Le Support - Chimie des Cellules PDF

I- INTRODUCTION To u t m a t i è r e s o n t f a i t 1- La base chimique de la cellule: atomes, molécules et des atomes macromolécules  L’atome Les protons et les neutrons sont composés de particules élémentaires appelées : quarks La structure des atomes est maintenue par 2 types de forces: La force nucléaire forte et la force électromagnétique - La force nucléaire forte Q quel est la charge du noyau? - La force électromagnétique Le noyau de chaque atome, composé de protons (+) et de neutrons (neutres) porte une charge positive (+) nette. Dans chaque atome, le nombre d'électrons (-) est égal au nombre de protons (+). La charge négative totale des électrons neutralise la charge positive totale du noyau due aux protons.   l'atome est électriquement neutre (o). On classe les atomes par numéro atomique (nombre de protons contenus dans le noyau). Même # d'atomes Tous les atomes qui ont le même numéro atomique se comportent de la même façon sur le plan chimique et sont considérés comme le même élément chimique. Dans un même élément chimique si le nombre de neutrons diffère dans le noyau, les atomes sont appelés isotopes. 16 17 18 Par Ex: 8O 8 O 8 O sont des isotopes Étant de la matière, les atomes possèdent une certaine masse mesurée en unités de masse atomique (u.m.a., aussi appelées dalton). La masse du proton = 1,007 unité, le neutron (1,008 unité) et l'électron (0,0005 unité.) Par exemple, l'atome de carbone possède 6 protons, 6 neutrons et 6 électrons, et la masse atomique (ou poids atomique) = 12,011 u.m.a. Le nombre de masse d'un atome = la somme du nombre de protons et du nombre de neutrons contenus dans l'atome; pour le carbone, 6 protons + 6 neutrons = 12. L’hydrogène, le carbone, l'azote et l'oxygène sont les éléments chimiques les plus abondants dans les organismes vivants. Dans un atome les électrons sont disposés en couches électroniques qui sont des régions correspondant à différents niveaux énergétiques. Chaque niveau énergétique reçoit un nombre maximal caractéristique d’électrons. Le 1e niveau (+ basse énergie) peut recevoir 2 électrons ; le 2e niveau peut recevoir 8 électrons; le 3e niveau, 8 électrons…  La molécule Pour établir des liaisons entre eux afin de former des molécules, les atomes ont tendance à accepter des électrons pour remplir les cases à combler sur le niveau énergétique externe ou à céder les électrons qu’ils ont en trop. La valence d'un atome ou sa capacité de se combiner, est le nombre d’e qui sont soit en trop, soit manquants dans le dernier niveau énergétique. Formation de liaisons ioniques Les ions (Na +) et (CI-) sont attirés l'un par l'autre en raison de leurs charges qui s'opposent. Ils sont retenus ensemble par une liaison ionique et forment une molécule de chlorure de sodium (NaCI). Formation de liaisons covalentes Les atomes d’une molécule sont unies par des liaisons covalentes, dans lesquelles des paires d’électrons sont communes à des paires d’atomes. Une liaison covalente est le lien chimique unissant deux atomes qui partagent au moins une paire d'électrons dans le but de combler une case vide et compléter le niveau énergétique externe. Formule développée Formule moléculaire Quand une paire d'électrons est partagée par deux atomes, il y a formation d'une liaison covalente simple. Quand 2 paires d'électrons sont partagées, on obtient une liaison covalente double. Quand 3 paires d'électrons sont partagées, on obtient une liaison covalente triple.  Les macromolécules  Les polysaccharides L'amidon est 1 polysaccharide de réserve chez les végétaux et est constitué d'amylose et d'amylopectine en pourcentage variable Amylose La cellulose La chitine Le glycogène,  Les polypeptides Ce sont des chaîne d’acides aminés reliés par des liaisons peptidiques Les acides nucléiques: ARN (acide ribonucléique) et ADN (acide désoxyribonucléique) sont des enchaînements de nucléotides par des liaisons phosphodiesters. Nucléotide = Nucléoside (base + sucre) + Phosphate L’arn donne info génétique aux protéines Base Nucléoside 2- PO4 Sucre Bases: puriques et pyrimidiques Seule diférence entre T et U c’est ajout de méthyle ARN: Cytosine; Uracile; Adénine et Guanine ADN: Cytosine; Thymine; Adénine et Guanine Sucres : ribose et désoxyribose 2 diﬀérence : ADN a T au lieu de U et désoxyribonucléique ARN: le ribose ADN: le désoxyribose ARN Les nucléosides E x. N u c l e o t i d e : AT P - adenisine triphosphate ADN Les nucléotides La liaison phosphodiester L’ADN et l’ARN résultent de la condensation de très nombreux nonucléotides, liés par des liaisons phosphodiesters. Cette condensation se fait par perte d’un molécule de H2O entre le gr. OH porté par le carbone 3’ d’un nucleotide et le gr. Phosphate ( porté par le l’autre molécule pour former un chaîne de nucleotide (structure primaire) Base 1 Base 1 Base 2 Base 2 Liaison phosphodiester Structure primaire des AN: Structure secondaire ADN: le double brin ADN est formé de 2 chaînes nucleotidiques ARN ADN complémentaires antiparallèles OH structurées en double hélices OH La structure secondaire de OH ADN: ARN est souvent sous forme de simple- brin dans la cellule Appariement entre les bases dans les chaînes nucléotidiques: Dans l'ADN: Dans ARN Thymine est remplacé par uracile et désoxyribose remplace par ribose Les lipides Les acides gras Un acide gras est une molécule formée d'une chaîne de carbones liés à des hydrogènes (hydrocarbure) terminée par un groupement acide: COOH. Les acylglycéroles Glycéride : Ester d'acide gras + glyleral Ils sont également appelé glycérides, sont des esters d'acides d’gras et de glycérol Il existe 3 sous-classes d'acylglycérols: les mono-, di- et triglycérides. OH Les préfixes mono, di, et tri sont utilisés selon que l'estérification porte sur 1, 2 ou 3 groupes OH hydroxyles du glycérol OH 2- généralités : la cellule animale ; la cellule végétale ; la cellule bactérienne la cellule animale la cellule végétale  La cellule bactérienne = cellule procaryote II- STRUCTURES ET FONCTIONS DES COMPOSANTS DE LA CELLULE A- la membrane biologique Chaque cellule est entourée d’une membrane qui lui permet d'interagir avec son environnement de manière contrôlée. 1- Composition Les membranes sont composées de : 3 composantes de la membrane Lipide, glucide protéines - Lipides qui sont disposés de façon à former une barrière semi- perméable entre la cellule et son environnement; - Protéines qui sont impliquées dans le transport transmembranaire et la communication cellulaire; - Glucides (sucres ou chaînes de sucre) qui sont toujours exposés à l’extérieur pour aider les cellules à se reconnaître mutuellement. Les glucides sont liés aux protéines pour former des glycoprotéines et aux lipides pour former des glycolipides. Selon le type de cellule, les proportions des différentes composantes diffèrent dans la membrane. Par exemple: - Bactéries G+ : 75% de protéines et 25% de lipides - Myélines : 18% de protéines, 79% de lipides et 3% de glucides - Érythrocytes : 52% de protéines, 40% de lipides et 8% de glucides 1.1- Les lipides membranaires Tous sont amphipathiques  Les phosphoglycérides Ce sont des diglycérides formés d’une molécule de glycérol dont 2 groupements hydroxyles (OH) sont estérifiés par des acides gras et le 3e La choline. Phosphatidylcholine groupement hydroxyle estérifié par 1 phosphate. Q : d o n n e r s t r u c t u r e d e … Ex examen En plus des diacylglycérophospholipides les cellules animales et certains microorganismes anaérobies contiennent de grandes quantités de plasmalogènes, un groupe de glycérophospholipides dans lesquels la chaîne carbonée fixée au C1 du glycérol est attachée par une liaison éther, au lieu d’une liaison ester. Les plasmalogènes constituent donc un groupe de glycérophospholipides dans lesquels une chaîne d'acide gras est arrachée au glycérol (en C2) par une liaison ester et une longue chaîne hydrocarbonée est liée en C1 par une liaison éther (C - 0 -C). Un acide gras de membrane peut être entièrement saturé (dépourvu de doubles liaisons), mono-insaturé (avec une seule double liaison) ou polyinsaturé (avec plusieurs doubles liaisons).  Les sphingolipides Ils possèdent également une tête polaire et 2 queues non polaires, mais moins répandus dans les membranes. Ils contiennent dans leur structure une molécule de sphingosine, un alcool aminé ou son dérivé. La sphingosine unie à n acide gras donne un ceramide acide gras Sphingosine Les sphingolipides comportent des groupements additionnels (X) liés à la céramide. O CH3 O HO P O- H3C N+ CH2 CH2 O P O- CH3 La céramide-1-phosphate La sphingomyéline Si le groupement additionnel est un glucide, la molécule est un glycolipide. glucose Galactocérébroside Glucocérébroside Ganglioside GM1 Pa r t i e h y d r o p h i l e e t h y d r o p h o b e 1.3- Le cholestérol Le cholestérol est stérol présent dans la membrane certaines cellules animales jusqu’à 50%. Mais il n’est pas présent les membranes des cellules végétales et bactériennes. Il est formé de 4 noyaux cycliques rigides (A, B, C et D) qui permettent de réduire la fluidité membranaire. Le groupement OH porté par le noyau A constitue la tête polaire et le reste de la molécule est hydrophobe. 1.2- Modèle de la structure membranaire: Modèle de la mosaïque fluide Le modèle actuellement en vigueur pour la structure de la membrane plasmique est le modèle de la mosaïque fluide, proposé pour la première fois en 1972. Selon ce modèle, la membrane plasmique est une mosaïque de composantes, principalement des phospholipides, du cholestérol et des protéines. Les phospholipides sont disposés en une double couche maintenue par des liaisons non covalentes pour former une matrice fluide de type cristal-liquide appelée la bicouche phospholipidique. Dans cette matrice, les molécules lipidiques pourraient se déplacer latéralement pour donner à la membrane : - sa haute résistance électrique - sa relative imperméabilité aux entités polaires comme les ions - sa perméabilité aux molécules neutres ou hydrophobes - sa fluidité, terme pour décrire le degré d’organisation 1.3- Importance de la fluidité membranaire : La fluidité de la membrane permet aux molécules qui interagissent de se rapprocher, effectuer des réactions demandées et se séparer. La fluidité de la membrane permet aux cellules d’établir des structures spécialisées comme les jonctions intercellulaires, des synapses, et des complexes de capatation. Si pas de ﬂuidité, ne peut pas se diviser (cellula) La fluidité de la membrane intervient dans de nombreux mécanismes fondamentaux comme la croissance cellulaire, la différentiation, la division cellulaire, la mobilité, les contacts intercellulaires, le transport des macromolécules et des particules… Si une membrane est maintenu à sa température normale, la bicouche lipidique est dans un état ordonné (cristal-liquide). Comme dans un cristal (état plus ordonné), les molécules lipidiques ont tendance à conserver une seule orientation. Cependant, les phospholipides individuels peuvent tourner et se mouvoir latéralement dans le plan de la bicouche.  La fluidité de la membrane dépend de 3 facteurs : La température : Si la température baisse ou augment la nature de la bicouche peut changer nettement. La T oC à laquelle les lipides passent de leur état fluide normal à un gel cristallin dans lequel le déplacement des phospholipides est très limité ou à 6une phase plus liquide. Ce point s’appelle la : T C de transition Le changement de To C provoque une transition de phase. - Au dessus de la ToC de transition, il y a passage de l’état ordonné, semblable à gel, à un état désordonné où la mobilité des chaînes d’acides gras autour des liaison C-C est accrue. - Au dessous de la T oC de transition, le mouvement des molécules lipidiques est fortement réduit et la bicouche devient comme un gel cristallin congelé dans les chaines des lipides sont étroitement rapprochées, empaquetées, et entassées Le contenu lipidique : La fluidité de la membrane d’une cellule donnée exige un mélange approprié de lipides (chaines d’ac gras longues et courtes ; ac gras saturés et insaturés ; chaînes d’ac. Gras ramifiés et non ramifiés) permettant l’état fluide à la To C normale de la cellule. Lorsque les chaînes d’acide gras des phospholipides sont courtes et non ramiﬁés, leur surface de contacte est réduite = m o i n s d ’ i n t e r a c t i o n s d e Va n v d e w a l l s a v e c d ’ a u t r e s l i p i d e s - T d e t r a n s i t i o n b a s e = p l u s ﬂ u i d e Les acides gras insaturés comportent des inﬂexions (cis-trans) = les contacts de van der walls avec d’autres lipides sont moins stables Les lipides à chaînes d’acide gras insaturés sont dans un état moins stables, moins ordonnée et sont plus ﬂuides = facile à déranger CONCLUSION: Les lipides à chaînes d’acide gras courtes non ramiﬁés et insaturées, subissent une transition de phase et fondent à des températures plus basses Lipides à chaînes acides longues et très ramiﬁés fondent à des température plus élevée Remarque La croissance et reproduction normale d’une cellule exige que la ﬂuidité de la membrane soit maintenue L e s c e l l u l e s s ’ a d a p t e n t a u x c h a n g e m e n t s d e t e m p é r a t u r e A D A P T AT I O N H O M É O V I S Q U ES E La teneur en cholestérol Les molécules de cholestérol (en jaune) sont souvent reparties de manière relativement égale entre les 2 feuillets de la bicouche lipidique. Elle sont placées dans une membrane de sorte les groupements hydroxyles hydrophiles soient orientés vers les 2 surfaces externes de la bicouche et les cycles hydrophobes soient encastrés dans les chaînes d’acide gras des phospholipides. Les cycles hydrophobes de la molécule de cholestérol sont aplatis et rigides, et ils interfèrent avec les mouvements des chaînes d’acide gras des phospholipides: - Au dessus de la ToC de transition les cycles hydrophobes des molécules de cholestérol encastrés dans les chaînes d’acide gras des phospholipides empêchent leur mobilité accrue du fait de la température, pour maintenir la fluidité membranaire. - Au dessous de la ToC de transition les cycles hydrophobes des molécules de cholestérol encastrés dans les chaînes d’acide gras des phospholipides brisent leur empaquetage étroit (le rapprochement et la cristallisation des chaînes hydrocarbonées) et les empêchent de s’entasser pour maintenir la fluidité membranaire. 1.4- Les glucides membranaires Les membranes des cellules eucaryotes contiennent de glucides, liés aux protéines (glycoprotéines) et aux lipides (glycolipides) par covalence. Les glucides représentent 2 à 10% du poids de la membranes selon les cellules. Ex, dans les érythrocytes: 52% de protéines, 40% de lipides et 8% de glucides. Tous les glucides sont exposés à l’extérieur dans l’espace extracellulaire. Le rôle des glucides membranaires Interviennent dans les interactions intercellulaires et dans les relations entre la cellule et son environnement abiotique Forment un revêtement ou manteau cellulaire nommé glycocalyx ou cell-coat Peuvent servir de barrière de protection pour la membrane sous-jacent Servir de récepteurs dans le fonctionnement normale de la cellule E x. To x i n e d e c h o l é r a e t v i r u s d e l a g r i p p e Détermine les systems sanguins ABO 1.5- Les protéines membranaires 1.5.1- Les protéines membranaires intrinsèques (PMI) ou intégrales Les PMI sont amphipathiques - Les domaines hydrophiles sont constitués d’acides aminés ioniques et polaires qui ne peuvent s’insérer dans la bicouche lipidique. - Ces domaines hydrophiles débordent sur une face ou sur les 2 faces de la bicouche où ils interagissent avec les substances hydrosolubles (ions, hormones, d’autres protéines, substances de faibles poids moléculaires) - Les domaines hydrophobes qui sont non polaires, sont encastrés et emprisonnés dans la bicouche lipidique où ils produisent des interactions hydrophobes avec les chaînes d’acides gras 3 catégories de PMI: Les PMI monotopiques sont inserrées dans la bicouche avec une seule portion extramembranaire Les PMI bitopiques traversent 1 seule fois la membrane avec une portion de chaque côté de la bicouche lipidique. Elles jouent le rôle de récepteurs (communications intercellulaires, ligands comme facture de croissance, antigènes) Les PMI polytopiques traversent plusieurs fois la membrane et peuvent servir de canaux à travers la bicouche lipidique pour le transport de soluté et d’ions, ou peuvent servir de récepteur 1.5.2- Les protéines membranaires Rôle de PMP: périphériques (PMP) - relation entre cellule et son environnement PMP sont associées aux têtes - support mécanique hydrophiles des lipides ou portions au membrane hydrophiles des PMI sortant de la bicouche lipidique, par des liaisons - enzyme qui transmettent des électrostatiques faibles. signaux de transduction Sur la face externe de la membrane, les PMP font partie de la matrice extracellulaire et peuvent intervenir dans les relations entre la cellule et son environnement Sur la face cytosolique, les PMP procurent un support mécanique à la membrane ou agissent comme des enzymes qui transmettent des signaux de transduction 1.5.3- Les protéines membranaires ancrées dans la bicouche Ancre : maintenir en place Selon le type d’ancre et selon la face de la membrane :  Les protéines liées à un glycophosphatidylinositol (GPI) ancré dans le feuillet externe de la bicouche L’ancre est le glycophosphatidylinositol (GPI) formé de phosphoéthanolamine (en violet) à laquelle la protéine (en bleu) est Gly Cys liée; de phosphatidylinositol (rouge) qui est un phospholipide membranaire et de sucres (en vert), dont le nombre et l'arrangement varient selon les ancres GPI. Ces protéines ont été découvertes grâce à une phospholipase qui reconnaît et hydrolyse spécifiquement les phospholipides à inositol (phosphatidylinositol). Ex: Le PrPc est une protéine ancrée est lié à un GPI  Ancrage par acylation: Ex. La proteincpe v-Src (une Les protéines sytosoliques associées à la membrane tyrosine kinase responsable de plasmique par une chaîne unique d’acide gras cancer chez les poulets et dont le gène est présent dans le virus du stroke do Rous (VRS) L’ancre (acide gras) est attaché à un residue glycine N-terminal (gly) de la proteine. Gly Cys Le myristate (C14) et le palmitate (C16) sont des ancres courantes.  Ancrage par prénylation: Les protéines cytosoliques (ex. Protéines Ras et Rab) sont actées à la membrane par prénylation (polymère d’isoprenes) attaches à un ou deux résidus cysteine (Cys) à l’extrémité C-terminale de la protéines. Les ancres sont des groupements farnesyle et geranylgeranyle 2- Les fonctions de la membrane 2.1- Compartimentation 2.2- Transport des substances à travers la membrane Pour maintenir l'homéostasie, la membrane plasmique ne permet qu'à certaines substances d'entrer dans le cytoplasme ou d'en sortir.  on dit qu'elle est dotée d'une perméabilité sélective ou qu'elle est semi-perméable. l'homéostasie, c’est stabilisation des différentes constantes physiologiques chez les organismes vivants 2.2.1- Transport passif Le transport passif est le passage de substances à travers la membrane sans dépense d’énergie métabolique, l’ATP. Il se passe de 2 façons (par la diffusion simple et la diffusion facilité) et se fait toujours dans le sens du gradient de la concentration de la substance à transporter pour établir son équilibre entre les 2 côtés de la membrane,  La diffusion simple La diffusion simple ou libre est un phénomène physique passif, c-à-d, sans dépense d’énergie métabolique. La diffusion simple n'est possible que si la molécule est soluble dans la membrane phospholipidique, c'est-à-dire qu'elle peut traverser directement la bicouche de phospholipides sans passer par une protéine de transport. Pour cela: 1- la molécule doit être hydrophobe (apolaire); ex: les gaz comme le CO2, le NO, le O2, le N2… Par ex: l’O2 diffuse à travers la bicouche phospholipidique, et son mouvement net se fait vers l'intérieur de la cellule parce que celle-ci l'utilise continuellement afin de produire les molécules d'ATP nécessaires pour combler ses besoins énergétique 2- la molécule doit être suffisamment petite si elle est hydrophile (polaire et non chargée), ex: l’eau, éthanol, urée, méthanol… La diffusion de l’eau à travers la membrane semi- perméable est l’osmose L’eau peut passer directement à travers la bicouche lipidique sans intervention protéique. Les molécules d'eau, comme pour les molécules de solutés dans la dialyse, vont du milieu le plus concentré (en eau) vers le milieu le moins concentré (en eau). C.-à-d., du côté le plus concentré en soluté vers le côté le mois en eau. La force permettant d'exprimer le déplacement de l'eau est la pression osmotique. La diffusion simple a lieu dans les 2 sens mais le mouvement net se fait selon le gradient de concentration du soluté, soit de la région de plus forte concentration (en solutés) vers la région de moindre concentration, et ce jusqu’à ce quel l’équilibre soit atteint.  Diffusion facilitée De nombreux solutés hydrophiles (molécules polaires ou ions) ne peuvent pas diffuser simplement à travers la membrane plasmique. Car, ils sont peu ou non compatibles avec les lipides même s’ils se mêlent bien à l'eau en raison de leur nature chimique. Le déplacement des solutés, parmi lesquels on compte le glucose, les acide aminés et les ions, est « facilité» par la présence de protéines agissant comme des transporteurs non spécifiques ou des transporteurs spécifiques. a) transporteurs non spécifiques: La protéine de transport forme un canal par lequel les molécules de solutés traversent la membrane. C’est un type de transporteur non spéciﬁque b) transporteurs spécifiques: Les transporteurs spécifiques ne peuvent faire traverser qu'une molécule ou un ion précis. Par ex: les aquaporines ne laisse que passer les molécules d’eau à travers la membrane; le transporteur de glucose ne transporte que du glucose, et le canal à K+ ne laisse passer que du K+…  L’osmose par les aquaporines Les aquaporines sont des canaux de perméabilité, qui facilite le passage des molécules d’eau à travers la membranes (diffusion facilitée). Les aquaporines sont des PMI polytopiques dans la bicouche lipidique conférant aux membranes une perméabilité à l'eau. Conclusion partielle: les molécules d’eau peuvent traverser librement la bicouche par diffusion simple ou utiliser les canaux de perméabilité les aquaporines qui facilite le passage (diffusion facilitée). Remarque: lorsqu’une cellule vivante est placée dans un milieu hypertonique (de concentration en solutés plus élevée par rapport à la cellule), elle a tendance à perdre l’eau par plasmolyse. Et lorsqu’elle est placée dans un milieu hypotonique de concentration inférieure, la cellule gagne de l’eau turgescence. Dans les 2 cas  mort de la cellule Pour éviter un gain ou une perte excessive d’eau, pouvant être dommageables, certaines cellules peuvent s’adapter lorsqu’elles se trouvent en milieux hyper ou hypotoniques : on appelle cela OSMORÉGULATION.  Dans certains cas comme le transporteur de glucose, la protéine de transport oscille entre 2 conformations : - en changeant de forme, elle déplace le soluté à travers la membrane. - elle peut déplacer le soluté dans un sens ou dans l’autre et il s’agit d’un transporteur de type spécifique (un seul type de soluté à transporter). Remarque 2: La mutation des gènes codant pour les canaux ioniques peut causer des maladies : La mutation du gène CACNL1A4 codant pour le canal à Ca2+  Migraine hémiplégique familiale (MI-IF); ou  Ataxie épisodique de type-2 (EA-2) = perte d'équilibre et de coordination La mutation du gène CLCN5 codant pour le canal à Cl-  Maladie de Dent (Calculs rénaux) la fibrose kystique, 1 maladie héréditaire, est causée par un dysfonctionnement de canaux à ions Cl- 2.2.2- Transport actif  pompe à solutés. Au cours du transport actif, une molécule se déplace dans le sens contraire de son gradient de concentration. La molécule est déplacée dans le sens contraire de son gradient de concentration par une protéine qui agit comme une pompe forçant le déplacement de la molécule, d’où l’appellation pompe à solutés. C'est ainsi que, par exemple: - l'iode s'accumule dans les cellules de la glande thyroïde; - des monosaccharides sont complètement absorbés dans l'intestin par les cellules qui tapissent le tube digestif - et le sodium (Na+) est parfois complètement retiré de l'urine par les cellules qui forment les tubules rénaux. Ce type de transport actif requiert une protéine de transport et de l'énergie cellulaire libérée par la dégradation de l’ATP. L'une des pompes, active dans toutes les cellules, mais particulièrement associée aux cellules nerveuse et musculaires, déplace les ions Na+ vers l'extérieur de la cellule, où ils sont accumulés, tandis que les ions K+ sont pompés à l'intérieur pour y être amassés Cette protéine = pompe à Na+/K+ ou Na+/K+ ATPase. Pour chaque molécule d'A'I'P dépensée par la pompe, trois ions a+ sont transportés à l'extérieur de la Cellule et deux ions K+sont amenés à l'intérieur. C'est ainsi que le Na+ s’accumule dans le liquide extracellulaire et que le K+ devient plus abondant dans le liquide intracellulaire. Ex. de la Na+/K+ ATPase Les 2 catégories de protéines (canaux protéiques et pompes ) sont réparties en 3 types :  Le transport vésiculaire: transport de macromolécule et de particules Les grosses molécules et les particules, incapables de traverser la membrane par diffusion libre ou à par une protéine, sont exportée ou importées dans la cellule par le transport vésiculaire. Il s'agit également d'un mode de transport actif; par conséquent, il requiert la dégradation de molécules d'ATP (même si le mouvement ne se fait pas nécessairement à l'encontre du gradient de concentration). Ce type de transport comprend l'endocytose et l'exocytose. L’endocytose de particules comme les bactéries = la Phagocytose (« qui mange» L’endocytose du liquide ou de molécules dissoutes, est appelée : la pinocytose (qui «boit»). L’ingestion de ligands se liant à leurs récepteurs spécifiques situés à la surface de la cellules, est l’endocytose par récepteurs interposés L’exocytose est un mécanisme de transport membranaire par lequel des vésicules formées à partir d’autres organites membraneux et contenant des molécules synthétisées ou des structures usées, fusionnent leurs enveloppes avec la membrane cytoplasmique pour les libérer à l’extérieur. B- LE NOYAU 1- Composition Nucléole : segments de gènes des ribosomes, protéines et ARN) Noyau : synthèse des ribosomes et de l’ARNm 2- Mitose et le cycle cellulaire 2.1- Division de la cellule procaryote La cellule procaryote se divise par scissiparité 2.2- Division de la cellule eucaryote Dans la cellule eucaryote l’ADN se trouve sous forme de Chromoses En préparation de la division, la cellule copie son génome entier par réplication de chaque Chromosome  chaque Chromosome comporte 2 chromatides sœurs séparées par un centromère et portant le même assemblage de gènes. Au cours de la mitose, les chromatides sœurs se séparent  formation d’un jeu chromosomique complet dans un noyau à chaque extrémité de la cellule La mitose = division du noyau, suivie de la cytocinèse = division du cytoplasmes 2.3- Le cycle cellulaire Le cycle cellulaire comporte 2 grandes étapes : l’interphase et la mitose  Interphase : - Cellule à l’interphase : accroissement du volume cellulaire, les molécules D’ADN sont répliqués - Le nucléole visible et les chromosomes invisibles car ils sont sous forme de filaments compacts : la chromatine. - Les centrioles sont rapprochés: l’un à côté de l’autre L’interphase peut être subdivisée en plusieurs phases: - La phase G1 (pour gap = espace, pour l'espace entre la mitose et la phase S) au cours de laquelle la cellule augmente de volume. La phase G1 est caractérisée par la synthèse de nombreux éléments de structure (nucléotides, acides aminés…); de régulation (protéines); de synthèse (enzymes nécessaires à la traduction, ADN-polymérases…) Les événements de la phase G1 dépendantes de la disponibilité des nutriments - La phase S (pour Synthèse) : Réplication de l’ADN par les ADN-polymerases capables de polymériser environ 5100 nucleotides par seconde. Chette phase dure 10-12hrs Chaque Chromose se réplique en 2 filaments identiques qui deviennent des chromatides sœurs (Ch. S). Chaque chromatides sœurs est de l’ADN enroulé autour de petites protéines, les histones Les Ch. S commencent à s’enrouler en fibres hélicoïdales denses À la fin de la phase S la cellule a doublé sa quantité de matériel génétique - La phase G2 (Gap 2) : La cellule contient un MG en double copie mais conserve encore son noyau. La cellule se comporte comme lors de la phase G1 (synthèse protéique active) et se prepare à la division  La phase M formée de la mitose et de la cytocinèse http://media.pearsoncmg.com/intl/streaming/erpi/etext/erpi_animations_biologie/bioflix/mitose.mp4 http://media.pearsoncmg.com/intl/streaming/erpi/etext/erpi_animations_biologie/apflix/apflix_ mitosis_vf.mp4 Le centrosomes contenant chacun 2 centrioles séparés et asters  Début de la prophase : Disparition du nucléole et apparition de Chx s/f de longs filaments d’ADN Les centrosomes s’éloignent et début de la formation du fuseau  Milieu de la prophase Chaque Chx contient 2 copies d’AND et est formé de 2 Ch.S reliés par 1 centromère. Une chromatide = 1 copie d’ADN double brin répliquée à l’interphase Les centrosomes aux extrémités de la cellule et le fuseau formé de microtubules en construction  Fin de L’enveloppe nucléaire disparaît la prophase Les Chrx sont maintenant condensés Les microtubules du fuseau s’attachent aux Kinétochores et tirent sur chaque Chx à partir des pôles. Les Kinétochores sont formés de protéines  Métaphase : et d’ADN au centre des centromères.. La construction du fuseau achevée Les Chromosomes alignés sur le plan équatorial Les centromères se séparent et les Ch. S se détachent l’une de l’autre devenant un Chx à  Début de part entière. l’anaphase Les Chx sont tirés le long des microtubules auxquels ils sont attachés.. Les Ch.S devenues Chx, migrent vers les pôles 2 jeux de Chromosomes à une seule chromatide (comme dans la cellule avant la réplication à l’interphase) se forment, un à chaque extrémité.  Fin de l’anaphase Une fois aux extrémités Les Chx redeviennent plus longs pour se dérouler et redevenir des filaments de chromatine. Invagination de la membrane en préparation de la cytocinèse La cytocinèse en cours ; les centrioles se répliquent L’enveloppe nucléaire réapparaît autour de chaque jeux de chromosomes  Télophase : La cytocinèse terminée, complètant ainsi la mitose, c-a-d la division du noyau en 2 noyaux identiques à celui de la cellule mère. Le nucléole apparaît dans chaque cellule ﬁlle  Interphase : Les chromosome parasitent invisibles 2.4- Contrôle de la division cellulaire Il y a 3 principaux points de contrôle du cycle cellulaire. Le pt. De restriction à la ﬁn de la phase G1 À la ﬁn de la phase G2 Et au pt. De transition entre la métaphase et l’anaphase à la phase M De nombreux facteurs physico-chimiques : Disponibilité des nutriments et des facteurs de croissance. Ex: EGF = facteur de croissance de épiderme  cicatrisation Taille des cellules : une certaine taille en G1 synthèse d’ADN en S Densité de la population cellulaire: l’entassement des cellules  compétition pour les nutriments et les facteurs de croissance  inhibition de la division cellulaire  inhibition de contact. Inhibiteurs de la synthèse enzymatique  pas de croissance Point de restriction (R) : la cellule détermine si la cellule poursuit ou arrête sa division. C’est au point de restriction que toute anomalie comme l’ADN mal répliqué, la taille de la cellule insuffisante; absence des facteurs chimiques essentiels…, est détectée. Et en cas d’anomalie la cellule arrête de poursuivre le cycle Lorsque l’ADN est endommagé, la protéine p53 peut déclencher les opérations nécessaires pour le réparer ou l’apoptose (l’autodestruction de la cellule). Remarque: Une mutation dans le gène de la protéine p53 est souvent à l’origine des cancers. Au point de restriction, la cellules peut entre dans un état de repos appelée la phase Go entre G1 et S. La majorité des cellules humaines comme les neurones, les cellules musculaires, sont en phase Go car elles ne doivent pas continuer à se diviser. Mais quand cela est nécessaire , comme dans le cas d’une cicatrisation après une lésion des facteurs environnementaux comme des facteurs de croissance peuvent être libérer pour redémarrer le cycle. Deux types de protéines interviennent dans le contrôle du cycle cellulaire: Les kinase et les cyclines Ces kinases sont généralement inactives. Pour être activées, elles doivent se lier à une cycline  on les appelle Kinases cycline- dépendantes ou Cdk MPF (mitosis-promoting factor) appelé aussi Facteur de Promotion de la Mitose MPF est composé de la cycline et de la kinase cycline-dépendante, également connu sous le nom de cdc2 ou p34 kinase, qui stimule la mitose et la méiose - MPF permet à la cellule de passer de la phase G2 à la mitose (Phase M) en activant certaines enzymes nécessaires par phosphorylation. - MPF devient inactive à la fin de mitose parce que la cycline se dégrade et le reste durant interphase. Elle redevient active à la fin de G2 où la cycline se régénère et durant mitose. 3- la méiose https://www.youtube.com/watch?v=BVO- Ram1L2M - Comme dans la mitose, réplication des chromosomes avant la méiose - Réplication suivie de 2 divisions cellulaires : méiose I et II  4 cellules haploïdes = possédant la moitié du nombre de Chx de la cellule mère - les méiose I et II comportent chacune les 4 étapes de la mitoses : - À l’interphase de la méiose I : réplication de l’ADN  dédoublement de chaque Chx  2 chromatides sœurs génétiquement identiques. 3.1- Méiose I Les chx apparaissent comme de longs filaments bien dans la cellule contenant Debut de l’ADN répliqué. Chaque Chx prophase I contient 2 copies d’ADN - les Chx se condensent et paraissent Milieu plus courts et épais. prophase I synapse = appariement des Chx homologues  chaque paire de Chx comporte 4 chromatides  tétrades Remarque : l’appariement des Chx homologues (synapse) peut entrainer l’enjambement ou entrecroisement  formation de chiasma (la zone où l’enjambement s’est produit). Chiasma Fin prophase I Métaphase I Les centromères ne se divisent pas  les chromatides sœurs (dyades) restent unies Anaphase I Les 2 chx formant la tétrade se séparent l’un de l’autre et se déplacent vers les pôles opposés Enjambement à la prophase  échange de portions de chx par les dyades Dégradation su fuseau sillon de division  la cytocinès commence Télophase I Réapparition de l’enveloppe nucléaire autour de chaque jeu chromosomique aux pôles  chaque noyau contient 1 nombre diploïde de Chx Cellules 2 N Intercinèse Pas de réplication d’ADN 3.2- Méiose II Prophase II Formation de nouveau fuseau dans chaque cellule Métaphase II Les chx sur la plaque équatoriale Clivage de centromères  les Anaphase II chromatides sœurs se séparent et migrent vers les pôles opposés Télophase II Les noyaux se forment aux pôles ; cytocinèse  4 cellules haploïdes Interphase : C- LE CYTOPLASME principale région fonctionnelle située entre la membrane plasmique et la membrane nucléaire. Il contient les substances présentes dans la cellule et abrites la plupart des activités cellulaires et comprend 3 éléments : Le cytosol = liquide visqueux et translucide dans lequel baignent les constituants cytoplasmiques en suspension Les organites = l’appareil métabolique de la cellule. Chaque organite est structuré de façon à exécuter une fonction précise pour l’ensemble de la cellule. Les inclusions : pas éléments fonctionnels mais contiennent les réserves de nutriments, des produits de sécrétion et les granules pigmentaires 1- Le cytosquelette C’est le réseau de fibres qui parcourt le cytoplasme, soutenant la structure et offrant à la cellule divers mouvements en agissant comme l’ossature et la musculature de la cellule. Composition du cytosquelette 3 types de fibres: microtubules, filaments intermédiaires et microfilaments Les microtubules : Les filaments intermédiaires: Les microfilaments: Les fonctions du cytosquelette Maintien des organites et de certaines enzymes cytoplasmiques en place. Mobilité de la cellule entière (agitation des cils et du flagelle) et d’organites à l’intérieur de la cellule Contraction des cellules musculaires Prolongement des pseudopodes dans les amibes Cyclose (courant cytoplasmique) dans certaines grosses cellules végétales Formation de vacuole digestive au cours de la phagocytose 2- les organites producteurs d’énergie Les mitochondries et les chloroplastes sont des organites produisant l’énergie utilisable, respectivement dans les cellules animale et végétale. 2.1- les mitochondries Sites de respiration cellulaire. respiration cellulaire = processus catabolique complexe qui, à l’aide de l’O2, produit de l’ATP en extrayant l’énergie des glucides, des lipides et autres substances. Entourées de 2 membranes : externe et interne. L’interne est repliées sur elle-même  des crêtes et contient beaucoup de protéines  rapport protéines/lipides = 1/15 C’est dans l’interne que l’ATP est synthétisée sous l’action d’une enzyme = ATP-synthase. L’espace délimitée par la membrane interne = matrice contenant diverses enzymes, des ribosomes et de l’ADN-2brin les mitochondries ont leur propre M.G et équipement enzymatique nécessaire pour fabriquer leurs propres ARN et protéines. Les protéines de la membrane interne sont réparties en 3 catégories : 1) Protéines qui réalisent les réactions d’oxydation dans la chaîne respiratoire. 2) Complexe enzymatique ATPsynthase qui synthétise l’ATP dans la matrice de la mitochondrie 3) Les protéines de transport spécifiques qui contrôlent le passage de métabolites vers l’intérieur de la matrice. Le métabolisme oxydatif commence lorsque les acides gras et le pyruvate provenant de la glycolyse, pénètrent dans la mitochondrie où ils sont dégradés en AcéthylCoA. Ce processus complexe peut être divisé en 4 groupes de réactions : La dégradation des acides gras ou du pyruvate en AcéthylCoA La métabolisation de l’AcéthylCoA en CO2 dans le cycle de l’acide citrique est couplée à la réduction des transporteurs d’électrons, NAD+ et FAD, respectivement en NADH et FADH2 Transfert d’électrons du NADH et du FADH2 à l’O2 s’opèrant dans la membrane interne et couplé à un gradient électrochimique de protons = gradient de protons de part et d’autre de le membrane Utilisation de l’énergie accumulée dans ce gradient de concentration protonique transmembranaire pour la synthèse d’ATP, synthèse catalysée par une ATPsynthase La dégradation du pyruvate ou des acides gras en AcéthylCoA La dégradation du pyruvate en AcéthylCoA Le pyruvate provient de la glycolyse Dans les réactions de phosphorylation au niveau du substrat, le groupe phosphate dun réactif intermédiaire est r s n s f e r e à u n e m o l é c u l e d A D P p o u r s y n t h é t i s e r AT P L’oxydation du pyruvate en acétyle-coa A son arrivé dans la matrice, le groupe carboxyle du pyruvate se détache pour former 1 CO2, le NAD+ est réduit en NADH et le coenzyme A se lie pour former 1 acetylcoa. La réaction est catalysée une pyruvate deshydrogenase À son arrivé dans la matrice, le pyruvate réagit avec le Coenzyme A pour former 1 CO2 et 1 AcéthylCoA. La réaction est catalysée une pyruvate déshydrogénase. Dans cette réaction pour 1 pyruvate :1NAD+ NADH Formation de l’acéthylCoA à partir des acides gras les graisses sont des lipides formés d'acides gras et de glycérol. 3 Les microbes produisent des enzymes 2 appelées lipases qui dégradent les graisses : acides gras et glycérol. 1 Les microbes produisent des enzymes extracellulaires appelées lipases qui dégradent les graisses : acides gras et glycérol. Chacun de ces composants traverse la membrane cytoplasmique et est métabolisé séparément Dégradation des acides gras en acéthyCoA dans la -oxydation. À son arrivés dans le cytosol, les acides gras se lient au Coenzyme A pour former un acylCoA qui passe dans la matrice où il subit une série de réactions d’oxydations. Chaque acylCoA oxydé produit 1 acéthylCoA et 1 acylCoA enputé de 2 C, avec réduction d’1 NAD+ en NADH et d’1 FAD en FADH2. L’oxydation se poursuit jusqu’à ce que tous les C soient convertis en acéthyCoA. Acide gras + ATP + CoA-SH Acyl-CoA + AMP + PPi Acyl-CoA – 2 C 1 NADH + 1 FADH2 + 1 Acétyl-CoA Acyl-CoA – 4 C 1 NADH + 1 FADH2 + 1 Acétyl-CoA Acyl-CoA – 6 C 1 NADH + 1 FADH2 + 1 Acétyl-CoA Acyl-CoA – 8 C 1 NADH + 1 FADH2 + 1 Acétyl-CoA 1 Acétyl-CoA dégradation du glycérol 1 NADH 1 NADH 1ATP 1ATP 1 Acéthyl CoA Oxydation de l’AcéthylCoA dans le cycle de l’acide citrique Chaque molécule d’acéthylCoA provenant du pyruvate ou des acides gras entre dans le cycle de l’acide citrique où il est oxydé en CO2. Cette oxydation est couplée avec la réduction de 3NAD+ en 3NADH et de 1FAD en 1FADH2. À l’étape 5, il se produit une phosphorylation. 1 (P) déloge le CoA du succinyl-CoA, et est ensuite transféré à la GDP pour former la GTP. La GTP cède le (P) à l’ADP pour former une molécule d’ATP Transfert d’électrons du NADH et du FADH2 à l’O2 La phosphorylation oxydative est le processus permettant la phosphorylation de lADP en ce a l’énergie libérée par l’oxydation de donneurs d’électrons par la chaîne respiratoire Synthèse de l’ATP Bilan énergétique du glucose Bilan énergétique du glycérol Bilan énergétique des acides gras Acide gras (n C) + ATP + CoA-SH Acyl-CoA + AMP + PPi n–2C 1 NADH + 1 FADH2 + 1 Acétyl-CoA n–4C 1 NADH + 1 FADH2 + 1 Acétyl-CoA n–6C 1 NADH + 1 FADH2 + 1 Acétyl-CoA n–8C 1 NADH + 1 FADH2 + 1 Acétyl-CoA Exercice 2: L’ATP, pilier de l’énergétique cellulaire résulte de la métabolisation de glucides et de lipides. Combien de molécules de glucose un organisme animal devra-t-il métaboliser pour produire la même quantité d’énergie métabolique (ATP) que lorsqu’il utilise une molécule de triarachidine (1 glycérol + 3 acides à 20 carbones, R1 = R2 = R3 = C20) Hydrolyse de la triarachidine donne : 1 glycérol + 3 arachidonates (a. g. à 20 carbones) Exercice 2: Faites le bilan énergétique du 1-stéaroyl, 2-arachidonoyl- glycérol Arachidonate = 20C; stéarate = 18 C Nom d'usage Cn Acide caprylique 8 CH3(–CH2)6–COOH Acide caprique 10 CH3(–CH2)8–COOH Acide laurique 12 CH3(–CH2)10–COOH Acide myristique 14 CH3(–CH2)12–COOH Acide palmitique 16 CH3(–CH2)14–COOH Acide stéarique 18 CH3(–CH2)16–COOH Acide arachidique 20 CH3(–CH2)18–COOH Acide béhénique 22 CH3(–CH2)20–COOH Acide lignocérique 24 CH3(–CH2)22–COOH Acide cérotique 26 CH3(–CH2)24–COOH 1- Vous faites un prélèvement dans les voies respiratoires de votre patient et vous préparez un échantillon d'un ml contenant seulement 100 cellules de K. pneumoniae. Vous en faites une culture et la croissance a duré 16 heures. À la fin de la culture, 1 ml de milieu contient 10000000000 cellules. Calculez le temps de génération de K. pneumoniae dans ce milieu de culture. Calculez le taux de croissance de cette bactérie dans le milieu 2- Calculez le rendement énergétique du métabolisme oxydatif d’un mélange contenant une molécule de 1-palmitoyl, 2-arachidonoyl- glycérol, de 2 molécules de laurate et 1-lauroyl-glycérol. 2.2- les chloroplastes Structure du chloroplaste En comparaison avec une mitochondrie Mitochondrie Chloroplaste Fonction Il est le site de la photosynthèse H2O provient de la terre et des nutriments et est absorbée par les racines CO2 provient de l’atmosphère La photosynthèse comporte 2 phases : - Les réactions photochimiques ou lumineuses - Le cycle de Calvin ou fixation du carbone  Les réactions photochimiques ou lumineuses 1- la lumière absorbée par le chloroplaste déclenche la dissociation de H2O en H+ et O2 sous l’action d’une déshydrogénase, 2- La dissociation de H2O est couplé à 1 transfert d’électrons dans la mbne thylakoïdienne vers 1 récepteur, le NADP+ (Nicotinamide- Adénine-Dinucléotide-Phosphate) Ce transfert d’électrons dans la membrane permet le passage de protons H+ du stroma vers l’intérieur du thylakoïde  un gradient de protons 3- Les électrons sont utilisés par la NADP+ réductase pour réduire le NADP+ en NADPH qui qui jouera un rôle de donneur d’è et de protons dans le cycle de Calvin pour réduire le CO2 en glucides La sortie des protons avec ceux provenant de H2O, permet à l’ATPsythase de produire de l’ATP à partir de l’ADP et du Pi. L’excitation de la chlorophylle par la lumière se produit au niveau des photosystèmes. Les photosystèmes sont des unités photo-réceptrices de la membrane tylakoïdienne. Les photosystèmes (PS) sont constitués de : - 1 centre réactionnel (CR) formé de molécules spécialisées de chlorophylle a - 1 antenne des autres molécules de chlorophylle a , b et d’autres pigments La membrane thylakoïdienne comprend 2 types de PS: I et II Le centre réactionnel du PS I est composé de chlorophylle a = P700 Le centre réactionnel du PS II est composé de chlorophylle a = P680 P700 et P680 sont des molécules de chlorophylle a identiques mais sont associées à de protéines différentes, et se distinguent aussi par leurs positions dans la membrane. Le P680 est une molécule de chlorophylle a située au centre du CR du PS II. Elle est reliée à un pigment la phéophytine (accepteur d'électrons primaire qui est une molécule de chlorophylle a dépourvue d'atome de Mg). Le P680 capte les photons d’une longueur d’onde de 680 nm. Le P700 est une molécule de chlorophylle a qui absorbe bien les photons d’une longueur d’onde se situant aux alentours de 700 nm. - Les pigments absorbent certaines longueurs d’onde : la chlorophylle absorbe la lumière rouge et la bleue mais pas la verte, ce qui lui donne sa couleur verte. La structure chimique des chlorophylles R' = CH3 dans la chlorophylle a H2C CH R' CHO dans la chlorophylle b H3C CH2 CH3 N N Mg H3C N N H CH3 H2C HH O CH2 O R C C H3CO O O CH3 CH3 CH3 R= CH2 C C CH2 (CH2 CH2 C CH2)2 CH2 CH2 C H H H CH 3 L’organisation de l’unité photosynthétique accepteur transfert d’éléctron primaire d’éléctron Centre de chlorophylle réaction du centre de réaction chlorophylles énergie antennes d’excitation Au cours des réactions photochimiques, le transport d’è peut se faire selon 2 trajets :  Transport non cyclique d’è au cours des réactions photochimiques Dans le transport non cyclique, les è passent de l’eau à l’accepteur primaire (la phéophytine) au NADP+ et fait intervenir les 2 PS. Les è quittant les P680 et P700 n’y retournent pas. Ils sont mis en réserve dans le NADP + H qui jouera un rôle de donneur d’è et de protons dans le cycle de Calvin pour réduire le CO2 en glucides. La force proton-motrice créée dans la membrane de thylakoïdes lors du transfert d’è, est utilisée par l’ATPsynthase pour produire l’ATP.  transport cyclique Dans le transport cyclique seul le photosystème I intervient et seul l’ATP est produit. Les è excités quittant les CR P700 y retournent par une chaîne de réactions d’oxydo-réduction située dans la membrane. La chaîne de transport d’è est couplée à un passage de proton H+ à travers la membranes des thylakoïdes  une force proton-motrice. Une ATPsynthase située dans la membrane se sert de cette force proton- motrice pour synthétiser l’ATP. La synthèse d’ATP occasionnée par le transport d’è dans la membrane des thylakoïdes dans les chloroplastes au cours de la photosynthèse, est appelée la Photophosphorylation Le cycle de calvin ou fixation du carbon Le carbone entre dans le cycle de Calvin sous forme de CO2 et en ressort sous forme de glucide à 3 atomes de carbone, appelé phosphoglycéraldéhyde. Cette synthèse se déroule dans le cytosol et utilise, comme source d’énergie l’ATP et comme donneur d’è et de protons H+, le NADP + H+, tous 2 produits au cours des réactions photochimiques dans le choloplaste. Le cycle de Calvin est une suite de plusieurs réactions :  La fixation du dioxyde de carbone Ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) + CO2 2 × 3-phosphoroglycérate (3- PG). La réaction est catalysée par la Rubisco.  Phosphorylation du 3-phosphoglycérate 3-phosphoglycérate (3-PG) + ATP  2 x 1,3-bisphosphoglycérate (1,3-BPG) + ADP  Réduction du 1,3-bisphosphoglycérate 1,3-bisphosphoglycérate + NADPH + H+(aq)  glycéraldéhyde-3-phosphate + NADP+ + Pi  Recyclage du glycéraldéhyde-3-phosphate en ribulose-5-phosphate glycéraldéhyde-3-phosphate ribulose-5-phosphate  Régénération du ribulose-1,5-bisphosphate Ribulose-5-phosphate + ATP  ribulose-1,5-bisphosphate + ADP  Synthèse du glucose-6-phosphate 2 × glycéraldéhyde-3-phosphate → glucose-6-phosphate 3-PG x 2 CO2 O O- ribulose C 2 ATP CH2OPO3 1,5-BP H C OH CH2OPO3 C O CH2OPO3 H C OH 1,3-BPG x 2 H C OH H C OH CH2OPO3 CH2OPO3 2 NADPH O H cycle de Calvin C ATP H C OH GAP x 2 CH2OH C O CH2OPO3 H C OH H C OH CH2OH CH2OPO3 C O HO C H ribulose 5-P fructose 6-P H C OH H C OH CH OPO 3- Les organites de sécretion 3.1- Le reticulum endoplasmique Le RER = site de la biosynthèse des membranes Les enzymes qui fabriquent les phospholipides des membranes sont de protéines intrinsèques de la membrane du RE les phospholipides fabriqués ds le RE, et destinés au feuillet extn de la bicouche y sont transportés par des protéines appelées flippases Le RER = site de la synthèse de protéines Maturation des protéines dans le RER Le RER contient des enzymes dans la lumière (L) ou dans la membrane (M): Peptidase signal (M) : enlèvement du peptide signal à la portion N- terminale de la protéine naissante Oligosaccharyltransférase (M): ajout de glucides à la protéine naissante  glycoprotéines; glycotransférase : ajout de sucres à la chaîne Les chaperons moléculaires (L) : reconnaissance de protéines non pliées ou mal pliées et leur offrent la possibilité d’acquérir leur structure tridimensionnelle correcte passage de la protéine naissante vers la lumière du RER PID = Isomérase des liaisons disulfure protéiques (L)  formation et la restauration des liaisons disulfure entre les résidus cystéines de la chaîne polypeptidiques Le REL Le REL est très développe dans un certain nombre de types cellulaires, comme ceux du muscle squelettique et des glandes endocrines qui produisent des stéroïdes Les enzymes du REL diffèrent d'une cellule a 1'autre en relation avec les fonctions particulières de l'organite : La synthèse d’hormones stéroïdes comme œstrogène: les cellules des testicules et des ovaires sont riches en REL La synthèse des phospholipides membranaires; des graisses et d’autres lipides. La détoxification, dans le foie, de composés organiques comme les barbiturates et 1'etnanol, dont 1'utilisation chronique peut entraîner une prolifération du REL dans les cellules du foie La détoxification, avec la transformation de molécules toxiques en molécules atoxiques, en partie grâce au cytochrome P450. Cela a surtout lieu dans le rein et le foie Le REL joue un rôle dans le métabolismes des glucides: il emmagasine les glucides sous forme de glycogène. - Le glucose est libéré à partir du glucose 6-phosphate dans les cellules du foie sous l’action de la glucose 6-phosphatase. - En cas de besoin en énergie chimique : le glycogène scindé par la phosphorylase  G-1-P converti en glucose G-6-P dans le cytoplasme. - le sucre phosphorylé ne peut quitter la cellule hépatique; la membrane plasmique est imperméable aux phosphates de sucres. - La glucose 6-phosphatase des membranes du REL enlève le groupement phosphate et donne des molécules de glucose qui passent dans le flux sanguin pour être transportées vers les tissus de 1'organisme. Rôle dans le métabolisme du calcium: beaucoup de protéines fixant le calcium permettent de le stocker dans le RE. La régulation du calcium avec l'Inositol-tris-phosphate (IP3) déclenche des réactions cellulaires spécifiques, comme la fusion des vésicules de sécrétion à la membrane plasmique, la contraction des cellules des muscles squelettiques, le contrôle de la prolifération cellulaire, l'apoptose, et le métabolisme cellulaire. 3.2- Les ribosomes la biogenèse des ribosomes a lieu dans le nucléole Composition: protéines et d‘acide ribonucléique (site actif catalysant la formation des liaisons peptidiques). C’est-à-dire que le site du ribosome portant l’activité catalytique (peptidyl- transférase) est constitué d'ARN. Fonction: Structure: Polysome ou polyribosome: Biosynthèse des protéines: Le matériel génétique des cellules est constitué d'ADN sur lequel l'information génétique se traduit par les gènes. L’l'information génétique est inscrite dans les gènes sous forme de codons consécutifs de trois nucléotides. Chaque codon correspond à un acide aminé précis et la correspondance entre codons et acides aminés constitue le code génétique. L’ensemble des codons = cistrons  Transcription de l'ADN en ARNm l'ADN est tout d'abord transcrit en ARN messager par une ARN polymérase Chez les eucaryotes, l’ARNm subit une série de modifications post- transcriptionnelles: Ajout d'une coiffe ou 5'-cap (1 nucléotide modifié, la 7- méthylguanosine) à l'extrémité 5' des ARNm. Cette coiffe est le site de fixation des ribosomes pour initier la traduction. Polyadénylation = ajout d’une queue poly(A) qui est une succession de nombreux ribonucléotides de type Adénosine (A) à l'extrémité 3' des ARNm, Épissage = enlèvement des introns  Aminoacylation des ARNt Transfert de chaque acide aminé sur l’ARNt correspondant par une aminoacyl-ARNt synthétase spécifique  Traduction de l'ARNm  Modifications post-traductionnelles  Repliement des protéines produites. 3.3- L’Appareil de Golgi Complexe glogien  une pile de sacs aplatis, entouré de petites vésicules Fonctions: trier, modifier, emballer, diriger et expédier les protéines en provenance du RE 3.4- Les organites de dégradation 3.4.1- Les lysosomes Les lysosomes sont des vésicules contienant des hydrolases qui dégradent les particules ingérées au cous de la phagocytose. Absence d’hydrolases dans les lysosomes  maladie de surcharge. Absence de lipases  maladie de Tay-Sachs  accumulation de lipides dans les cellules  dysfonctionnement du cerveau Absence de glucosidase  glycogénose  accumulation de glycogène dans le foie 3.4.2- les peroxysomes Presque toutes les cellules de type eucaryote contiennent des péroxysomes Ces organites appelés aussi «microbodies», sont riches en enzymes particulières, notamment la catalase et certaines oxydases qui assurent diverses fonctions : Utilisation et détoxification de l'oxygène moléculaire Ils sont des sites d'utilisation de l'O2 et du H2O2 lors de réactions d'oxydations. Les peroxydases catalysent la formation du peroxyde d'hydrogène en enlevant des atomes d'hydrogène à des substrats organiques toxiques au cours des réactions d'oxydation: S-H2 + O2 S + H2O2 Les substrats S-H2 sont potentiellement toxiques pour la cellule et leur oxydation détoxifie. H2O2 est très réactive; elle est utilisée par les polynucléaires pour détruire les bactéries Catabolisme de l'acide urique Les purines (adénine, guanine) sont catabolisées en acide urique. L'acide urique produit en excès provoque la goutte, la lithiase (calculs rénaux) ou les insuffisances rénales au cours de la chimiothérapie des leucémies. Chez la plupart des animaux , l'acide urique est dégradé par les peroxysomes en allantoïne soluble dans les urines grâce à l'urate oxydase. ß-oxydation des acides gras à très longues chaînes Les peroxysomes réalisent la β-oxydation des acides gras à très longue chaîne par un mécanisme similaire à celui de la mitochondrie. la synthèse des acides biliaires dans cellules du foie à partir du cholestérol la dégradation des protéines et des acides aminés par des amino- oxydases la synthèse des plasmalogènes Remarques: transport et fusion des vésicules la vésicule de transport contient des protéines particulières associées à la membrane, qui contrôlent son guidage et sa fusion. Les mouvements des vésicules de transport sont assurés par des microtubules 1'accrochage est le 1er stade du processus de fusion des vésicules, exigeant une spécificité entre la vésicule et le compartiment cible Cette spécificité est en partie due à une famille de protéines de fixation au GTP appelée Rab. Les protéines Rab jouent un rôle essentiel dans le guidage des vésicules de transport et leur ciblage/ancrage avec les membranes réceptrices Les protéines clés qui assurent la fixation de la vésicule de transport à la membrane cible, sont appelées SNAREs qui sont des PMI SNARE = acronyme dérivé de: «Récepteur soluble d’attachement du NSF» NSF = N-ethylmaleimide Sensitive Factor ou facteur sensible du N- ethylmaleimide On divise les SNARE en 2 catégories, les v-SNARE, qui s'incorporent aux membranes des vésicules de transport pendant le bourgeonnement, et les t-SNARE, localises dans les membranes des compartiments cibles. D- Les cellules dans leur environnement 1- La matrice extracellulaire (MEC) La matrice extracellulaire (MEC) est l’espace extracellulaire composé d’un ensemble de protéines et de polysaccharides variés synthétisés localement et associés avec la surface de la cellule qui les a produits. Les macromolécules qui composent la MEC sont principalement produites par les fibroblastes qui sont des cellules du tissu conjonctif (tissu reliant les différents organes ou les éléments d’un même organe). Les fibroblastes dans le cartilage sont des chondroblastes et ceux dans les os sont des ostéoblastes. 1.1- Les polysaccharides de la MEC Les polysaccharides de la MEC sont liés aux protéines formant des complexes protéines-polysaccharides appelés protéoglycanes. Un protéoglycane est formé d’une molécule protéique axiale à laquelle s’attachent des chaînes de glycosaminoglycanes (GAG). À cause de la nature acide des GAG, les protéoglycanes sont capables de fixer des quantités énormes de cations qui, à leur tour attirent des masse de molécules d’eau. Pour cette raison les protéoglycanes forment un gel hydraté poreux résistant à la compression. 1.1.1- glycosaminoglycanes (GAG) Les 5 types de polysaccharides qui sont des GAG ont été identifiés : l’acide hyaluronique, la chondroïtine sulfate, le dermatane sulfate, l’héparane sulfate, et le kératane sulfate Un glycosaminoglycane est composé de la répétition d’un disaccharide dans lequel les 2 sucres simples sont différents. 1.1.2- l’acide hyaluronique Il facilite la migration cellulaire au cours de la morphogenèse et de la cicatrisation des tissus. Il intervient aussi dans la résistance des tissus et des articulations, aux forces de compression. 1.2- les protéines de la MEC  Les protéines de structure Le collagène est le principale constituant de la MEC. Il est principalement produit par les fibroblastes. Comme l’élastine, il confère aux tissus leur élasticité.  Les protéines d’adhérence La fibronectine et la laminine sont des protéines d’adhérence permettant aux cellules de se fixer à la MEC. 1.3- les protéoglycanes Ce sont des complexes protéines-polysaccharides formés d’une molécule protéique centrale à laquelle sont attachée des chaînes des GAG. À cause de la nature acide des GAG, les protéoglycanes sont capables de fixer des quantités énormes de cations qui, à leur tour attirent des masse de molécules d’eau. Pour cette raison les protéoglycanes forment un gel hydraté poreux résistant à la compression. 2- Adhérence cellulaire 2.1- Adhérence aux substances non cellulaires Certains éléments de la MEC : la fibronectine, la laminine et le collagène se lient à des récepteurs situées à la surface des cellules. en fonction des conditions locales et des ligands extracellulaires, les types d’intégrines varient: (α1 β1), (α1 β2), … - les intégrines se lient à leur ligands qui sont des protéines de la MEC: le collagène, la fibronectine et la laminine, ainsi que d’autres protéines. - ces protéines contiennent une séquence tripeptidique: Arginine-glycine-acide aspartique (RGD), par laquelle elles se fixent aux intégrines. - La liaison des intégrines a leurs ligands est dépendante de cations bivalents extra-cellulaires (Ca2+ ou Mg2+, selon les intégrines). - les intégrines sont également impliquées dans la production de 2 types de structures adhésives : les adhérences focales et les hémidesmosomes Les adhérences focales - lorsqu’une cellule (ex : cellule épithéliale) est en culture au fond d’une boîte sur un support solide : - au début : forme arrondie comme si elle était en suspension dans 1 liquide - Avec le temps la cellule émet des attaches de plus en plus solides. Elle s’aplatit et s’étale sur le substrat - Le contact entre la cellule et les support solide n’est pas continu. - La membrane plasmique est en contact étroit avec la surface solide en des sites dispersés et discontinus = contacts focaux (CF) ou adhérences focales, constitués d’actine - Au niveau des contacts focaux, les filaments d’actine du cytosquelette sont unis aux matériaux extracellulaires par l’intermédiaire des intégrines transmembranaires. - Les interactions entre les intégrines transmembranaires et la MEC sont régulées par un groupe de protéines intracellulaires : Taline, - actinine, vinculine, KAF (Kinase d’Adhésion Focale), et paxilline. - les intégrines sont également impliquées dans la transmission des signaux de l’environnement externe vers l’intérieur de la cellule à travers les CF. - Les signaux sont transmis à travers les membranes par des changements de conformation. La liaison du domaine extracellulaire d'une intégrine à un ligand (exemple une fibronectine ou une laminine), peut induire un changement de conformation à l'extrémité cytoplasmique de l'intégrine. Ces changements peuvent, à leur tour, modifier les interactions entre l'intégrine et des protéines cytoplasmique proches, comme la kinase des adhérences focales (KAF) La liaison des intégrines à un ligand extracellulaire peut activer des protéine kinases cytoplasmiques, comme KAF, susceptibles ensuite de phosphoryler d'autres protéines et de déclencher une réaction en chaîne. Dans certains cas, la réaction en chaîne aboutit au noyau et peut activer un groupe spécifique de gènes. Les signaux transmis par les intégrines (et par d'autres molécules de la surface cellulaire) peuvent avoir un effet sur de nombreux aspects du comportement cellulaire, comme la motilité, la croissance, changement de forme de la cellule et même la survie de la cellule. Pour que les cellules puissent se déplacer et changer de morphologie, les complexes d’adhésion focale doivent être réarrangés. Ceci nécessite la transduction de signaux à l’intérieur de la cellule pour permettre une modification du cytosquelette, l’extension d’un processus cellulaire et la formation de nouveaux points d’adhésion focale à des sites distants. De nombreuses protéines de signalisation Src, FAK, PI3K, Grb2, Sos, MAP (mitogen-activated protein = protéine kinase activée par des mitogènes), Ras-GTP, Raf…, sont à la fois activées par l’engagement des intégrines et les facteurs de croissance extracellulaire. Hémidesmosoms Les hémidesmosomes ou demi-desmosomes relient la surface basale des cellules épithéliales à la lame basale et sont formés de kératine. La lame basale est une couche protéique flexible qui sépare les cellules du tissus conjonctif. Elle est formée du collagène du type IV, de protéoglycanes à héparane sulfate, de la laminine et d’entactine. Les filaments de kératine (filaments intermédiaires), servent principalement de support dans les hémidesmosomes et sont unis à la MEC par des intégrines de type 64. Dans les cellules épidermiques, les intégrines et une autre protéine membranaire (BP 180) sont unies aux filaments intermédiaires du cytoplasme par une protéine : la Plectine contenue dans la plaque Les intégrines 64 transmettent également des signaux de la MEC qui affectent la forme et l’activité des cellules épithéliales fixées 2.2- Adhérence intercellulaire Les protéines d’adhérence  4 types de protéines d’adhérence impliquées dans le contact entre les cellules : les sélectines, les (IgsF), les intégrines et les cadhérines. 2.2.1- les sélectines Les sélectines = glycoprotéines membrnaires intrinsèques reconnaissant les ligands glucidiques à la surface des cellules. Ces ligands glucidiques sont situés aux extrémités des chaînes d’oligosaccharides des glycoprotéines membranaires 2.2.2- Les Immunoglobulines IgSF IgSF = protéines mbnres intrinsèques présentes sur les lymphocytes et participent à la réponse immunitaire. Certaines Ig interviennent dans les interactions entre les lymphocytes et d’autres cellules immunitaires comme les macrophages ou les cellules cibles dans la réponse immune. D’autres IgSF comme NCAM (neural cell-adhesion molecules) ou molécules d’adhésion des cellules nerveuses, interviennent dans l’adhésion entre cellules non immunitaires comme les neurones ou cellules musculaires. Différentes protéines sont des ligands pour les IgSF. Ex: une IgSF peut servir de ligand à une autre IgSF 2.2.3- Les cadhérines Ce sont des glycoprotéines impliquées dans les adhérences intercellulaires avec l’aide des ions Ca2+ et dans la transduction des signaux. Plusieurs types des cadhérines : 2.2.4- Les jonctions d’adhérence et les desmosomes Il est difficile de séparer une cellule d’un tissu parce que les cellules sont fortement maintenues entre elles par des pontages d’adhérence intercellulaire. Il existe 2 types de pontages d’adhérence intercellulaire : Les jonctions d’adhérence et les desmosomes Les jonctions d’adhérence : Les jonctions d’adhérence encore appelées Zonulae adherens forment une ceinture autour de chaque cellule épithéliale et l’unissent à d’autres cellules. Dans ces jonctions d’adhérence, sont impliquées les cadhérines par leurs segments extracellulaires. Les domaines cytoplasmiq des cadhérines sont reliés aux filaments d’actine du cytosquelette par une protéine de liaison appelée caténine (α et β). La caténine β est également impliquée dans la voie de transmission de signaux de la surface au noyau de la cellule. Les desmosomes : - Les desmosomes ou maculae adherens sont des points de contact intercellulaire en forme de bouton- pression. - Les cadhérines - Au niveau des desmosomes, la membrane plasmique comporte une structure appelée plaque servant à l’ancrage des filaments intermédiaires. - Les filaments intermédiaires sont reliés aux domaines cytoplasmiques des cadhérines par 2 autres protéines : la Desmoplakine et la plakoglobine Complexe de jonction III-ADAPTATIONS DES FONCTIONS CELLULAIRES A- Contraction musculaire et mobilité 1- Introduction 3 types de muscles : Les muscles squelettiques, cardiaques et lisses Ces 3 types de muscles diffèrent par : Ces 3 types de muscles ont des points communs : To u t e s l e s c e l l u l e s m u s c u l a i r e s = m y o c y t e s , o n t u n e f o r m e a l l o n g é e , o n l e s a p p e l l e ﬁ b r e s musculaires - la contraction musculaire est asssure par 2 types de myoﬁlaments : les ﬁlaments minces et ﬁlaments épais Ces myoﬁlaments contiennent 2 types de protéines motrices : actine et myosine, qui jouent un rôle dans la mobilité et changement de forme cellulaire Les fonctions des muscles : Production de mouvement : - muscles squelettiques  locomotion - muscles cardiaques  battements réguliers du muscle qui assure la circulation sanguine - muscles lisses  pression pour le déplacement de substances comme les aliments, urines, le fœtus…, dans l’organismes. Maintien de la posture Stabilisation des articulations Dégagement de chaleur Les propriétés des muscles : L’excitabilité - c’est la faculté de percevoir un stimulus et d’y répondre - un stimulus est un changement dans le milieu interne ou dans l’environnement dû à une hormone, un neurotransmetteur, un modification du pH local… La contractilité = L’extensibilité = L’élasticité = 2- Les composantes du muscle Modèle: muscle squelettique Le muscle est constitué de plusieurs faisceaux maintenus ensembles par une gaine de tissu conjonctif appelée épimysium = enveloppe du muscle Le faisceaux = ensemble de fibres musculaires entouré par 1 tissu conjonctif appelé périmysium Chaque fibre musculaire = longue cellule avec plusieurs noyaux et entourée d’une enveloppe appelée endomysium. La fibre musculaire résulte de la fusion de fusion d’un grand nombre de cellules embryonnaires. La membrane plasmique de la fibre musculaire = sarcolemme Le cytoplasme de la fibre musculaire = sarcoplasme Le sarcoplasme abrite de réserves importantes de glycogène et de myoglobine, les myofibrilles, les mitochondrie et réticulum sarcoplasmique La myoglobine = protéine qui se lie à L’O2  = 1 pigment rouge qui constitue de réservoir d’O2 dans la fibre musculaire Les myofibrilles sont formées de 2 types de myofilaments : les filaments épais et les filaments fins les filaments épais sont formés d’une protéine = myosine et sont disposés le long des myofibrilles de façon alignée mais ne se touchent pas Longueur qu’occupent les ﬁlaments Stries A épais et les myoﬁbrilles Stries IE s p a c e a u x e x t r é m i t é s d e s ﬁlaménts epais Les ﬁlaments minces sont formés d’une protéine = actine et sont également disposés le long des myoﬁbrilles, insérés entre le ﬁlalaments épais Stries H ou zones claires E s p a c e a u x e x t r é m i t é s d e s ﬁ l a m e n t s m i n c e s a u t r a v e r s d e s ﬁ l a m e n t s é p a i s Ligne M 2L i g n e q u i d i v i s e l e s t r i é H e n 2 Ligne Z L i g n e q u i d i v i s e l a s t r i e I e n 2 L’espace entre 2 lignes Z qui couvre les ﬁlaments épais et la moitié de la strie I à chaque extrémités des ﬁlaments épais, s’appelle sarcomere et représente l’unité contractile de la cellule musculaire et l’unité fondamentale du muscle 3- Production d’énergie Lors de la contraction musculaire, l’énergie servant à l’activité contractile et au fonctionnement de la pompe à calcium, est produite par l’ATP. Cet ATP est généré suivant 3 voies : L a v o i e d e l a c r é a t i n e - p h o s p h a t e ; l a v o i e d e l a r e s p i r a t i o n anaerobie et aérobie la voie de la créatine-phosphate : 2 puryvates La C-P est une molécule hautement énergétique dans les muscles. Lorsque l e m é t a b o l i s m e d e m a n d e AT P p o u r u n e (2) (1) activité musculaire, une réaction qui 2 acide lactique Krebs v a C P à AT P d e p r o d u i t instantanément 2 ATP C.P + ADP créatine + ATP Chaîne respiratoire Créatine kinase la voie da la respiration aérobie (1) 36 ATP la voie da la respiration anaérobie (2) Lorsque l’activité musculaire est intense et instantanée (plongeon) ne durant que quelque secondes, l’énergie nécessaire est fournit par l’ATP de la voie de la créatine-P. les autres mécanismes de production d’énergie n’ont pas le temps de s’activer. Les activités qui nécessitent des efforts intermittents tels que le football, la nage de 100 m, le tennis…, sont alimentées par la glycolyse anaérobie qui produit l’acide lactique. Les épreuves de longue durée comme le marathon dans lesquelles l’endurance et non la puissance, est essentielle, font appel à la glycolyse aérobie et à la phosphorylation oxydative. 4- la mobilité et transduction d’énergie Les filaments épais: constitués de myosine (200 molécules chaque) excerce la tension exercée lors de la contraction de la cellule musculaire. La molécule de myosine comme un bâton de golf est constituée de 2 chaînes polypeptidiques enroulées l’une autour de l’autre avec têtes de myosine ou ponts d’union = sites actifs de la myosine qui comportent les sites de liaison d’actine. Les ponts d’union comportent les sites de liaison d’actine, des sites de liaison de l’ATP et des enzymes ATPase qui hydrolysent l’ATP pour produire l’énergie nécessaire à la contraction musculaire. Les filaments minces : constitués de chaînes d’actine portant des sites de liaison sur lesquels les têtes de myosine se fixent lors de la contraction. Un filament mince comporte également 2 protéines de régulation :  2 brins de tropomyosine = une protéine cylindrique qui est enroulée autour des chaînes d’actine.  1 complexe de 3 polypeptides de troponine : L a Tn T s e l i e à l a t r o p o n i n e e r s ’ a l i g n e a v e c l a c t i n e L a Tn C s e l i e a u x i o n s Ç a 2 + l o r s d e l a r é g u l a t i o n L a Tn I e s t u n e s o u s u n i t é d ’ i n h i b i t i o n q u i s e l i e à l a c t i n e La tropomyosine et la troponine contribuent à la régulation des interaction myosine-actine qui se produisent lors de la contraction Lorsqu’une cellule musculaire se contracte, chaque sarcomère A raccourcit : Comme la longueur de leur sarcomères, les myofibrilles raccourcissent également, de H même que l’ensemble de la cellule. Z Z Mais les filaments épais et minces ne changent pas de longueur, pendant que les sarcomères se contractent. La théorie de la contraction par Z glissement des filaments a été Z énoncée en 1954 par Hugh Huxley. Selon cette théorie, les filaments mines glissent le long des filaments épais durant la contraction, de sorte que les filaments d’actine et de myosine se chevauche d’avantage jusqu’à ce que les stries H disparaissent dans les strie A qui couvrent la longueur des filaments épais. Glissement des filaments : Quand la fibre musculaire est stimulée par le système nerveux, les têtes de myosine s’accrochent aux sites de liaison sur l’actine formant les filaments minces et le glissement s’amorce : Pendant la contraction, chaque tête de myosine s’attache et se détache plusieurs fois et exerce chaque fois, une tension pour tirer le filament mince vers le centre du sarcomère. Le phénomène se déroule simultanément dans les sarcomères de toutes les microfibrilles et la cellule raccourcit. Les têtes de myosine ont besoin d’ions Ca2+ pour se fixer à l’actine. L’influx nerveux qui déclenche la contraction, provoque l’augmentation de la quantité de Ca2+. Les ions Ca2+ sont libérés du réticulum sarcoplasmique qui en constitue une réserve grâce à la pompe à calcium, la Ca2+/ATPase. L’arrivée de l’influx nerveux à la fibre musculaire provoque l’ouverture des canaux de libération de Ca2+ du R.S et cela déclenche la contraction. Lorsque la concentration de Ca2+ est faible, la cellule musculaire reste au repos parce que le complexe troponine-tropomyosine s’interpose entre les têtes de myosine et les sites de liaison de l’actine. Lorsque les Ca2+ sont libérés, ils se lient aux sites de régulation de la troponine, cela modifie la conformation de la troponine et la détache momentanément de l’actine. Et les têtes de myosines qui sont fortement attirées par les sites de liaison sur L'énergie nécessaire au glissement des filaments ADP et Pi formés lors du cycle de contraction précédent B- Transduction des signaux L’une des fonctions de la membrane est d’abriter des récepteurs protéiques impliquées dans les communications inter-membranaires Des molécules extracellulaires de transmission : protéines, peptides, a.a, dérivés d’a.a, stéroides, nucléotides, gaz (Co, No…), sécrétées par des cellules de transmission et reconnues par des récepteurs de surface des cellules cibles 2 catégories de transmission : Transmission à distance par l’intermédiaire de ligand qui voyage vers le récepteur de la cellule cible transmission par contact : le ligand reste lié à la cellule de transmission Dans un cas ou dans l’autre, une réponse physiologique est déclenchée dans la cellule cible après la liaison du ligand au récepteur. Ce processus = transduction du signal Cette appellation signifie que la nature de la molécule informative reçue à la surface de la cellule cible est totalement différente du signal libéré à l’intérieur. 1- Transmission de molécules informatives 4 types de transmission : autocrine, paracrine endocrine et synaptique 1.1- Transmissions autocrine et paracrine Dans la transmission autocrine le ligand agit sur la cellule de transmission que l’a synthétisé Dans la transmission paracrine le ligand agit sur d’autres cellules présentes dans l’environnement immédiat de la cellule de transmission qui l’a synthétisé. le ligand ne doit pas voyager loin  elle est rapidement captée par les cellules avoisinantes ou inactivée par les enzymes ou immobilisée dans la matrice extracellulaire. 1.2- Transmission synaptique - transmission de signaux sur de longues distances - dans la transmission synaptique les cellules nerveuses ou neurones entrent en contact avec les cellules cibles très éloignées, par l’intermédiaire de leurs axones - un neurone activé  impulsions électriques (potentiel d’action) le long de son axone  sécrétion de signal chimique = neuromédiateur - les terminaisons nerveuses rejoignent les cellules cibles au niveau des synapses. 1.2.1- Organisation et fonction du neurone Les neurones présentent 4 régions distinctes qui remplissent chacune une fonction particulière: le corps, l’axone, les dendrites et les terminaisons axonales spécialisées  Le corps cellulaire contient le noyau et la majeur partie des ribosomes, des lysosomes et du réticulum endoplasmique. C’est dans le corps cellulaire que s’effectue la synthèse de presque toutes les protéines, de la membrane neuronale et des macromolécules qui seront transportées à d’autres régions du neurone  L’axone = prolongement qui transmet les impulsions électriques de la cellule et est parcouru par des microtubules et des microfilaments sur toute sa longueur Les microtubules Ce mouvement appelé transport axoplasmique centrifuge, est essentiel au renouvellement des membranes et des enzymes des terminaisons axonales Les microfilaments Ce mouvement inverse constitue le transport axoplasmique centripète La fonction propre des axones est de conduire des impulsions électriques appelés potentiels d’action, jusqu’à leur extrémité Le potentiel d'action, c’est un signal électrique unidirectionnel parcourant les axones, qui provoque la libération de neurotransmetteurs au niveau des synapses. Les signaux électriques sont transmis soit au neurone suivant d’un circuit nerveux, soit à la jonction neuro-musculaire d’une cellule musculaire, soit à n’importe quel type de cellule.  Les dendrites sont implantées sur le corps cellulaire. Elles reçoivent les signaux et les transmettent au corps cellulaire du neurone suivant par l’intermédiaire des terminaisons axonales  Les terminaisons axonales finissent par les boutons synaptiques et conduisent le potentiel d’action vers la synapse. 1.2.2- les synapses Une synapse est la jonction entre 2 neurones Dans le bouton synaptique de la synapse, il y a des vésicules synaptiques dans lesquelles est stocké un messager chimique, le neurotransmetteur, qui a été synthétisé et conditionnés par le neurone présynaptique Le bouton synaptique est très proche du neurone poste-synaptique sans toutefois le toucher. Le neurone poste-synaptique est celui qui reçoit le signal en provenance de la synapse L’espace entre le neurone présynaptique et le neuro-postesynaptique = fente synaptique, la portion de la membrane de neurone post- synaptique, située en face de bouton synaptique = membrane post- synaptique. Lorsque l’influx atteint les terminaisons du neurone présynaptique, les canaux à Ca2+ s’ouvrent  entrée des Ca2+ entrent dans le bouton synaptique  libération du neurotransmetteur par exocytose dans la fente synaptique. Le neurotransmetteur se lie à des récepteurs spécifiques de la membranes post-synaptique  déclenche l’ouverture des canaux à cations  entrée des ions Na+  dépolarisation de la membrane post-synaptique  excitation la cellule qui va produire un potentiel d’action La dépolarisation est une modification du potentiel de membrane qui tend à lui donner un signe opposé à celui observé au repos (potentiel de repos) Le potentiel de repos correspond au potentiel de membrane d'une cellule excitable, en l'absence de stimulation. 1.3- La transmission endocrine Les cellules endocrines permettent aussi la transmission des signaux à longue distance et contrôlent ainsi le comportement de l’organisme dans son ensemble. Elles secrètent des molécules informatives appelées hormones dans le sang de l’animal ou dans la sève du végétal, qui transportent le signal vers les cellules cibles distribuées à travers l’organisme 1.3.1- les hormones Hormone = message chimique, sécrétée et transportée dans le sang pour activer une activité biochimique ou physiologique dans la cellule cible.  Les hormones hydrosolubles Des macromolécules comme l’insuline, les hormone de croissance, le glucagon, petites molécules chargées comme l’adrénaline… Leurs récepteurs à la surface des cellules cible, sont liés soit à une protéine G soit un RTK. Leur effet est immédiat et nécessite une substance intracellulaire, le second messager (l’AMPc, CMPc, DAG, IP3, Ca2+ …)  Liaison d’hormone au récepteur de surface lié à protéine G La liaison de l’hormone au récepteur de surface  augmentation de la concentration intracellulaire du second messager suite à l’intervention d’une enzyme intracellulaire. Le second messager provoque la modification rapide de l’activité d’une ou plusieurs protéines conduisant à une réponse physiologique. - Exemple 1: l'AMPc comme intermédiaire Epinéphrine et glucagon stimulent Hydrolyse du glycogène dans les cellules du foie. L’AMPc synthétisé induit une réponse dans la cellule en déclenchant une série de réactions. L’AMPc active une enzyme: la protéine kinase dépendante de l’AMPc: protéine kinase A (PKA). Actions de la PKA dans les cellules: 1ère action : 1) La PKA phosphoryle la phosphorylase kinase pour l’activer. 2) La phosphorylase kinase active la glycogène phosphorylase par ajout d’1 phosphate à 1 résidu sérine spécifique. 3) la glycogène phosphorylase activée détache des molécules de glucose du glycogène par hydrolyse. 2ième action : La PKA phosphoryle la glycogène synthase pour l’inactiver et empêcher la polymérisation du glucose en glycogène. D’autres exemples de réponses induites par les hormones avec l'AMPc comme intermédiaire - Epinéphrine stimule l’augmentation de la contractilité dans le muscle cardiaque - Epinéphrine et le glucagon stimulent le catabolisme du triacylglycérol dans les cellules adipeuses - Dans les reins, la vasopressine (ADH), une hormone anti-diurétique augmente la perméabilité des cellules épithéliales à l’eau - Dans la thyroïde, la TSH (thyroid stimulating hormone) stimule sécrétion des hormones thyroïdiennes Une autres voie de transmission du signal AMPc est la synthèse d’enzymes Une partie des molécules de PKA activées par l’AMPc entrent dans le noyau, où elles catalysent la phosphorylation de protéines nucléaires clés. L’exemple de la CREB (cAMP response element-binding protein, ou protéine de fixation à un élément de réponse à l'AMPc). Les éléments de réponse sont des sites de l'ADN où les facteurs de transcription, après leur fixation, augmentent le taux d'initiation de la transcription. La forme phosphorylée de la CREB se fixe à des endroits de l'ADN qui possèdent une séquence nucléotidique particulière (TGACGTCA) qui est l'élément de réponse à l'AMPc (CRE, ou cAMP-regulated enhancer). Les CRE sont situés dans les régions régulatrices de l'ADN qui contrôlent l'expression des gènes qui jouent un rôle dans la réponse à l'AMPc. Dans les cellules de foie, par exemple, plusieurs enzymes impliquées dans la gluconéogenèse, qui aboutit à la production de glucose à partir des intermédiaires de la glycolyse, sont codées par des gènes proches de CRE. Conclusion : Non seulement l'épinéphrine et le glucagon activent les enzymes cataboliques impliquées dans la dégradation du glycogène, mais ils conduisent aussi à la synthèse des enzymes anaboliques nécessaires à la production du glucose à partir de précurseurs plus petits. - Exemple 2: Messagers secondaires dérivés du phosphatidylinositol Lorsque l’acéthylcholine se fixe sur une cellule du muscle lisse tapissant les vaisseaux sanguins contraction du muscle et rétrécissement du vaisseau Lorsqu’1 allergène se fixe à la surface d’1 mastocyte histamine allergie Les Ca2+ diffusent dans le cytoplasme pour s’unir à différentes molécules et déclencher différentes réponses spécifiques : la contraction du muscle lisse; la libération d’histamine par les mastocytes. Les Ca2+ jouent un rôle important dans des activités cellulaires remarquablement diverses en stimulant divers processus par l’intermédiaire de la calmoduline et de ses homologues : Comme la contraction des muscles, la division cellulaire, la sécrétion, l'endocytose, la fécondation, la transmission synaptique, le métabolisme et les mouvements cellulaires. Le DAG (1,2-diacylglycérol) est une molécule lipidique qui reste dans la membrane plasmique après l’hydrolyse du PiP2 par la PI-PLC-. Il active un effecteur, la PKC (Ca2+-dépendante) en présence des Ca2+. La PKC catalyse la phosphorylation des résidus sérine et thréonine des protéine cibles. Comme la PKA, la PKC est une sérine et thréonine kinase multifonctionnelle qui active par phosphorylation une large gamme de protéines. L’augmentation des Ca2+ dans le cytoplasme induite par IP3 provoque le déplacement de la PKC du cytoplasme vers la face interne de la membrane Là, elle est activée par le DAG en présence des Ca2+. la PKC active par phosphorylation d’autres protéines impliquées dans plusieurs réponses cellulaires spécifiques comme: La libération de la sérotonine par plaquettes sanguines. la libération de l’histamine par les mastocytes La sécrétion de l’insuline par le pancréas La libération de la dopamine par les neurones L’hydrolyse du glycogène en glucose dans les cellules du foie La contraction des muscles lisses Le DAG, qui porte le plus souvent un groupement stéaroyl en position 1 et un arachidonoyl en position 2, est ensuite dégradé par une phospholipase A2 cytosolique (cPLA2). L’acide gras (arachidonate) résultant de la dégradation du DAG par la cPLA2 est le substrat principal de la biosynthèse d’hormones paracrines (prostaglandines, prostacyclines, thromboxanes et leucotriènes) La principale prostaglandine produite par les mastocytes est la D2 qui recrute les cellules TH2, les éosinophiles et les basophiles qui en possèdent le récepteur (PTGDR). La prostaglandine D2 joue un rôle critique dans le développement des maladies allergiques comme l'asthme. Le leucotriènes, surtout B4 et C4, interviennent de manière importante en soutenant les réactions inflammatoires dans les tissus. De nombreux médicaments anti-inflammatoires sont des inhibiteurs du métabolisme de l’arachidonate. L'aspirine, par exemple, bloque la production des prostaglandines en inhibant la cyclo-oxygénase.  Récepteurs des surface couplés aux enzymes : les récepteurs tyrosine Kinase ou RTK Les récepteurs tyrosine kinase (RTK) sont des récepteurs transmembranaires Lorsqu'il

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