des protéines destinées à être incorporées dans les cavités du RER. ♦ Des ribosomes libres (cytosol) vont se fixer sur l’ARNm au niveau d’une séquence de 3 nucléotides appelés codons AUG. Cette action est permise par la présence d’une séquence signal, de 16 à 30 acides aminés de nature hydrophobes, placés en général en N-ter de la chaîne. 1) La séquence signal est reconnue par une macromolécule : SRP (ribonucléoprotéine : RNP), particule cytosolique, avec 6 polypeptides différents, un ARN d’environ 300 nucléotides, elle s’attache à la fois au ribosome et au peptide signal. 2) La SRP s’introduit dans le site A du ribosome (arrêt temporaire de la traduction, car elle va empêcher la fixation de l’ARNt, jusqu’à ce que la grande sous unité soit fixée sur le RE), par une liaison GTP dépendante. Cela empêche la fixation de l’ARNt correspondant au codon. Sans cet arrêt, la protéine finirait sa synthèse dans le cytoplasme et à cause de problèmes de repliement, elle ne pourrait plus entrer dans la lumière du réticulum. Protéines entrant dans 3) La SRP, toujours liée au ribosome, va aller jusqu’à son récepteur le REG pour y spécifique situé sur la membrane du REG pour s’y fixer. Elle conduit poursuivre leur ainsi le polysome jusqu’à la membrane du REG. synthèse 4) La fixation de SRP avec son récepteur permet l’ouverture d’un pore aqueux : le translocon. Pore aqueux situé sous la grande sous-unité du ribosome permet à la protéine de passer, et sa séquence-signal s’attache à la paroi du canal. Le polypeptide est synthétisé dans son intégralité par la lecture de l’ARNm. La séquence signal se lie au canal aménagé dans la membrane, et dès que le ribosome est fixé sur la membrane du RE, la SRP se sépare de la séquence signal mais aussi du site A. Cela autorise le début de la translocation, l’entrée de la protéine en cours de synthèse dans la lumière du réticulum et donc la reprise de la traduction. Cette étape nécessite l’hydrolyse de GTP. 5) Dès lors que le ribosome est fixé sur la membrane du RE la SRP se détache du ribosome (hydrolyse du GTP par l’intermédiaire d’une protéine G) permettant la reprise de la traduction et donc la synthèse du polypeptide dans son intégralité, dans la lumière du REG (=translocation c’est à dire l’entrée de la protéine en cours de synthèse dans le RE) Université 6 sur 22 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 2/2 II. BIOSYNTHÈSE, TRANSFERT ET CONCENTRATION DES PROTÉINES B. TRANSPORT DES PROTÉINES (suite) 6) Une fois la protéine synthétisée, la séquence-signal est éliminée par une enzyme, une signal-peptidase (SPase) ou clippase, contenue dans la membrane du REG, avec libération du peptide. → Au final, la séquence signal est une séquence transitoire. Protéines entrant dansle REG pour y poursuivre leur synthèse (suite) Parmi ces protéines, il en existe soit à traversée simple soit à traversée multiple, c’est-à-dire qu’ils ont plusieurs passages dans la membrane. Dans le polypeptide, il y a des séquences topogéniques (hélicoïdales de20 à 25 acides aminés hydrophobes) avec 2 types de régions : séquence signal de départ et séquence signal d’arrêt, selon leur place dans le polypeptide, cela aboutit à des intégrations (= ancrage) de protéines différentes dansla membrane La protéine doit aussi avoir des séquences de terminaisonde transfert qui se fixent dans la membrane. Cas des protéines transmembranaire, ♦ Formation d’un domaine transmembranaire, porteur d’une extrémité destinées à rester Cter dans le cytosol et Nter dans la lumière du RE. Quand cette dans la membrane séquence signal est interne, il est aussi reconnu par la SRP, le ribosome plasmique s’accole à son récepteur sur le RE et synthétise la protéine. Mais dans ce cas, il ne joue pas le rôle de terminaison de transfert : il est le signal d’initiation de transfert qui se lie à la protéine en cours de translocation. o Si les acides aminés chargés positivement sont surtout avant le signal d’initiation alors l’extrémité N-ter sera dans le cytosol et C- ter dans la lumière du réticulum. Si les acides aminés positifs sont surtout localisés après le signal d’initiation alors l’extrémité C-ter sera dans le cytosol et l’extrémité N- ter dans la lumière du réticulum. Université 7 sur 22 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 2/2 II. BIOSYNTHÈSE, TRANSFERT ET CONCENTRATION DES PROTÉINES B. TRANSPORT DES PROTÉINES (SUITE) Différents types ♦ En fonction de la position et du nombre des séquences d’initiation et de de protéines terminaison on obtient différents types de protéines transmembranaires. membranaires O Par exemple, une type 1 avec extrémité C-ter cytosolique et N-ter dans la lumière. ♦ Il existe aussi des protéines polytopiques avec plusieurs séquences d’initiation donc plusieurs domaines membranaires qui forment des boucles. Ce sont des protéines qui contiennent plusieurs séquences signal, qui jouent le rôle d’initiation et d’arrêt de transfert. Alternativement, selon leur position, elles auront un rôle d’initiation de transfert ou d’arrêt de transfert. o La 1ère séquence d’initiation initie le premier passage transmembranaire o La 2ème séquence initie un deuxième passage transmembranaire dans l’autre sens et forme une boucle côté cytosol o Ensuite, une 3ème séquence initie un autre passage transmembranaire afin de former une boucle cette fois-ci dans la lumière. Mise en évidence du transport des protéines par techniques biochimiques Université 8 sur 22 Sorbonne Paris Nord Biologie cellulaire Tutorat 07 - Système Santé Bobigny endomembranaire 2/2 II. BIOSYNTHÈSE, TRANSFERT ET CONCENTRATION DES PROTÉINES B. TRANSPORT DES PROTÉINES (SUITE) Mise en évidence du transport des protéines par techniques biochimiques (suite) Mise en culture de cellules du pancréas en présence de leucine tritiée. ♦ Lors de la synthèse de protéines la leucine tritiée sera incorporée dans la protéine synthétisée, celle-ci est donc marquée radioactivement. ♦ Les échantillons sont fractionnés à échelle subcellulaire, on obtient 4 fractions (unefraction microsome rugueux, une fraction microsome lisse, une fraction des grains de sécrétion et la dernière qui sera le surnageant) dont on mesure la radioactivité. C’est le pulse = période d’incubation avec l’acide aminé radioactif. On mesure la radioactivité avec un compteur à scintillations ; ♦ On les incube ensuite avec des acides aminés non marqués pendant un temps variable (= temps de chasse), et on mesure l’évolution de la radioactivité. ♦ On reporte ensuite les valeurs de nos mesures de la réactivité sur un graphique, c’est ce qu’on observe avec les 4 courbes ci-dessus (Page 7) Explication : ♦ La radioactivité initiale est élevée dans les microsomes rugueux, puis diminue. Expérience 1 : ♦ La radioactivité initiale est basse dans les microsomes lisses, puis elle Mesure de augmente. radioactivité ♦ Il existe donc un transfert de la radioactivité des microsomes rugueux aux dans des tubes microsomeslisses au départ, c’est le transport de la protéine du RER (rugueux) au Golgi (lisse). ♦ La radioactivité des microsomes lisses diminue ensuite. ♦ La radioactivité des grains de sécrétion ne fait qu’augmenter. ♦ Cela veut-dire que les protéines sont acheminées des microsomes lisses jusqu’auxgrains de sécrétion où elles sont stockées. C’est le terminus des protéines, là où la radioactivité va s’accumuler. ♦ La radioactivité du surnageant reste constante à un niveau de base. Le surnageant représentant le contenu du cytosol, cela veut dire que les protéines qui sont synthétisés nevont jamais dans le cytosol. En effet, elles se déplacent à l’intérieur du système endomembranaire, et non du cytosol. La quantité déjà présente représente la synthèse debase des protéines cytosoliques. Conclusion : Après leur synthèse dans le RE, les protéines passent d’abord dans l’appareil de Golgi, sont stockées dans les grains de sécrétions depuis lesquels elles pourront être secrétées.