المحاضرات المتعلقة بمقياس Biologie cellulaire (الجزء4)
Les flagelles
Les flagelles et les cils sont des expansions membranaires extracellulaires qui possèdent la propriété de battre. La différence entre les deux structures est la taille qui conditionne le mode de fonctionnement : le flagelle est plus long que la longueur d’onde du battement, il ondule; le cil est plus court, il bat. La forme du flagelle est assurés par une charpente de microtubules, l’axonème (image ci contre), au coeur de l’expansion membranaire. Le centre est occupé par un doublet de microtubules enveloppé d’un manchon protéique. Ce doublet est entouré d’un cylindre de 9 doublets de microtubules partiellement fusionnés. Ces doublets sont reliés entre eux par des bras de dynéine et avec le doublet central par les bras rayonnants. À la base du flagelle, dans le cytoplasme, se trouve le corps basal. Il est constitué de 9 triplets de microtubules disposés en cylindre. De microtubules de chaque triplet sont en continuité avec ceux des doublets periphériques de l’axonème, le doublet central s’arrête à la limite du cytoplasme et n’arrive pas au corps basal.
Les flagelles battent par glissement des doublets de microtubules entre eux. C’est la dynéine, qui en hydrolysant l’atp, assure ce glissement. L’axonème étant cylindrique et le glissement se produisant dans le même sens relatif pour tous les doublets, la structure devrait se vriller. Ce sont les autres proétines qui transforment ce vrillage en battement.
Les fonctions intracytoplasmiques
Les microtubules sont impliqués dans la répartition des éléments intracytoplasmiques. Ils sont responsables d’une part de l’intégrité des structures cellulaires, d’autre part des mouvements intracytoplasmiques, comme montré dans le cas du fuseau mitotique. Les microtubules sont associé à un moteur protéique constitué de kinésine. Ce moteur utilise les microtubules comme rails pour déplacer des organites ou d’autres microtubules. Les microtubules constituent donc le système majeur de répartition intracellulaire.
Les microfilaments
Les microfilaments sont des filaments fins (9 nm) constitué d’actine, éventuellement ramifiés. Ils sont impliqués dans des mouvements de grande ampleur impliquants la déformation de la structure cellulaire : contraction, migration, pseudopode, à l’exception des mouvements des cils et flagelles dont le moteur est constitué de tubuline. Leur polymérisation et leur dépolimérisation permet à la cellule de contrôler la fluidité du cytoplasme et de générer des mouvements qui permettent à la cellule de migrer. A cela s’ajoute l’effet des protéines motrices qui augmentent leurs possibilités
Constitution
Les microfilaments sont constitués d’un coeur d’actine associé à diverses protéines accessoires. Le monomène d’actine est l’actine G (pour globulaire). Cette protéine est tellement conservée au cours de l’evolution que l’on peut obtenir des structures fonctionnelle en mélangeant l’actine G provenant de plusieurs espèces. La polymérisation de l’actine produit un brin en forme de double hélice. L’actine F (pour fimanent) est stabilisé par un filament de tropomyosine inséré dans le sillon large de la double hélice. Diverses protéines assurent le coiffage du filament (structure en bout de filament pour stabiliser sa longueur), le pontage de deux filaments pour construire des structures en 2 ou 3 dimensions et des protéines d’ancrage à d’autres structure.
Les myosines
es propriétés contractiles des filaments d’actine sont dûes à une famille de protéines motrices spécifiques : les myosines. Contrairement à l’actine, les myosines sont très diversifiées. Les différences jouent sur le système de régulation de la contraction que sur l’organisation spatiale des filaments de myosine. Le monomère de myosine est constituée d’une longue queue, portant deux têtes flexibles à une extrémité, la molécule est en forme de Y. La tête flexible possède un site de liaison à l’actine et un site pour l’atp, c’est elle qui est responsable de l’aspect moteur de la protéine, la queue ayant une fonction d’ancrage.
Bien que les modes de régulation soient très diversifiés, le fonctionnement de tous les types de myosine est similaire. En présence de calcium et d’atp, la tête de la myosine s’accroche au filament d’actine. L’hydrolyse de l’atp provoque la rotation de la tête et sa séparation du filament d’actine. Le départ de l’adp de la tête de la myosine lui permet de reprendre sa forme initiale. A la fin du mouvement, la molécule de myosine a glissé le long du filament d’actine. Le sens d’accrochage du filament d’actine par rapport à la myosine est polarisé. Pour que le mouvement ait lieu, il est indispensable que les deux éléments actine et myosine soient correctement orientés.
Les molécules de myosines forment 3 types de structures en fonctions des besoins de la cellules :
Les molécules se disposent tête beche pour former un dimère. Plusieurs dimères peuvent s’assembler en cylindre pour former un filament epais. Les têtes de la myosine sont situées aux extremités du filament. La migration de l’actine à lieu en sens opposée à chaque extremité du filament. Ce type de structure se trouve notamment dans le muscle strié.
Les dimère de myosine se disposent pour former un ruban. La polarité est différente de chaque côté du ruban. Ce type de structure est présent dans les muscles lisses et les cellules musculaires.
Pour les minimyosines, forme de myosine avec une queue réduite, il n’y a pas de formation de structures multimoléculaires. Ces minimyosines utilisent les filaments d’actine pour transporter des organites.
Structures
Les microfilaments sont inclus dans deux grands réseaux filamenteux: un reseau sous membranaire et les cables de stress.
Le réseau sous membranaire est un réseau de filaments d’actine situé sous la membrane plasmique. Il constitue une charpente similaire à la charpente des domes géodésiques. Ce réseau permet à la cellule de contrôler sa forme et de participer au déplacememt.
Les cables de stress sont des filaments d’actine qui traversent le cytoplasme. Ils sont ancrés d’un coté à la membrane plasmique au niveau des points focaux et de l’autre à un point focal de la membrane opposé ou à une structure cytoplasmique appelé corps dense. Les points focaux sont des assemblages de protéines dont l’une d’entre elle, la taline est transmembranaires. Chez les animaux, la partie extracellulaire de ces protéines est relié à la matrice extracellulaire ce qui assurent la continuité mécanique du tissu de par et d’autre de la membrane plasmique. Le cable de stress est constitué d’une succession de corps denses composés d’alpha actinine. Ces corps denses servent d’ancrage à des filaments fins d’actine, l’extrémité + est fixée aux corps dense. L’actine ne relie pas deux corps denses, mais s’arrête au milieu d’entre eux ou se trouve l’extrémité – du filament, ce sont des rubans bipolaires de myosine qui assurent la continuité du cable. Les cables sont disposés de façon à résister aux forces qui s’exercent dans la cellule.
D’autres structures impliquent les filaments d’actine : les voiles de migration des fibroblastes, les spikes des neurites en croissance, les stéréocils des cellules auditives, etc…
La synthèse des protéines chez les eucaryotes
La synthèse des protéines chez les eucaryotes ressemble à celle des procaryotes. Elle s’en distingue toutefois par plusieurs différences. Tout d’abord, je vais citer les points communs avec les procaryotes pour ne plus avoir à y revenir. Comme eux, les eucaryotes commencent par transcrire leur ADN en ARN pour obtenir une copie de travail qui sera traduite. Les ribosomes fonctionnent également de la même façon, même si ceux des eucaryotes sont plus légèrement plus gros (80S au lie de 70). Il y a toutefois trois différences fondamentales :
La présence d’un noyau limité par une double membrane empêche que la traduction – qui a lieu dans le cytoplasme – débute avant la fin de la tran******ion.
L’ARN résultant de la tran******ion n’est pas utilisable immédiatement. Il doit d’abord subir une maturation.
Les protéines synthétisées peuvent potentiellement être intégrées à n’importe quel organite de la cellule. Il faut donc que la protéine y arrive sans erreurs.
Pour résoudre ces différents problèmes, la cellule eucaryote a développé différents mécanismes très performants.
La maturation des ARN messagers
Juste après la tran******ion, le messager est une copie conforme du
brin d’adn. Toutefois, la particularité du génome d’eucaryote est d’être en mosaïque, chaque gène est constitué de morceaux codant pour la protéine – les exons – séparés par des morceaux d’adn ne participant pas au codage de la protéine – les introns. Pour pouvoir synthétiser une protéine, il faudra auparavant supprimer ces introns. Lors de la tran******ion, ces introns restent dans le code, ils ne seront éliminés que pendant la phase de maturation ultérieure.
Dans un premier temps, les introns vont être éliminés et les exons raccrochés bout à bout pour reconstituer la continuité de la molécule d’arn. Cette phase s’appelle l’épissage. La façon dont la cellule reconnaît les introns au sein de l’arn pré-messager encore mal connue. Plusieurs types d’introns sont connus, et au moins l’un d’entre eux, le type II, possède les capacités catalytiques nécessaires pour s’exciser lui même. Plus fort, certains introns de type II codent pour des protéines qui leur permettent de s’insérer ailleurs dans le génome, on a donc un gène caché à l’intérieur d’un autre gène. Les bactéries ne sachant exciser les introns, leurs propriétés d’insertions sont utilisées en génie génétique pour inactiver certains gènes de façon spécifique.
La maturation du messager ne se limite pas à l’épissage. L’ARN sera précédé d’une coiffe et une ARN polymérase va lui ajouter une queue constituée d’une succession de bases adenosyle répétées plusieurs centaines de fois. Ces modifications permettent de protéger l’armm contre la dégradation. EN effet, le cytoplasme est bourrée d’enzyme de dégradation de l’arnm. La présence de la coiffe et de la queue va permttre à l’arnm de survivre plusieurs dizaines de minutes. Les ARN qui en sont dépourvus, comme ceux des virus, sont eux dégradées en quelques minutes seulement.
Les gènes en mosaiques présentent d’autres intérêts qui vont au delà de juste compléxifier la tran******ion ou de fournir des outils au biologiste moléculaire. Au moment de l’épissage, la cellule pourra choisir de ne pas intégrer tous les exons dans l’arnm final, mais seulement quelques uns. Le choix exact des exons dépend du type et de l’état de la cellule, cette faculté est l’épissage alternatif, il permet à un gène de synthétiser plus d’une protéine. Par ailleurs, il semblerait que le découpage du gène en exon ne se fasse pas au hasard, mais qu’il corresponde à peu près aux domaines fonctionnels des protéines. Cela aurait des implications dans la construction des protéines complexes au cours de la phylogenèse.
On peut signaler que les eucaryotes ne sont pas les seuls à posséder des gènes en mosaïques. Ils partagent cette propriété avec les archéobactéries. En fait, il semblerait que ce modèle soit le plus ancien, les gènes continus des bactéries étant apparus par simplification pour optimiser leur métabolisme et peut être aussi comme une adaptation aux hautes température. En effet, les arnm d’eucaryotes ne survivent pas suffisamment longtemps au delà de 60°C pour achever leur maturation. L’arnm des procaryotes se dégrade à la même vitesse, mais n’ayant pas à subir de maturation, ils peuvent contourner cette dégradation accélérée en utilisant l’arn sans attendre qu’il soit entièrement synthétisé.
L’adressage des protéines
Les protéines des eucaryotes doivent après leur synthèse atteindre leur cible finale, le cytoplasme, la membrane ou un organite quelconque. Il peut y avoir des membranes à traverser. En fait, c’est le cas pour la plupart des protéines, seules les protéines cytoplasmiques sont produites directement sur leur lieu d’utilisation, mais même pour elle, leur localisation n’est pas due au seul hasard, autrement l’organisation de la cellule serait passablement perturbée.
On peut imaginer un système de trans******** qui permettrait aux protéines de passer les membranes qui les empêchent d’atteindre leur cible. Une fois les membranes traversées, il n’y a plus de problème, la localisation dans le compartiment membranaire ou liquidien de l’organite dépend de l’hydrophobicité de la protéine. De tels systèmes de trans******** existent en effet. On les trouve sur les membranes des principaux organites : noyau, réticulum, mitochondries, plastes. Grossièrement, ces systémes sont constitués d’un pore qui permet à la protéine en cours de synthèse de traverser la membrane et d’une protéine de contrôle qui sélectionne les chaines protéines qui peuvent passer le pore.
Il reste un problème : comment fonctionne le système de contrôle ? Il ne peut pas connaitre toutes les protéines spécifiques d’un organite, elles sont beaucoup trop nombreuses, de plusieurs centaines pour la mitochondrie à plusieurs dizaines de milliers pour le noyau. Sauf bien sûr, si les protéines spécifiques d’un organite ont toutes un point commun. Ce point commun ne se situe pas dans l’eut structure tridimensionnelles, d’une part cela serait trop contraignant pour leur fonctionnement et leur variété, d’autre part la reconnaissance se produit alors que la synthèse est en cours, à un stade ou la proéeine est encore linéaire. Les chercheurs ont donc eu l’idée d’étudier la séquence de toutes ces protéines et plus spécialement du début de la protéine puisque c’est la seule partie disponible au moment de la synthèse. Ils ont constatés que les arnm des protéines exportées vers le réticulum codait pour 12 acides aminés de plus que n’en contenait la protéine finale. Ils ont finit par indentifier une séquence consensus qui débute toutes les protéines communes au réticulum : le peptide signal, aussi appelé signal de localisation. Il s’agit d’une séquence consensus, cela signifie que toutes ces protéines ne débutent pas par cette même séquence, mais par une séquence qui lui ressemble fortement, même si quelques acides aminés peuvent être remplacés par d’autres de la même famille. Cette séquence est éliminée très tôt puisqu’en fin de synthèse elle n’existe déjà plus.
Le phénomène qui permet aux protéines d’atteindre leur cible finale est l’adressage. Il fonctionne de la façon suivante : toute protéine spécifique d’un organite débute par une séquence signal ou peptide signal spécifique de la cible. Il peut y en avoir plusieurs à la suite pour affiner la destination. Les protéines de la matrice des mitochondries par exemple ont deux membranes à traverser et donc deux trans********s à subir. Pour le réticulum c’est encore plus complexe, une protéine exportée dans sa lumière pourra soit être intrisèque au réticulum, soit au golgi, soit intégrées aux vésicules d’exocytoses, soit aux lysosomes, soit à la membrane, chaque cas correspond à un peptide signal qui suit celui du signal de localisation réticulaire plus général. Dès que le peptide signal est synthétisée, il est reconnu par le système de trans******** qui fait traverser le pore à la chaine protéique. Tout de suite après la traversée du pore, il est excisé par un complexe enzymatique. A partir de là, la synthèse se poursuit la chaine étant injectée dans le pore au fûr et à mesure de son élongation.
Il est finalement amusant de constater que la cellule, pour acheminer une protéine à sa destination finale, utilise la même technique que l’homme pour acheminer son courrier : elle marque l’adresse dessus
Transmission intracellulaire de l’information
Notion de récepteur et de second messager
Une cellule en plus de faire transister des molécules à travers sa membranes doit savoir ce qui se passe à l’extérieur. La membrane constitue le seul élément en contact avec l’extérieur. Celle-ci est dotée de molécules spécialisées dans la detection des evènements externes et la transmission de l’information à l’intérieur de la cellule en vue d’une réaction spécifique. Certains phénomène detectés sont capables de traverser la membrane comme la lumière ou les hormones stéroïdes, ils ne feront pas l’objet de ce chapitre.
Les récepteurs
Le terme récepteur en biologie désigne une molécule capable de fixer une autre molécule et d’emettre un signal quand la molécule spécifique (ou ligand) se fixe sur le site de reconnaissance. Les ligands peuvent être des ions, des métabolites , des hormones, des neurotransmetteurs ou des facteurs de croissance, des anticorps voire des molécules bactériennes ou virales. En fait tout ce qu’il est nécessaire à la cellule de détecter dispose d’un récepteur qui lui est propre ou tout au moins à la famille moléculaire à laquelle appartient le ligand. Pour un ligand donné, il peut de plus y avoir plusieurs récepteurs qui différent par leur sensibilité, leur régulation ou leur expression spatiale (variation des cellules qui possèdent ce récepteur) ou temporelle (variation du récepteur dans le temps). Il existe donc un très grand nombre de récepteur et leur étude est un des domaine de recherche les plus actif en biologie moléculaire.
Une même molécule peut avoir des effets divers dans un organisme. A chaque action correspond en général un type différent de récepteur. Cela explique l’interêt des récepteurs pour la médecine (en particulier psychiatrique). La decouverte d’une molécule qui agit sur un seul type de récepteur permet d’obtenir un effet thérapeutique maximal tout en limitant les effets secondaires. Les molécules qui permettent d’etudier ces récepteurs appartiennent au groupe des toxines. Les toxines sont des molécules qui n’ont aucune homogéneité chimique. Elles sont définies par leurs propriétés : à la fois très spécifiques, agissant sur un seul type ou une seule famille de récepteur et également très sensibles, la concentration nécessaire pour produire leur effet est très basse. Les toxines sont à la base de la classification des récepteurs. Ainsi, les deux grande familles de récepteurs de l’acétylcholine ont été différenciées par leur sensibilités à deux toxines : la nicotine (extraite du tabac) et la muscarine (un alcaloide extrait de l’amanite). A l’intérieur de ces deux grands groupes, il existe différents sous types de récepteurs qui sont différenciés par d’autres toxines.
Les seconds messagers
Une hormone, un neurotransmetteur ou toute autre molécule reconnue par un récepteur, se fixe sur la seule partie accessible du récepteur, la partie extracellulaire. Pour que la cellule puisse prendre connaissance de cette fixation, le signal doit être transmis à l’intérieur de la cellule. L’activation du récepteur va declencher une cascade de réaction métabolique qui va avoir pour résultat de libérer une molécule précise dans le cytoplasme. Cette molécule va pouvoir transmettre l’information à tous les effecteurs cellulaires. Elle est nommée second messager car elle transmet l’information portée par le premier messager : le ligand du récepteur. Il existe plusieurs seconds messagers correspondant à différents types de récepteurs cellulaires. L’autre fonction du second messager est de provoquer une amplification du signal recu : chaque molécule du ligand va activer un seul exemplaire du récepteur qui va produire plusieurs molécules de second messagers. En fonction de l’enzyme activée par le récepteur pour produire le second messager, on va distinguer plusieurs catégories de récepteurs.
Les récepteurs à sept domaines transmembranaires
Premiers à être découverts, ils sont en conséquence mieux étudié. Leur nom viens de ce que leur structure spatiale est très homogène à travers toutes les espèce de la bacterie à l’homme, ils sont constitués d’une chaine protéique unique traversant la membrane plasmique à sept reprises. Pendant longtemps on a cru qu’ils étaient le seul type de récepteur cellulaire. Tous ont en commun le fait que l’enzyme produisant le second messager n’est pas portée par le récepteur lui même. Elle constitue une protéine indépendante, le couplage entre le récepteur et l’enzyme s’effectuant par une protéine particulière nommée Protéine G. On distingue deux grandes familles de récepteurs en fonction l’enzyme activée pour synthétiser le second messager : les récepteurs activant l’adénylate cyclase et les récepteurs activant la phospholipase C.
Les récepteurs à adénylate cyclase
Ces récepteurs ont été decouverts par Sutherland dans les années 1950 et sont à l’origine de la notion de second messager. Sous l’action de l’adrénaline, la phosphorylase hépatique peut liberer hydrolyser le glycogène et produire du glucose. L’adrénaline se fixe sur la membrane et la phosphorylase est cytosolique. Par broyat et centrifugation, Sutherland sépare la membrane et le cytosol. L’adrénaline appliquée sur le cytosol n’a aucun effet, l’adrénaline n’agit pas directement sur l’enzyme. Sur les membranes isolées, il va faire agir l’adrénaline et il recupère le cytosol résultant de cette action. Ce cytosol ajouté au premier cytosol va declencher l’activation de la phosphorylase. Il en conclut que la fixation de l’adrénaline sur la membrane va provoquer la synthèse d’une molécule qui va diffuser dans le cytosol et activer la phosphorylase. Il nomme cette molécule un second messager. Des expériences ultérieures montreront que ce second messager est une molécule déja connue à l’époque, l’ampc ou AMP cyclique.
l’ampc est une molécule produire par l’adénylate cyclase à partir de l’atp cytosolique. Il s’agit d’une molécule d’amp, mais l’unique phosphate est relié à la fois aux carbone 3 et 5 du ribose. L’adénylate cyclase est une protéine membraire localisée dans la demi membrane interne de la membrane plasmique. Toutefois, elle n’est pas portée par le recepteur membranaire. Ainsi que l’a montré Rodbell dans les années 1960, trois molécules sont impliquées dans la synthèse de l’ampc : le recepteur à l’adrénaline, l’adénylate cyclase et une système de couplage. Le principe de fonctionnement est celui decrit dans la figure ci contre. La fixation du ligand sur le récepteur active la proéine Adenylate Cyclase (AC) qui produit de l’ampc. Cet ampc va activer toute une famille de protéines, les protéines kinase A (PKA) qui sont directement responsable des effets cellulaires. Une autre protéine, la phosphodiestérase, va degrader l’ampc en AMP, stoppant ainsi son effet. Dans cette de******ion, le système de couplage est indeterminé. Rodbell montrera qu’il s’agit d’une qui protéine hydrolyse le GTP et l’appelera donc protéine G. La protéine G est un hétérotrimère (constituée de trois chaines protéiques différentes) dont les chaines sont nommées α, β et γ. Le site d’hydrolyse du GTP est porté par la chaine α.
Le fonctionnement du système a pu être totalement élucidé. Au repos, le site enzymatique est occupé par du GDP. La fixation de l’adrénaline sur son support va provoquer un changement de conformation des protéines qui va provoquer l’expulsion du GDP et son remplacement par du GTP. Sous l’action du GTP, la sous unité α de la protéine G va être libérée du complexe et activer l’adénylate cyclase. L’ampc synthétisé est libéré dans le cytosol ou il va activer ses différents effecteurs (dans le cas du foie, la phosphorylase). Au bout d’un temps variable, la protéine G hydrolyse le GTP en GDP et le complexe avec les chaines beta et gamma se reforme. L’activité de l’adénylate cyclase s’arrète, l’ampc cytosolique est éliminé du cytoplasme par conversion en AMP et l’effet de l’adrénaline cesse totalement.شارك الموضوع في:
الأربعاء نوفمبر 10, 2010 8:34 am
