La cellule 2- Compartimentation et organisation de la cellule

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1 La cellule 2- Compartimentation et organisation de la cellule

2 Cellule eucaryote LE CYTOSQUELETTE (1) Toutes Les cellules eucaryotes ont un squelette interne : le cytosquelette. Forme de la cellule, Capacité à se mouvoir, Aptitude à ordonner ses organites. Composé d'un filament protéique Constitué à partir d'un monomère Filament d'actine Actine Microtubules Tubuline Filament intermédiaire Vimentine ou lamine. Des milliers de protéines identiques s'assemblent pour donner de longs filaments qui peuvent s'étirer d'un coté à l'autre de la cellules. Les filaments connectent des complexes protéiques et des organites dans différente régions de la cellule et servent de rails pour le transport entre eux. Il procure un système mécanique particulièrement important pour les cellules animales qui n'ont pas de parois rigide. Armature interne du cytoplasme qui le soutient comme une charpente.

3 LE CYTOSQUELETTE (2) Filament d'actine (ou microfilament) : polymère hélicoïdaux à deux brins d'actine. Diamètre 2-9 nm. Dispersé dans la cellule et surtout concentré sous la membrane plasmique. Microtubules : cylindres creux, diamètre 25nm. Plus rigide que l'actine. Longs et rectilignes. Une extrémité liée à un centre organisateur appelé centrosome. Filament intermédiaire : fibre cordée d'un diamètre ~ 10 nm. Donnent leur résistance mécanique a cellules.

4 LE NOYAU (1)

5 LE NOYAU (3) : lamina nucléaire Filaments de lamine

6 LE NOYAU (2) LE NOYAU (4) : Le nucléole Le nucléole, un sous compartiment du noyau est un appareil de production de ribosomes Contrairement aux autres organites cellulaire, le nucléole n'est pas limité par une membrane. Il semble être constitué par des précurseurs ribosomaux qui s'associent spécifiquement pour former un grand réseau. Ribosome eucaryote

7 LE NOYAU (4) : Le nucléole Le nucléole, un sous compartiment du noyau est un appareil de production de ribosomes DEPLACEMENT DES PROTEINES DANS LA CELLULES (1) Toutes les protéines naissent sur les ribosomes du cytosol (à l'exception d'un petit nombre d'entre elles qui sont synthétisées sur les ribosomes des mitochondries). Leur sort ultérieur dépend de leur séquence d'acides aminés, qui peut contenir un signal de tri. Ce dernier permet le transport des protéines dans des sites situés à l'extérieur du cytosol. Les protéines qui n'ont pas de signal de tri restent donc dans le cytosol comme protéines résidentes. RE : réticulum endoplasmique = Transport à ouverture contrôlée = Transport transmembranaire = Transport vésiculaire

8 DEPLACEMENT DES PROTEINES DANS LA CELLULES (2) 3 modes de déplacement d un compartiment à l autre : transport à ouverture contrôlée : circulation de protéines entre le cytosol et le noyau, espaces équivalents et en continuité grâce aux complexes des pores nucléaires. Transport transmembranaire : transport de protéines spécifiques directement à travers une membrane, passant ainsi du cytosol à un compartiment distinct. Exemple : transport de protéines du cytosol vers la lumière du réticulum endoplasmique ou vers les mitochondries. Transport vésiculaire : transport d un compartiment à un autre par des vésicules de transport. Les protéines transportées ne traversent ainsi aucune membrane, elles se déplacent au sein de compartiment topologiquement équivalents. = Transport à ouverture contrôlée = Transport transmembranaire = Transport vésiculaire TRANSPORT DES MOLECULES A L'INTERIEUR ET A L'EXTERIEUR DU NOYAU : transport à ouverture contrôlée L'enveloppe nucléaire d'une cellule de mammifère peut contenir entre 3000 et 4000 pores. Le noyau incorpore 10 6 molécules d'histone depuis le cytosol toutes les 3 mn. > d = Transport à ouverture contrôlée = Transport transmembranaire = Transport vésiculaire Les molécule < ~ d entrent librement 5000 instantanée d : équilibre en 2 mn d : équilibre en 30 mn. Complexe nucléaire : plus de 100 protéines différentes. Masse molaire : 125 x 10 6 daltons

9 Les protéines nucléaires contiennent des signaux de localisation nucléaire, qui ne sont présents que dans les protéines nucléaires. Le signal peut être localisé n importe où dans la séquence d acides aminés est comporte de 4 à 8 acides aminés. MITOCHONDRIE (1) Cylindres rigides et allongés d'environ 0,5 à 1µm Extrêmement mobiles et malléables qui changent constamment de forme et fusionnent même les uns avec les autres. Représente ~ 22% du volume cellulaire total. Sa membrane > 32% de la surface membranaire totale. Dans l'intestin, au cours de la digestion, les grosses molécules sont dégradées en sous unités monomériques : lipides en acides gras, polysaccharides en sucres simples. Ces petites molécules résultantes pénètrent dans le cytoplasme où elles subissent une dégradation plus poussée : les glucides sont convertis en pyvurates Les pyruvates pénètrent dans les mitochondries où ils sont oxydés en CO 2 + H 2 O. L'énergie libérée est utilisée très efficacement puisque 30 molécules d'atp sont produites à partir de chaque molécule de glucose oxydée.

10 MITOCHONDRIE (2) Limitée par 2 membranes hautement spécialisées qui définissent 2 compartiments : Espace matriciel interne ou matrice Espace intermembranaire Membrane externe Membrane externe Crête Matrice Espace intermembranaire

11 MITOCHONDRIE (3) Matrice : Contient un mélange concentré d'enzymes, en particulier celles nécessaire à l'oxydation des pyruvates Ainsi que le matériel génétique Membrane interne : Nombreuse crêtes qui augmentent la surface totale. Fabrication de l'atp Protéines qui contrôlent le passage dans les deux sens Membrane externe : contient les enzymes impliqués dans la synthèse mitochondriale des lipides et des enzymes qui convertissent des substrats lipidiques en des formes qui sont métabolisées, par la suite, dans la matrice. Espace intermembranaire : contient plusieurs enzymes qui utilisent l'atp, exporté de la matrice, pour phosphoryler d'autres nucléotides MITOCHONDRIE (4) Les mitochondries sont souvent associées aux microtubules : (A) Mitochondrie colorée par un colorant vital : la rhodamine 123, (B) Même cellule étudiée par immunofluorescence et marqué par un anticorps fluorescent qui se fixe sur les microtubules.

12 GENOME DES MITOCHONDRIES Les mitochondries croissent et se divisent en deux par un processus coordonné qui nécessite la contribution des 2 systèmes génétiques séparés : celui de la mitochondrie et celui du noyau de la cellule. La plupart des protéines sont codées par l'adn nucléaire, synthétisées dans le cytosol puis importées individuellement dans la mitochondrie. Certaines protéines (avec leurs ARN) sont codées directement dans l'organite lui même. Le génome mitochondrial contient environ nucléotides, code pour 2 ARN ribosomiques, 22 ARN de transfert et 13 chaînes polypeptidiques différentes. Chez les mammifères, l ADN mitochondrial constitue moins de 1% de l ADN cellulaire total. TRANSPORT TRANSMEMBRANAIRE CYTOSOL MITOCHONDRIE = Transport à ouverture contrôlée = Transport transmembranaire = Transport vésiculaire Un peptide signal à l'extrémité de la protéines (20 à 80 résidus) est reconnu par un récepteur qui se trouve dans la membrane externe. La protéine est transloquée à travers les 2 membranes mitochondriales au niveau, ou a proximité, de sites de contacts particuliers Activé d'abord par le gradient électrochimique, puis par hydrolyse d'atp. Le peptide signal est éliminé dans la matrice pour former la protéine mature.

13 AUTRE PROCESSUS TRANSMEMBRANAIRE : CYTOSOL PEROXYSOMES Peroxysome : 1% du volume cellulaire. Différent des mitochondrie : entouré d'une seule membrane, ne contient ni ADN ni ribosome. Les peroxysomes contiennent une ou plusieurs enzymes qui dégrade des molécules d'acides gras et les exportent vers le cytosol pour être utilisés dans les réactions de biosynthèse. Une séquence spécifique de 3 acides aminés, localisée près de l extrémité carboxyterminale de la plupart des protéines peroxysomales, fonctionne comme un signal d importation LE RETICULUM ENDOPLASMIQUE (1) Microscopie en fluorescence d'une cellule de mammifère colorée avec un anticorps fluorescent qui se fixe à une protéine retenue dans le réticulum endosplasmique Microscopie électronique du réticulum endoplasmique rugueux. Les points correspondent à de multiples ribosomes qui recouvrent la surface cytosolique.

14 LE RETICULUM ENDOPLASMIQUE (1) LE RETICULUM ENDOPLASMIQUE (2) Toutes les cellules on un réticulum endoplasmique (RE). Sa membrane constitue plus de la moitié de la membrane totale d'une cellule animale. Le RE est organisé en un réseau de : tubules branchés saccules horizontaux qui s'étend dans tout le cytosole. On pense que l'ensemble forme un feuillet continu entourant un espace interne unique appelé lumière de RE. La membrane du RE est le site de production de toutes les protéines transmembranaires et des lipides pour la plupart des organites cellulaires. De plus toutes les protéines qui seront sécrétées à l'extérieur de la cellule, comme toutes celles qui finiront dans la lumière du RE, de l'appareil de Golgi ou du lysosome sont initialement libérées dans la lumière du RE. Les ribosomes liés à l'extérieur de la membrane définissent le RE rugueux.

15 TRANSPORT VESICULAIRE DANS LES VOIES DE SECRETION ET D'ENDOCYTOSE réseau empilement Cisgolgien de golgi réseau transgolgien Appareil de golgi La cellule doit communiquer avec son environnement. Grace à un vaste système de membranes internes, la cellule peut internaliser des macromolécules par un processus appelé endocytose et les livrer à des enzymes digestives stockées à l'intérieur des cellules dans les lysosomes. Inversement, le système de membranes internes fournit aux cellules eucaryotes le moyen de contrôler la libération de protéines et de glucides nouvellement synthétisés. A travers ce long chemin la cellule peut contrôler la modification et et le stockage des molécules à excréter. TRANSPORT VESICULARE ENTRE RE ET GOLGI BOURGEON -NEMENT = Transport à ouverture contrôlée = Transport transmembranaire = Transport vésiculaire Dans le transport vésiculaire, les protéines sont transférées d'un compartiment à un autre par des vésicules de transport.. Les vésicules prennent en charge une cargaison de molécules dans la lumière d'un compartiment lorsqu'elles se détachent par pincement, puis se débarrassent de leur chargement dans un deuxième compartiment en fusionnant avec la membrane de ce dernier. Les protéines transportées ne traversent donc aucune membrane. Elle se déplacent au sein de compartiments topologiquement équivalents.

16 L'APPAREIL DE GOLGI (1) (Synthèse de Glucides/lieu de tri et de routage pour les produits du RE) L'appareil de golgi reçoit du RE des protéines et des lipides nouvellement synthétisés et les distribue vers la membrane plasmique, les lysosomes et les vésicules de sécrétion. C'est une structure polarisée faite d'un ou plusieurs empilement de saccules en forme de disques qui sont organisés comme une série d'au moins trois compartiments biochimiquement et fonctionnellement distincts appelés saccules cis, médian et trans. XXX

17 L'APPAREIL DE GOLGI (2) réseau cis-golgien saccule cis saccule médian saccule trans réseau transgolgien Les saccules cis comme les trans, sont connectées à des station de tri, appelées respectivement réseau cisgolgien et réseau trans-colgien. Les protéines repliées correctement sont transférées sans discrimination depuis la lumière du RE vers le réseau cis-golgien, mais les protéines résidentes du RE sont renvoyées. Les protéines destinées aux vésicules de sécrétion, à la membrane plasmique et au lysosomes se déplacent à travers l'empilement golgien dans la direction cis trans en passant d' un saccule au suivant. Finalement, elles atteignent le réseau trans-golgien, à partir duquel chaque type de protéine se dirige vers sa destination. Chacune de ces étapes est assurée par des vésicules de transport (voir plus haut). L'appareil de golgi est aussi le siège de réaction de glycosylation sur les molécules lipidiques et protéiques. LES LYSOSOMMES (1) Les Lysosomes sont les principaux sites de la digestion cellulaire Les lysosomes sont des sacs membranaires contenant les enzymes hydrolytiques servant à la digestion intracellulaire contrôlée des macromolécules. Ils contiennent une quarantaine d'enzymes hydrolytiques. Ce sont toutes des hydrolases acides dont l'activité est optimale à ph acide. Le ph interne est au voisinage de 5. Le lysosome est entouré d'une membrane unique qui contient des protéines de transport qui permettent aux produits finaux de la digestion des macromolécules : sucres, acides aminés et nucléotides, d'être transférés dans le cytosol, d'où ils peuvent être excrétés ou réutilisés par la cellule. Les matériaux endocytés sont livrés au départ dans des organites appelés endosomes, avant d'être livrés dans les lysosomes.

18 LES LYSOSOMES (2) Les lysosomes peuvent obtenir les matériaux par des voies multiples Les enzymes digestives proviennent du RE via l'appareil de golgi. Trois voies mènent à la dégradation dans les lysosomes : Endocytoses : endosomes précoces endosomes tardifs (ph ~ 6) lysosomes matures. Autophagie : qui permet de détruire les parties hors d'usage de la cellule ellemême exemple mitochondries. Ce processus semble débuter par l' enveloppement de l'organite par des membranes dérivées du RE, créant un autophagosome. Phagocytose de grosses particules et de microorganismes. Se présente surtout dans des cellules spécialisées : macrophages et neutrophiles chez les vertébrés qui engrouffent des objets sous forme de phagosomes. LES LYSOSOMMES (3) Le ph des vésicules intracellulaires peutêtre déterminé grâce à marqueurs dont la fluorescence varie avec le ph Le ph dans les lysosomes de la figure cicontre est d'environ 5 (en rouge), Alors que le ph dans les différents types d'endosomes varie de 5.5 à 6.5 (en bleu et vert). Endosomes marqués

19 TRANSPORT DEPUIS LA MEMBRANE PLASMIQUE A TRAVERS LES ENDOSOMES : ENDOCYTOSE Endocytose : processus grâce auquel les cellules intègrent des macromolécules, des substances particulières et, dans des cas spécialisés, d'autres cellules. Les matériaux à intégrer sont progressivement inclus dans une petite portion de la membrane plasmique qui s'invagine d'abord puis se détache par pincement pour former une vésicule intracellulaire. = Transport à ouverture contrôlée = Transport transmembranaire = Transport vésiculaire Pinocytose ("boisson cellulaire") : ingestion de liquide et de solides dans des vacuoles Phagocytose ("alimentation cellulaire") ingestion de grosses molécules (microorganismes, débrits cellulaires) dans de grosses vesicules appelées phagosomes.

20 Formation de vésicules recouvertes de clathrine à partir de la membrane plasmique Une cellule peut ingérer 25% de son volume cellulaire par heure, ce qui veut dire qu'elle doit ingérer 3% de sa membrane plasmique chaque minute (environ 100% en une demi-heure).

21 MICROSCOPIE CONFOCALE détecteur Filtre d émission détecteur Pinhole Miroir dichroïque Miroir dichroïque Pinhole Laser Laser Objectif du microscope Système de balayage Préparation Élément à analyser dans le plan focal Objectif du microscope Préparation Élément à analyser dans le plan focal

22 détecteur Filtre d émission détecteur Pinhole Miroir dichroïque Miroir dichroïque Pinhole Laser Laser Objectif du microscope Système de balayage Préparation Élément à analyser dans le plan focal Objectif du microscope Préparation Élément à analyser dans le plan focal détecteur Filtre d émission détecteur Pinhole Miroir dichroïque Miroir dichroïque Pinhole Laser Laser Objectif du microscope Système de balayage Préparation Élément à analyser dans le plan focal Objectif du microscope Préparation Élément à analyser dans le plan focal

23 détecteur Filtre d émission détecteur Pinhole Miroir dichroïque Miroir dichroïque Pinhole Laser Laser Objectif du microscope Système de balayage Préparation Élément à analyser dans le plan focal Objectif du microscope Préparation Élément à analyser dans le plan focal détecteur Filtre d émission détecteur Pinhole Miroir dichroïque Miroir dichroïque Pinhole Laser Laser Objectif du microscope Système de balayage Préparation Élément à analyser dans le plan focal Objectif du microscope Préparation Élément à analyser dans le plan focal BALAYAGE