Biologie Cellulaire - Chapitre 1 et 2 PDF

Membrane plasmique, matrice extracellulaire et interrelations structurales entre cellules, ou entre cellule et matrice  La cohésion des tissus, une fonction assurée par une coopération entre jonctions, matrice et cytosquelette Un tissu correspond à un ensemble de cellules s...

Membrane plasmique, matrice extracellulaire et interrelations structurales entre cellules, ou entre cellule et matrice  La cohésion des tissus, une fonction assurée par une coopération entre jonctions, matrice et cytosquelette Un tissu correspond à un ensemble de cellules semblables, ayant même organisation et même fonctionnement. La cohésion des tissus suppose des liens mécaniques entre cellules en même temps que la forme des cellules est assurée. On devine alors une coopération fonctionnelle entre : Des jonctions intercellulaires : complexes protéiques impliquant des protéines transmembranaires et permettant d’associer deux cellules entre elles. On y inclut souvent, par extension, les jonctions cellule-matrice qui assurent l’ancrage de la membrane plasmique sur la matrice extracellulaire. Les jonctions sont plutôt spécifiques* des cellules animales. Le cytosquelette : ensemble de protéines fibreuses constituant une armature conférant sa forme aux cellules (surtout cellules animales) et impliqué dans les processus de motilité cellulaire. La matrice extracellulaire : gel hydraté situé autour des cellules de nombreux tissus et composé notamment de polymères glucidiques et de protéines. Dans les cellules végétales, la paroi assure en outre à la fois le maintien de la forme cellulaire (rôle squelettique) et la cohésion tissulaire. A. Les jonctions intercellulaires et les jonctions cellule-matrice Une cellule est liée aux cellules voisines par différents types de jonctions Les jonctions ne sont pas obligatoirement présentes au niveau de tous les types cellulaires Les jonctions cellule-cellule et les jonctions cellule-matrice Définition Les jonctions cellulaires sont des régions spécialisées de la membrane plasmique qui, en fonction de leur structure, assurent soit l’adhérence des cellules, soit l’étanchéité de l’espace intercellulaire, soit l’ancrage des cellules à la MEC, soit la communication d’information entre les cellules. Intérêt Les jonctions cellulaires sont des structures qui permettent l’attachement des cellules entre- elles et à la MEC => assurent la cohésion mécanique et la communication intercellulaire Les jonctions permettent de former des tissus et leur donnent une fonction. Des perturbations dans leur fonction est la cause de plusieurs pathologies  1. Des jonctions cellule-cellule Classification des jonctions intercellulaires: Les jonctions intercellulaires diffèrent en fonction de leur forme, de leur fonction et de la largeur de l’espace intercellulaire En fonction de leur forme, on parle de : Macula : c’est une jonction qui se trouve sur la surface de la cellule. Elle est soit circulaire ou ovalaire. Fascia: c’est une grande tâche à contour irrégulier Zonula: c’est une bandelette entourant essentiellement la partie apicale de la cellule des épithéliums prismatiques simples (épithélium intestinal). Selon leur fonction, elles sont de type: Occludens: si elles obturent l’espace intercellulaires. Adherens: si elles interviennent surtout dans la cohésion. Communicans: si elles permettent des communications d’une cellule à l’autre. En fonction de la largeur de l’espace intercellulaire. Il existe 3 types de jonctions: a. Les jonctions étanches ou jonctions serrées b. Les jonctions communicantes c. Les jonctions d’ancrage ou jonctions intermédiaires  a. Les jonctions étanches ou jonctions serrées Les jonctions serrées (tight junctions, zonula occludens) ou jonctions étanches sont spécifiques des épithéliums Ces jonctions sont assurées par des protéines transmembranaires appelées les claudines et occludines Ce sont des complexes protéiques formés de claudines et d’occludines qui ne laissent passer presque aucune substance, (ou en très faible quantité), formant une barrière à l’échange de solutés. Jonctions serrées D’après BREUIL (2007). Fonctions des jonctions étanches: Les jonctions étanches sont des jonctions intercellulaires situées à la partie apicale des faces latérales des membranes cytoplasmiques des cellules épithéliales. Les jonctions étanches éliminent entre les deux cellules liées tout espace intercellulaire  Les jonction permettent de définir un milieu extérieur à l’organisme et un milieu intérieur – Aucun passage de molécules entre les deux milieux; régule ainsi le passage d’ions, d’eau et de diverses macromolécules – La fluidité membranaire est impossible au niveau de des jonctions étanche: interdissent entièrement la diffusion latérale des protéines – Maintient la polarité cellulaire, en prévenant le mélange des molécules de la face apicale de la membrane cellulaire et celles de la face latérale. Les jonctions serrées et la séparation des milieux  b. Les jonctions communicantes Les jonctions lacunaires (= jonctions communicantes) ou gap junctions Ces jonctions sont réalisées par des protéines transmembranaires appelées connexines 6 connexines s’associent pour former un canal transmembranaire Le connexon sont des ensembles de canaux eux-mêmes constitués de deux connexons (un dans chaque membrane), chaque connexon comprenant six connexines Les tunnels ont un diamètre d’environ 1,5 nm, ce qui permet une continuité entre les cytosols des cellules ainsi reliées et le passage d’ions ou de petites molécules organiques. Les connexons peuvent aussi s’ouvrir ou se fermer par changement de conformation. Jonctions gap D’après BREUIL (2007) et PEYCRU et al. (2010a). Schéma des jonctions communicantes  Les jonctions communicantes permettent la diffusion de molécules de petites tailles (moins de 1.5 kDa) entre les deux cytoplasmes La communication intercellulaire des jonctions gap permet une synchronisation cellulaire de la réponse à une variété de signaux intercellulaires en régulant la passage direct de petites molécules (et d’ions entre les cytoplasmes de cellules adjacentes Cette fonction participe au maintien de l’équilibre homéostatique et permet aux cellules et aux tissus de répondre à des stimuli externes.  c. Les jonctions d’ancrage Aussi appelé jonctions intermédiaires Ce type de jonction est établit par les cadhérines (protéines d’ancrage localisée à la surface de la cellule) qui sont reliées au cytosquelette (actine ou filaments intermédiaires) En fonction de l’interaction des cadhérines avec le cytosquelette on distingue 2 types de jonctions d’ancrage : Les ceintures d’adhérences (zonula adherens) sont des complexes protéiques qui permettent d’accrocher fermement des cellules entre elles par des cadhérines (jonctions d’ancrage) en étant reliés intérieurement à des microfilaments qui se répartissent de manière circulaire autour de la cellule, constituant une ceinture d’actine. Les desmosomes (macula adherens) sont des complexes protéiques qui permettent d’accrocher fermement des cellules entre elles par des cadhérines (jonctions d’ancrage) en étant reliés intérieurement à des filaments intermédiaires qui s’ancrent sur une plaque cytoplasmique (plaque d’ancrage). Ceintures d’adhérence D’après BREUIL (2007). Les fonctions des jonctions d’ancrage Ces jonctions jouent un rôle critique dans la génération et la maintenance des couches épithéliales (celles bordant les organes de surface) Elle conditionnent l’adhésion entre cellules, communiquent un signal entre cellules voisines et participent à l’ancrage du réseau cytosquelettique d’actine à la membrane plasmique. Elles régulent ainsi le comportement et la croissance cellulaire normale. Jonctions et liens avec le cytosquelette D’après SEGARRA et al. (2014) 2. Les jonctions cellule-matrice : les hémidesmosome Les hémidesmosomes sont des jonctions d’ancrage des cellules à la matrice extracellulaire constituées d’une plaque d’ancrage associée à des kératines côté cytosolique et à des intégrines transmembranaires qui s’associent aux fibres matricielles (des laminines ou des fibronectines). Hémidesmosomes. D’après PEYCRU et al. (2013). Les laminines ou fibronectines sont majoritairement associées aux intégrines (peu clair sur ce schéma). En outre, il y a aussi une plaque d’ancrage dans les hémidesmosomes. Structure générale des intégrines et organisation des points de contact focaux Les jonctions animales : bilan. D’après DAUTEL (2017) Structures d’adhérences des cellules animales. D’après SEGARRA et al. (2014).  L’ENVIRONNEMENT IMMÉDIAT DES CELLULES LES MATRICES EXTRACELLULAIRES Définition : La MEC est un gel hydraté situé autour des cellules de nombreux tissus et composé notamment de polymères glucidiques et de protéines. Composition des matrices extracellulaires D’après PEYCRU et al. (2013).  Du collagène: un assemblage par liaisons covalentes de tropocollagène: protéine fibrillaire composée de trois polypeptides enroulés chacun en hélice alpha et tressés en une superhélice  De l’élastine (parfois absente), une protéine comprenant des acides aminés hydrophobes capables de s’associer entre eux au hasard (par interactions hydrophobes – de faible énergie de liaison). Réseau d’élastine. D’après SEGARRA et al. (2014). Des glycosaminoglycanes (GAG) et protéoglycanes qui sont des molécules très hydrophiles formant un gel très hydraté résistant aux forces de compression. Des molécules d’adhérence aux cellules, notamment des fibronectines et des intégrines et peuvent former des jonctions cellules-matrices de type hémidesmosome. Matrice extracellulaire animale D’après CAMPBELL & REECE (2004). Les communications cellulaires  Les communications cellulaires La communication intercellulaire = caractéristiques des organismes pluricellulaires. Chaque cellule est intégrée dans un réseau de communication Sécrétion de signaux chimiques = ligand Agissent à +ou- grande distance sur des cellules cibles qui les réceptionnent et les traitent  Principes de la transmission cellulaire La cellule émettrice produit un signal (= un messager chimique) qui agit sur un récepteur de type membranaire, fixé sur une cellule réceptrice. Cette cellule produit une réponse cellulaire. (Pour cela, on a la mise en jeu d'une cascade de signalisation Schéma d'une voie de signalisation simple Il y a différentes molécules-signal: Chimique : – Gazeux (NO, CO) – Molécules hydrophobes, en général lipidiques (stéroïdes, vitamine D….) – Molécules hydrophiles, en général protéiques (hormone , insuline, NM, Ig, Cytokines, enzymes…) Lumineuse: Photons Electro chimique: Ions et leur charge électrique LES DIFFÉRENTS MODES DE COMMUNICATION CELLULAIRE ► Autocrine ► Paracrine ► Endocrine ► Synaptique Communication autocrine Messager qui agit sur la cellule même qui l'a produit. Communication paracrine Le signal est libéré dans la matrice extracellulaire Agit seulement sur les cellules voisines Communication endocrine Glande qui sécrète des hormones dans la circulation sanguine Action spécifique à distance Le délai pour que le signal atteigne sa cible est long (de quelques secondes à plusieurs minutes). Communication synaptique chimique – Fait intervenir des neurotransmetteurs Rapide : 1 à 100 m/s – Mode de communication des neurones – Le signal est libéré par la cellule pré-synaptique et agit seulement sur la cellule post-synaptique d’une jonction spécialisée voisine (synapse chimique)  LES RÉCEPTEURS ► 2 types de récepteurs: Membranaires ou de surface Intracellulaires: – Cytosoliques – Nucléaires  Chapitre 2 Cytoplasme –Cytosol – Cytosquelette – Systèmes endomembranaires (Réticulum Endoplasmique, Appareil de Golgi, lysosomes et vésicules), – Mitochondries et peroxysome Professeur Bouchra CHEBLI  PLAN DU CHAPITRE 2 / LE CYTOPLASME Le cytoplasme, définitions 1°) Le cytosol 2°) Le cytosquelette Les Filaments d’actine Les Filaments intermédiaires FI Les Microtubules 3°) Les organites cellulaires - Système endomembranaire (SE) pour les synthèses (RE, AG, Lysosomes et vésicules) – Mitochondries pour la respiration cellulaire – Peroxysomes pour l’épuration cellulaire.  Définitions Le cytoplasme Le cytoplasme désigne le contenu d'une cellule vivante. Plus exactement, il s'agit de la totalité du matériel cellulaire délimité par la membrane plasmique. Le cytoplasme comprend donc tout ce qui est contenu à l'intérieur du volume délimité par la membrane cytoplasmique à l'exception du noyau et de certains organites. C' est un milieu complexe, organisé et dynamique. Le milieu liquide à l'extérieur des membranes internes est appelé cytosol ou hyaloplasme.  Il s’agit d’une phase liquide qui comporte de nombreux organites et structures en suspension dans le cytosol tels que : – Ribosomes – Réticulums endoplasmiques – Appareil de Golgi – Vésicules, endosomes, lysosomes, phagosomes,… – Mitochondries et plastes (plantes) – Un Cytosquelette qui maintient la forme de la cellule et qui sert d’ancrage aux organites  Le cytosol Le cytosol (ou hyaloplasme) est la fraction liquide, translucide, où baignent les organites et inclusions cellulaires Fraction liquide du cytoplasme, obtenue après centrifugation et élimination des organites.  Composition moléculaire du cytosol Phase liquide ou semi-liquide – Gel colloïde: 4 fois plus visqueux que H 2 O – pH 7,0 (pH extracellulaire: 7,4) – 85% d’eau (eau liée aux macromolécules, eau d'hydratation, eau libre: 30%) Ions: Na +, K +, Cl-, Mg2+, Ca2+ Gaz: O 2, CO 2 Molécules: Glucides, lipides, acides aminés, nucléotides, autres métabolites Macromolécules – Protéines, polysaccharides, glycoprotéines, acides nucléiques  Fonctions du cytosol 1) Réserve de matériaux – Régulation des pH intra et extracellulaire grâce à la grande quantité d'eau et d'ions. – Réserve énergétiques grâce aux vacuoles lipidiques et glycogéniques. – Réserve de matériaux nécessaires à la construction des édifices macromoléculaires. – Transit de molécules protéiques et macromolécules. 2) Carrefour de voies métaboliques – anabolisme et catabolisme des glucides, des acides aminés, des acides gras et des nucléotides. 3) Transduction du signal à partir de la mb plasmique vers les organites et le noyau Le Cytosquelette Le cytosquelette est un réseau hyaloplasmique de protéines fibreuses qui constitue l’armature des cellules animales mais aussi organise la forme des cellules végétales (même si, dans le cas des cellules végétales, c’est la paroi qui a le principal rôle squelettique). Les éléments du cytosquelette se localisent dans: Le cytosol Le nucléoplasme La périphérie de la cellule où ils forment le cortex cellulaire Selon leur diamètre, on distingue 3 types de filaments :  Microtubules (MT) : 20-30 nm de Ø  Microfilaments d’actine (MFA) : 5-8 nm de Ø  Filaments intermédiaires (FI) : 8-10 nm de Ø Deux types de monomères protéiques sont à la base des polymères fibreux du cytosquelette: Monomères globulaires pour les MFA et les MT Monomères fibreux pour les FI  les microtubules Polymères présents dans le cytoplasme de toutes les cellules eucaryotes Tubes creux formés par la polymérisation de protéines globulaires: les tubulines. o Tubulines α et β s’associent en hétérodimères. o Les dimères s’alignent pour constituer un protofilament. o 13 protofilaments s’assemblent en rangées formant le microtubule, de longueur très variable. Épais (diamètre 25 nm) et résistants à la compression pour donner un microtubule de 25 nm de diamètre.  les microtubules Polymérisation: Nécessite la présence de Mg2+ et de GTP (Guanosine Tri Phosphate) L’association entre les monomères de tubuline β et le GTP Dépolymérisation: Nécessite l’hydrolyse préalable du GTP fixé à la tubuline β (GTP GDP + Pi) Les microtubules possèdent deux extrémités : l’une ne comprend que des tubulines alpha (extrémité –) et l’autre que des tubulines bêta (extrémité +). Les microtubules sont donc des structures orientées et polarisées. Polymérisation / Dépolymérisation des microtubules Les deux extrémités différent par leur vitesse de polymérisation: o L’extrémité + où la polymérisation est rapide. C’est l’extrémité distale, orientée vers la périphérie de la cellule. o L’extrémité – où la polymérisation est plus lente. C’est l’extrémité proximale. Elle est située dans la région centrale de la cellule, appelée centrosome.  Rôle des microtubules Fonction des microtubules : Seuls les microtubules et les microfilaments sont impliqués dans les phénomènes de motilité; transports des vésicules et des macromolécules Dans les deux cas la motilité est assurée par les protéines motrices qui assurent le : - Transport des vésicules de sécrétion - Transport des vésicules d’endocytose, phagocytose et pinocytose. - Transport des vésicules membranaires entre le réticulum endoplasmique et le Golgi - Des mouvements dirigés des organites dans le cytoplasme. - Mise en place du fuseau mitotique et migration des chromosomes. - Ils rentrent dans la composition des centrioles et des centrosomes pour la formation du fuseau achromatique. Protéines motrices interagissant avec les microtubules Deux familles de protéines « motrices » interagissent avec les microtubules ! Ce sont les kinésines qui se déplacent vers l'extrémité + du microtubule et les dynéines qui se déplacent vers l'extrémité - (en direction du centrosome). Ces protéines motrices sont toujours associées à d'autres protéines. Les protéines motrices utilisent l'énergie dérivée d'hydrolyse de l'ATP pour se déplacer le long du microtubule. La vitesse du déplacement est estimée à 1μm/s pour une protéine de 10 nm. Le mécanisme de déplacement de la dynéine n'est pas encore élucidé.  Dynéine Les dynéines ne fonctionnent qu'avec un complexe protéique associé, la dynactine.  Cytosquelette :Le centrosome Le cytosquelette contient le centrosome, le centre cellulaire organisateur des microtubules intervenant dans la division cellulaire. Chaque centrosome est composé de deux centrioles, ce sont des structures cellulaires intracytoplasmiques constituées de 9 triplets de 3 tubules. Les centrioles (perpendiculaires et ne se touchant pas) forment le centrosome qui est toujours à proximité du noyau. Leur fonction est de diriger, tels des aimants, le sens de la division cellulaire. Cette organelle cellulaire unique joue un rôle prépondérant dans de nombreux processus cellulaires, tels que la division, la migration et la prolifération. Effets de quelques drogues sur les microtubules : Exemples de drogues qui bloquent la polymérisation et la dépolymérisent: Colchicine Vinblastine Nocodazole Exemples de drogues qui bloquent la dépolymérisation: Taxol GTPγs (empêche l’hydrolyse du GTP en GDP) Certaines de ces drogues sont utilisées dans le traitement du cancer (taxol). En effet, elles perturbent la dynamique cellulaire et donc la réplication cellulaire.  Cytosquelette : les microfilaments d’actine Les microfilaments d’actine: sont les éléments les plus abondants du cytosquelette cellulaire. On en distingue plusieurs types suivant leur localisation : L’actine α est présente au niveau de cellules musculaires striées et lisses. L’actine β et l’actine γ sont présentent au niveau des autres types cellulaires. L'actine est une protéine cytoplasmique existant sous deux formes: - l'actine G, globulaire et monomérique, - et l'actine F, filamenteuse et polymérique, et résultant de la polymérisation de l'actine G. Ces deux formes sont en équilibre dynamique dans la cellule. Organisation moléculaire des MFA: Plusieurs monomères d’actine G s’associent entre eux (en présence d’ATP et d’ions )pour former l’actine F qui est une chaîne torsadée, contractile et polarisée. La polymérisation: Nécessite la présence de Mg2+ et d’ATP Nécessite l’association entre les monomères d’actine G et l’ATP La dépolymérisation = hydrolyse de l’ATP fixé à l’actine Les MFA sont polarisés = deux extrémités: Extrémité +: où la polymérisation est rapide Extrémité -: où la polymérisation est plus lente Les deux pôles + et – sont protégés par des protéines de coiffage. Cytosquelette : Les filaments d’actine - + Lamellipode : Un lamellipode est une extension transitoire laminaire et large de la membrane cellulaire produites par l'action des microfilaments d'actine qui appartiennent au cytosquelette cellulaire. Ces extensions temporaires de la membrane cellulaire, des pseudopodes, sont impliquées dans le mouvement des cellules produites par les microfilaments d'actine du cytosquelette. Cytosquelette : Rôle des filaments d’actine Maintien des édifices structuraux par exemple des villosités. Mouvements intracellulaires Les mouvements cellulaires : déplacement des leucocytes (pseudopodes). Assurent l’endocytose, l’exocytose et la division cellulaire, La cytodiérèse (en fin de division cellulaire). La formation des jonctions cellulaires  Cytosquelette Les filaments intermédiaires Types de protéines: On distingue plusieurs types de peptides formant les filaments intermédiaires: les cytokératines I et II (cellules épithéliales, kératines); les protéines des neurofilaments la vimentine (nombreuses cellules d'origine mésodermique) et protéines apparentées (desmine des muscles, protéine fibrillaire acide gliale des cellules gliales, périphérine des neurones); les lamines A, B et C, des protéines laminaires (lamina nucléaire, enveloppe nucléaire); des desmines, des cellules des muscles et fibroblastes. Chaque monomère est composé de trois domaines: -Un domaine centrale hydrophobe, organisé en hélice α. -Une extrémité N-Terminale et une autre C-Terminale de longueur variable. -Ces extrémités portent des sites de phosphorylation et de O- glycosylation Polymérisation des FI – Association parallèle: Deux monomères de même orientation s’associent par leur domaine central pour donner un dimère torsadé – Association anti-parallèle: deux dimères d’orientation opposée s’associent avec un décalage pour former un tétramère – L’association bout à bout de plusieurs tétramères constitue un protofilament – 8 protofilaments s’associent pour former un FI de forme cylindrique de diamètre de 8 à 10 nm de large  Filament intermédiaire  Cytosquelette Les filaments intermédiaires Les filaments intermédiaires maintiennent l'architecture de la cellule, aussi bien dans l'hyaloplasme que le nucléoplasme. Ils diffèrent des autres constituants du cytosquelette: 1. Ils s'assemblent spontanément et ne nécessitent ni protéines chaperonnes, ni source énergétique. 2. Ils ne sont pas polarisés (pas orientés, ni extrémités +, ni -), contrairement aux filaments d'actine ou aux microtubules. 3. Ils sont beaucoup plus stables que les précédents, c'est-à-dire qu'ils subissent bien moins de modifications (montage et démontage des microfilaments d'actine). 4. Ils sont constitués de différentes protéines fibrillaires (environ 70) de structure de base sensiblement identiques (45 nm de long pour 2 nm de large), formées d'une tête N-terminale, d'une tige en hélice α centrale et d'une queue C- terminale.. 5. Ils peuvent s'assembler sous plusieurs assemblages  Cytosquelette Rôle des filaments intermédiaires Le Cytosquelette  les ORGANITES CELLULAIRES Trois groupes selon la fonction : 1. Système endomembranaire (SE) pour les synthèses (RE, AG, Lysosomes et vésicules) 2. Mitochondries pour la respiration cellulaire 3. Peroxysomes pour l’épuration cellulaire.  SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE Définition : Le système endomembranaire est l'ensemble des cavités cytoplasmiques limitées par des membranes inter-communicantes entre elles. Les différents compartiments de ce système sont: Le réticulum endoplasmique L’appareil de Golgi Les lysosomes et vésicules Nb: les mitochondries et les peroxysomes ne font pas partie de ce système  Le réticulum endoplasmique rugueux et lisse L’appareil de Golgi Les lysosomes et vésicules La membrane du réticulum est relié à la membrane nucléaire mais le noyau ne fait partie du système endomembranaire  Réticulum endoplasmique Généralités : Le réticulum endoplasmique (RE) est : Un organite prépondérant des cellules Un ensemble de cavités ou citernes, vésicules ou canalicules plus ou moins dilatés qui communiquent entre eux. Isolé du cytosol par une cytomembrane. Un réseau occupant 15 à 20% du Volume cellulaire Deux types de réticulums endoplasmiques sont définis : 1. Le réticulum endoplasmique rugueux ou granulaire(REG), pourvu de ribosomes. 2. Et le réticulum endoplasmique lisse (REL) dépourvu de ribosomes. Réticulums endoplasmiques lisses et rugueux  Réticulums endoplasmiques Ultrastructure (mic électronique) Les membranes du réticulum endoplasmique apparaissent épaisses de 60A°, présentant une face luminale (vers l’intérieur) et une face hyaloplasmique.  La quantité relative du REG par rapport au REL varie en fonction du type cellulaire et de l’état métabolique de la cellule. Ex : – REG prédominant dans une cellule pancréatique exocrine – REL prédominant dans une cellule hépatique après une intoxication aux barbituriques. Les ribosomes ne sont pas fixés en permanence sur le REG. Ils s’attachent à la membrane du RE (qui devient temporairement granulaire) au début de la synthèse d’une protéine (traduction) et se détache du REG à la fin.  1°) Réticulum endoplasmique Lisse REL Le REL est un réseau membraneux de tubules et de sacs aplatis qui paraît lisse car il n'est pas recouvert de ribosomes.  1°) Réticulum endoplasmique Lisse REL Fonctions: Il est abondant dans les cellules spécialisées dans le métabolismes des lipides et dans les réactions de détoxication. Le REL est impliqué dans la synthèse des phospholipides membranaires Transport des produits surtout des protéines Synthèse de cholestérol et de certaines hormones stéroïdiennes Stockage et libération du Calcium Détoxification Ce phénomène de détoxification et de solubilisation des molécules s’exerce par des familles d’enzymes (cytochrome P450). Production de glucose Le REL participe à la production de glucose par la présence à l’intérieur du REL de la Glucose-6-phosphatase. Cette fonction se déroule au niveau du foie et permet la production du glucose à partir du glycogène hépatique. Le REL joue un rôle important dans la régulation de la glycémie.  2°) Réticulum endoplasmique rugueux REG Structure: Le réticulum endoplasmique granulaire ou rugueux « REG ou RER est constitué d'un réseau membraneux étendu, composé d'une membrane (de composition différente de la membrane plasmique) et d'une lumière. Des parties de la membrane du réticulum rugueux REG sont en continuité avec la membrane externe du noyau.  2°) Réticulum endoplasmique rugueux REG Fonctions Synthèse des protéines N-glycosylation des protéines Conformation spatiale des protéines et contrôle qualité avant leur exportation vers l’appareil de Golgi Le RER est abondant dans les cellules qui sécrètent des protéines comme le pancréas. Chez les eucaryotes, la traduction de l'ARN messager en protéines par les ribosomes se déroule dans le cytoplasme de la cellule pour les protéines cytoplasmiques, ou dans le réticulum endoplasmique dit rugueux pour les protéines vouées à être sécrétées ou membranaires. Elle est éventuellement suivie de modifications post- traductionnelles, comme la glycosylation (liaison covalente d'oses), dans l'appareil de Golgi, qui constituent un élément important de la signalisation cellulaire.  2°) Réticulum endoplasmique rugueux REG Les ribosomes Plus petites structures cellulaires : visibles au microscope électronique seulement. Les ribosomes sont constitués de deux sous-unités, une plus petite qui « lit » l'ARN messager et une plus grosse qui se charge de la polymérisation des acides aminés pour former la protéine correspondante. Formés de deux sous-unités: une petite et une grande (40 S et 60 S chez eucaryotes)  2°) Réticulum endoplasmique rugueux REG La protéine synthétisée pénètre dans le réticulum endoplasmique où elle prendra sa forme finale = vérification par des enzymes spécifiques et repliement forme 3D. C’est la maturation qui peut se poursuivre dans le Golgi.  2°) Réticulum endoplasmique rugueux REG Synthèse des protéines  2°) Réticulum endoplasmique rugueux REG En microscopie électronique, le REG porte à sa surface une multitude de petits granules. Ce sont des ribosomes en pleine synthèse protéique fixés à la surface externe du réticulum. Les protéines qu'ils synthétisent sont injectées dans la lumière du réticulum via un pore. Une fois dans la lumière, les protéines subissent une maturation, puis elles sont envoyées vers l'appareil de Golgi. Si des protéines sont mal repliées, elles sont éliminées par le protéasome. Une fois dans le Golgi, elles peuvent subir une modification post- traductionnelle (clivage de précurseur, glycosylation, sulfatation ou encore phosphorylation), puis sont ensuite envoyées par des vésicules vers les lysosomes, la membrane plasmique ou le milieu extracellulaire (sécrétion). Elles peuvent aussi rester dans le Golgi, ou retourner dans le REG.  Les protéasomes Le protéasome (ou protéasome 26S) est un gigantesque assemblage multiprotéique constitué d’au moins 45 chaînes polypeptidiques, qui dégrade les protéines par un mécanisme nécessitant l’hydrolyse d’ATP. Cet assemblage est formé de deux complexes distincts, les protéasomes 20S et 19S. Le protéasome dégrade les protéines « périmées ». Celles-ci sont d’abord ubiquitinylées. L’ubiquitinylation permet la sélectivité et assure un contrôle temporel de la dégradation des protéines. La voie de l’ubiquitinylation a été découverte par Aaron Ciechanover, Avram Hershko et Irwin Rose, lauréats du prix Nobel de Chimie en 2004  Les protéasomes Contrôle qualité des protéines avant exportation Exportation et dégradation des protéines du RE mal repliées  SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE L’ Appareil de Golgi Caractéristiques morphologiques Ensemble de saccules aplatis ou citernes, en formes d’écailles, qui s’empilent par groupe de 5 à 10, serrés les uns aux autres. Une pile isolée s’appelle : dictyosome et l’ensemble des dictyosomes d’une cellule forme l’appareil de Golgi. SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE L’ Appareil de Golgi  SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE L’ Appareil de Golgi Lesdeux faces ne sont pas identiques, Une face trans et une face cis Membrane plasmique, Cytosol, Lysosomes Réticulum endoplasmiqu e CIS TRANS  SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE L’ Appareil de Golgi Fonctions [ Reçoit + Modifie + Exporte] L'appareil de Golgi est un organite cellulaire situé à proximité du réticulum endoplasmique et du noyau. Il stocke les protéines et les lipides produits par le réticulum, les modifie grâce à l'action d'enzymes, les trie et les véhicule dans le milieu intra- ou extracellulaire, en fonction de leur destination finale. Modifications des protéines post traductionnelles Il est un lieu majeur de transfert et de tri des molécules, ainsi que de synthèse des glycoprotéines et des sphingolipides. Trafic de membrane vers et depuis la membrane plasmique (sécrétion et exocytose) et participe au renouvellement de la membrane plasmique. Contrôle d’adressage des protéines : retour vers le RE et adressage vers les lysosomes  Système des membranes, transports entre RE, Golgi et vésicules 1. Vésicules issues du REG, mais sans ribosomes (diamètre 50 nm) 2. Fusion des vésicules avec les dictyosomes ou saccules du Golgi du coté Cis 3. Puis progression du contenu, notamment les protéines du coté Cis vers le coté Trans 4. Bourgeonnement de vésicules, certaines entourées d’une structure protéique (vésicules à clathrine) du coté Trans Les lysosomes sont des vésicules contenant des enzymes digestives capables d'hydrolyser de grosses molécules comme des protéines, des glucides, des lipides, des acides nucléiques. Ces hydrolases sont actives seulement à un pH de 5 maintenu grâce à un transport actif d'ions H+ vers le milieu interne des lysosomes. La rupture accidentelle des membranes lysosomiales et le déversement des enzymes dans le cytoplasme est généralement sans conséquence puisque le pH du cytoplasme est neutre ce qui inactive alors les enzymes lysosomiales. Les lysosomes se trouvent dans toutes les cellules sauf chez les globules rouges mais sont plus fréquemment dans les cellules responsables de la défense de l'organisme (les cellules de système immunitaire) Types de lysosomes Actuellement la distinction porte sur la source du matériel digéré: 1- Des produits d'endocytose, contenus dans des endosomes fusionnent avec les vésicules de lysosome, pour former les endolysosomes. 2- Les organites cellulaires détruits s'entourent d'une enveloppe, par fusion de vésicules, provenant peut-être du réticulum endoplasmique. Ceux-ci forment un autophagosome, qui, par fusion avec un endolysosome ou un lysosome, aboutirait à la formation d'un autophagolysosome. Les autophagolysosomes assurent le mécanisme d'autophagie cellulaire. Ce mécanisme est encore mal connu. 3- Dans les cellules phagocytaires, les phagosomes (vésicules contenant des déchets ou une bactérie) sont transformés en phagolysosome par association avec un lysosome ou un endolysosome. Différents types de digestions - L’hétérophagie Elle consiste à digérer les composés extracellulaires. Substrats provenant de l’endocytose : ils se retrouvent dans un endosome dit précoce, cette structure évolue alors en endosome tardif dont le ph est abaissé. Il y a alors fusion avec un lysosome primaire pour donner un endolysosome. Hétérophagie à partir de phagocytose : les substrats provenant de la Phagocytose fusionnent avec un lysosome primaire pour donner un Phagolysosome. Devenir des déchets : après la dégradation dans les lysosomes secondaires, les petites molécules passent à travers la membrane du lysosome et sont rejetées dans le cytosol pour être réutilisées. Les molécules non-digestibles forment un amas appelé corps résiduel qui est exocyté dans le milieu extracellulaire. - L’autophagie Elle consiste à digérer les composés cellulaires internes. Cela sert à assurer le renouvellement de la matière vivante. Il y a : - Formation d’un Autophagosome à partir des membranes du REL - Fusion avec un lysosome primaire pour obtenir un Autophagolysosome. A l’intérieur, les composés sont dégradés par les enzymes lysosomales. L’autophagie joue un grand rôle dans le renouvellement des composants cellulaires.  PLAN DU CHAPITRE 2 / LE CYTOPLASME Le cytoplasme définitions 1°) Le cytosol 2°) Le cytosquelette Les Filaments d’actine Les Filaments intermédiaires FI Les Microtubules 3°) Les organites cellulaires – Système endomembranaire (SE) pour les synthèses (RE, AG, Lysosomes et vésicules) – Mitochondries pour la respiration cellulaire – Peroxysomes pour l’épuration cellulaire.  LA MITOCHONDRIE Mitochondrie  La mitochondrie Toutes les cellules des eucaryotes contiennent des générateurs d’énergie extrêmement efficaces: les mitochondries, organites de forme cylindrique de 7 microns de longueur environ et d’un diamètre compris entre 0.5 et 1 micron. Elles possèdent leur propre génome. L’ensemble des mitochondries s’appelle le chondriome. Les mitochondries sont souvent décrites comme les «centrales énergétiques » des cellules, dans la mesure où elles contribuent à l'essentiel de la production d'ATP cellulaire à travers la β-oxydation, le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire dans le cadre de la phosphorylation oxydative, l'ATP étant la molécule énergétique ubiquitaire utilisée dans un très grand nombre de réactions chimiques du métabolisme, et notamment de l'anabolisme (biosynthèses).  ASPECT MORPHOLOGIQUE MICROSCOPIE ELECTRONIQUE Le nombre de mitochondries est variable. Elles sont mobiles et déformables. Chaque mitochondrie est limitée par deux membranes externe et interne hautement spécialisées, définissant 2 compartiments mitochondriaux séparés: l'espace matriciel interne et un espace intermembranaire étroit. On y trouve : Une matrice granuleuse Des méta ribosomes De l’ADN mitochondrial Cristaux protéiques Cristaux minéraux Structures fibreuses La mitochondrie composition de la membrane externe La mitochondrie : espace intermembranaire  La mitochondrie: composition de la membrane interne s La mitochondrie : transport actif pour membrane interne  La mitochondrie : Caractéristiques des protéines et des lipides de la membrane interne Les protéines sont généralement impliquées dans 3 fonctions différentes: *Certaines sont impliquées dans les réactions d’oxydation de la chaîne respiratoire. *D’autres sont des protéines de transport spécifiques qui régulent le passage de substances au travers de la matrice. *Le dernier groupe est constitué d’un complexe enzymatique appelé ATP synthétase qui synthétise l’ATP. Les lipides sont essentiellement des cardiolipides (qui permettent la pénétration dans la matrice des lipides cytosoliques où ils subissent la bêta-oxydation).  La matrice mitochondriale La chambre interne ou matrice mitochondriale, finement granuleuse, renferme : des molécules d'ADN et d'ARN; des mitoribosomes, Nombreux systèmes enzymatiques : les enzymes établissant une oxydation du pyruvate les enzymes oxydantes des acides gras les enzymes appartenant au cycle citrique (au cycle de Krebs) et aussi des enzymes nécessaires à la duplication, transcription et traduction de l'ADN mitochondrial.  Fonctions de la mitochondrie 1. Respiration cellulaire : production d’énergie sous forme d’ATP (phosphorylation oxydative) 2. Fonctions de synthèses : synthèse d’hormones stéroïdes chez les cellules glandulaires endocrines qui sécrètent les hormones stéroïdes (œstrogènes, progestérone, testostérone, corticostérone…) à partir du cholestérol. 3. Thermogenèse et thermorégulation 4. Régulation calcique homéostasie calcique 5. Apoptose  La respiration cellulaire Réaction biochimique qui permet d’obtenir l’énergie à partir du Glucose C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 38 ATP 3 Etapes – Glycolyse – Cycle de Krebs / Cycle de l’acide citrique – Chaîne respiratoire / de transport des électrons La glycolyse est la première étape. Elle se déroule dans le cytoplasme cellulaire. La deuxième étape est la production d'Acétyl-CoA dans la mitochondrie. La troisième et dernière étape est la phosphorylation oxydative. Au cours de ces 3 étapes, via le cycle de Krebs, la mitochondrie permet, à partir d'une molécule de glucose, la production de 38 molécules d’ATP.  Bilan de la phosphorylation oxydative Le cycle de Krebs est le point final commun de la dégradation des polysaccharides (glycolyse, voie des pentoses phosphates), des lipides (β-oxydation) et des acides aminés, qui aboutissent à la formation d'acétyl-CoA ; ce dernier est une forme de transport des groupes acétyle provenant du pyruvate. L'acétyl-CoA est produite à la fois par la dégradation des glucides via la glycolyse et par la dégradation des acides gras constituant les lipides via la β- oxydation. Elle entre dans le cycle de Krebs des mitochondries en réagissant avec l'oxaloacétate pour former du citrate, avec libération d'une coenzyme A libre. La β-oxydation, communément appelée spirale de Lynen, est la principale voie métabolique de dégradation des molécules d'acides gras pour produire : d'une part de l'acétyl-CoA, dont le groupe acétyle est oxydé par le cycle de Krebs et d'autre part du NADH et du FADH2, dont les électrons à haut potentiel alimentent la chaîne respiratoire.  Bilan de la chaine respiratoire Le transfert d'électrons entre un donneur et un accepteur plus électronégatif libère de l'énergie, utilisée pour pomper des protons hors de la matrice mitochondriale, ce qui génère un gradient de concentration de protons, et donc un gradient électrochimique, à travers la membrane mitochondriale interne. Ce gradient électrochimique est ensuite utilisé par l'ATP synthase pour produire de l'ATP : on dit que la chaîne respiratoire et la phosphorylation de l'ADP en ATP sont couplées par chimiosmose au moyen d'un gradient de concentration d'ions H+ à travers la membrane interne de la mitochondrie. L'étape finale de cette dernière est la réduction d'une molécule d'oxygène par quatre électrons pour former deux molécules d'eau en fixant quatre protons. Bilan de la production d'énergie par respiration Matière organique + O2 Matière inorganique + H2O + Énergie Tous les glucides peuvent se transformer en glucose Le glucose = carburant de la respiration cellulaire 1 glucose + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + Énergie  Mitochondrie = Homeostasie du calcium Stockage du calcium : Les mitochondries sont avec le réticulum endoplasmique lisse, le principal réservoir du calcium. La mitochondrie est capable de capturer le calcium, de le stocker dans la matrice et de le libérer dans le cytosol à partir de canaux ioniques dans la membrane interne, PTP (permeability transition pore), et des échangeurs Na/Ca. L’ouverture des mégacanaux et la libération massive d’ions calcium sont les premiers événements qui peuvent conduire à l’apoptose.  Biogenèse des mitochondries : Théorie de l'endosymbiose : les mitochondries dérivent des bactéries aérobies qui ont été phagocytées par la cellule eucaryote primitive. Les mitochondries proviennent de la division des mitochondries préexistantes (héritées de l’ovule) et se divisent de manière indépendante sous contrôle du noyau. La division mitochondriale est précédée par une duplication de l’ADN mitochondrial. Les mitochondries se divisent selon : -La partition, débute par la croissance d’une crête partageant la matrice en 2. -La segmentation, qui se fait par l’étranglement de l’organite.  Mitochondrie et apoptose Une deuxième fonction primordiale de la mitochondrie est sa participation active à la mort des cellules qu’on appelle apoptose ou mort cellulaire programmée. La mitochondrie libère des protéines ‘apoptogèniques’ normalement confinées dans l’espace intermembranaire (espace entre les membranes externe et interne). Une fois hors de la mitochondrie, ces protéines (notamment le cytochrome C) activent des protéases (enzymes qui dégradent des protéines) chargées d’exécuter la cellule. La mitochondrie a donc une double vie: elle assure la survie des cellules en leur fournissant de l’énergie sous forme d’ATP et, dans certaines circonstances, participe à leur destruction.  PLAN DU CHAPITRE 2 / LE CYTOPLASME Le cytoplasme définitions 1°) Le cytosol 2°) Le cytosquelette Les Filaments d’actine Les Filaments intermédiaires FI Les Microtubules 3°) Les organites cellulaires – Système endomembranaire (SE) pour les synthèses (RE, AG, Lysosomes et vésicules) – Mitochondries pour la respiration cellulaire – Peroxysomes pour l’épuration cellulaire.  Les Peroxysomes Les peroxysomes sont des organites cellulaires présents dans toutes les cellules sauf chez les globules rouges. Leur nombre et taille diffèrent selon les types cellulaires et leur activité métabolique. Ils sont entourés d une seule membrane, ils n ont pas leur génome propre et importent donc leur protéines du cytosol.  Les Peroxysomes Ces organites ont comme principale fonction l'élimination des radicaux libres produits par l'oxygène dans la cellule. Ils ont donc une fonction protectrice de la cellule, c'est grâce à eux que les cellules eucaryotes supportent un environnement aérobie. Les peroxysomes proviennent des peroxysomes préexistants. 20 à 30% des constituants membranaires sont renouvelés chaque jour (= turn over). Durée de vie: 3,5 jours (contre 10 jours environ pour une mitochondrie). Ils sont détruits par autophagie.  Les Peroxysomes Les peroxysomes sont des organites qui utilisent O2 et qui contiennent des enzymes oxydatives. Ces enzymes sont synthétisées dans le cytosol sur les ribosomes libres et sont transférées aux peroxysomes par un mécanisme post-traductionnel.  Les Peroxysomes La matrice du peroxysome renferme un équipement enzymatique que l’on peut classer en 2 types : Les peroxydases oxydent les substrats en utilisant O2, cette réaction aboutit à la formation du peroxyde d’hydrogène (H2O2). RH2 + O2 → R + H2O2 H2O2 est un oxydant puissant qui libère des radicaux libres OH très toxiques pour la cellule Les catalases contrôlent la concentration de H2O2 qui est elle-même toxique pour la cellule. H2O2 + R'H2 ⤇ R' + 2 H2O Réactions produisant des radicaux libres Radicaux libres et anti oxydants  Les Peroxysomes En dehors de l’oxydation des acides gras, le peroxysome est aussi impliqué dans la synthèse de la bile, du cholestérol et également dans le métabolisme des acides aminés et des purines. La place du peroxysome dans le métabolisme cellulaire est illustrée par l'existence de nombreuses pathologies associées à son dysfonctionnement, lui même dû à des défauts génétiques.  Les Peroxysomes Application médicale Certains facteurs appelés agents proliférateurs des peroxysomes (PPA) induisent une prolifération anormale des peroxysomes, surtout au niveau du foie; ex. : aspirine Des défauts d’adressage d’enzymes peroxysomiales entraînent des affections peroxysomiales (20 maladies) entraînant atteintes neurologiques et multiviscérales (Refsum, Zellweger). Bon courage ! FIN DU CHAPITRE II