Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2010

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1 Plan : 1.Caractères distinctifs des cellules Eucaryotes par rapport aux procaryotes 1.1. compartimentation 1.2. cytosquelette 2.Les compartiments membranaires 2.1. noyaux 2.2. réticulum endoplasmique (synthèse exportation des protéines et des lipides) 2.3. appareil de Golgi 2.4.transport vésiculaire 2.5. pinocytose, phagocytose, lyzosomes 3.Les organites semi autonomes 3.1.la mitochondrie 3.2.le chloroplaste 1

2 Le cytosquelette de cellules fixées colorées au bleu de Coomassie 2

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4 Fonction structurelle Support mécanique par le maintien de la forme des cellules les fibres d u cytosquelette stabilisent et balancent les forces opposées au sein des cellules fournissent les points d ancrage des organites intracellulaires leur fonction est dynamique s assemblent en un point et se dissocient en un autre Adaptation de la cellule à son environnement Forme Robustesse Organisation de ses composants 4

5 Le cytosquelette est un réseau de fibres qui s étend dans tout le cytoplasme. Le cytosquelette organise les structures et les activités de la cellule 5

6 Mitose Cytodiérèse Trafic des organites (eg vésicules) Protection de la membrane plasmique Mobilité (spermatozoïde, fibroblaste, ) Contraction musculaire Axones et dendrites du neurone Croissance des plantes 6

7 Trois familles de protéines Trois types de filaments Certains caractères sont communs D'autres sont spécifiques Quatre chapitres I - Les principes communs aux trois types de filaments, assemblage, désassemblage II - Les protéines associées et leur rôle III - Les moteurs moléculaires IV - Fonctions du cytosquelette dans la cellule 7

8 Les principes communs aux trois types de filaments, assemblage, désassemblage Les trois types de filaments du cytosquelette Filaments intermédiaires Microtubules Microfilaments Très nombreuses protéines accessoires liaison filament filament liaison filament autres composants de la cellule contrôle des filaments comprennent les moteurs filament filament filament autres composants de la cellule 8

9 Il y a 3 grands types de fibres qui constituent le cytosquelette : les microtubules, les microfilaments (filaments d actine), et les filaments intermédiaires. schématisation MET Marquage immunofluorescent 9

10 Propriétés Microfilaments (filaments d Actine) Filaments intermédiaires Microtubules Structure Deux filaments d actines jumelés Protéines filamenteuses superenroulées dans des filaments épais Tubes creux, dont les parois consistent en 13 colonnes de molécules de tubuline diamètre 7 nm 8-12 nm 25 nm avec un lumen de 15 nm Sous-unités protéiques Actine Une des différentes protéines de la famille de la kératine Tubuline (a et b tubuline) Principales fonctions - Maintien de la forme cellulaire (tension) - Changement de forme de la cellule - Contraction musculaire - Mouvement cytoplasmique continu - Motilité cellulaire (pseudopodes) - Division cellulaire (formation du sillon de clivage) -Maintien de la forme cellulaire (tension) - ancrage du noyau et de certains organites - formation de la lamina nucléaire - Maintien de la forme cellulaire (compression) -Motilité cellulaire (cils et flagelles) - mouvements des chromosomes durant la division cellulaire - mouvements des organites 10

11 Filaments d'actine (=microfilaments) Lamellipodes, filipodes (dynamiques) Stéréocils (statiques) Anneau contractile Forme de la surface de la cellule Locomotion 11

12 Filaments d'actine :structure 12

13 Filaments d'actine :structure Mécanisme de la nucléation Régulée par des signaux externes Catalysée par un complexe de protéines qui comprend deux Actine Related Proteins (ARPs) 13

14 Filaments d'actine :structure Actin Related Proteins (ARPs) Catalysent la nucléation de l'actine 2 protéines proche à 45% de l'actine Fonction analogue à γ-turc pour la tubuline Comprend le complexe ARP (= Arp 2/3) Nuclée le filament à partir de l extrémité Et allonge rapidement l extrémité + Peut se fixer latéralement embranchement 14

15 Filaments d'actine :structure Rôle du complexe ARP dans la nucléation de l'actine Fig16-28(AB) 15

16 Filaments d'actine :structure Rôle du complexe ARP dans la formation du réseau d'actine Fig16-28(C) 16

17 Filaments d'actine :structure Microscopie électronique de complexes Arp2/3 en congélation sublimation et ombrage rotatoire (A) et de complexes mélangés avec des filaments d actine cappés avec de la gelsoline (B-D). Electron micrographs of quick-frozen, deep-etched, and rotary-shadowed samples of Arp2/3 complex (A) and complex mixed with gelsolin-capped actin filaments (B-D). In the presence of Arp2/3, complex actin filaments form branching arbors with numerous end-to-side connections between filaments (B). The branch points appear to be rigid attachments with a fixed 70 angle between actin filaments (C) and frequently contain a globular mass at the point of attachment (C, left arrow in B). (D) Filaments partially decorated with Arp2/3 complex. (E) Globular masses associated with filament pointed ends in the presence of Arp2/3 complex. Conditions: buffer same as Fig. 1 Mullins,RD

18 Filaments d'actine :formation 18

19 Filaments d'actine :formation 19

20 Filaments d'actine : arrangement 20

21 Filaments intermédiaires Tapissent la face interne de l'enveloppe nucléaire Force mécanique Maintien des épithéliums Protection des neurones 21

22 Filaments intermédiaires : structure 22

23 Filaments intermédiaires : structure 23

24 Filaments intermédiaires : structure Dynamique des filaments intermédiaires Désassemblage par phosphorylation des protéines (comme pour les lamines pendant la mitose) Existence d'un turnover des sous-unités 24

25 Filaments intermédiaires : structure Enroulement des hélices α Structure biochimique : domaine en hélice α avec 40 motifs répétés de 7 acides aminés La variabilité porte sur les extrémités 25

26 Filaments intermédiaires : structure Principaux types de protéines des filaments intermédiaires Type de filaments intermédiaires Polypeptides de composition Localisation cellulaire nucléaire Lamines A, B et C Lamina (enveloppe interne nucléaire) Famille de la vimentine épithélial Vimentine Desmine Protéine gliale fibrillaire acide Périphérine Kératine type I (acide) Kératine type II (basique) axonal Protéines des neurofilaments Neurones Nombreuse cellules d origines mésenchymateuses Muscle Cellules gliales (astrocytes cellules de Schwann) Neurones Cellules épithéliales et dérivées (ongles, cheveux) Expression différente en fonction du type cellulaire 26

27 Filaments intermédiaires : mécanique Un filament intermédiaire = 32 hélices Nombreuses liaisons latérales hydrophobes Faciles à plier mais difficiles à rompre 27

28 Filaments intermédiaires : les kératines Environ 20 types différents Dans les cellules épithéliales 10 types spécifiques des ongles et des poils Peuvent copolymériser Kératine I (acide)= kératine II (basique) [en quantité] Liaison des réseaux par des liaisons S S Peau, cheveux, ongles, griffes, écailles 28

29 Filaments intermédiaires : les kératines Filaments de kératine Limites des cellules 29

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31 Filaments intermédiaires : les neurofilaments Axone des neurones 3 types de protéines NF-L NF-M NF-H Hétéropolymère avec NF-L + un autre 31

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33 Microtubules En étoile à partir du centre de la cellule Fuseau, cils, flagelles Position des organites à membrane Transport intra cellulaire (axones ) 33

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36 Dans les cellules animales, le centrosome a une paire de centriole, lesquels sont constitués de 9 triplets de microtubules arrangés en anneau. Pendant la division cellulaire les centrioles se répliquent. 36

37 Nucléation des microtubules Centre Organisateur des MicroTubules (COMT) = site de nucléation des microtubules dans la cellule γ-tubuline = nucléation des microtubules De la levure à l'homme Présente dans tous les COMT γ-tubuline ring complex (γ-turc) = COMT très puissant 37

38 Nucléation des microtubules par la γ-tubuline Nucléation à l extrémité moins Allongement par l extrémité plus Intervention de deux protéines qui se fixent directement à la γ-tubuline 38

39 Fig16-22 Nucléation d'un microtubule par γ-turc Présence des deux protéines plus des protéines accessoires pour aider à la création de l anneau γ-tubuline ring complexes en microscopie électronique MT nucléés à partir de γ-tubuline ring complexes purifiés 39

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41 Modèles de nucléation des microtubules Moritz,M2001(fig1) Microtubule nucléé spontanément à partir de tubuline α/β pure Modèle avec matrice 41 Modèle protofilament

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43 Cas particuliers de COMT Champignons et diatomées pas de centriole plaques incluses dans l'enveloppe nucléaire : corps du pôle du fuseau Plantes supérieures pas de centriole COMT répartis tout autour de l'enveloppe nucléaire Présence de γ-tubuline dans tous les cas 43

44 Le centrosome : principal centre organisateur des microtubules Situé près du noyau Émanation des microtubules en étoile à partir du centrosome Extrémité - des MT dans le centrosome Extrémité + des MT en périphérie Contient plus de 50 copies de γ-turc dans sa matrice Contient une paire de centrioles 44

45 Positionnement du centrosome au centre de la cellule Fig16-25 Centrosome isolé + tubuline dans une chambre artificielle en plastique (image toutes les 3 minutes) 45

46 Le centrosome Fig

47 Les centrioles id corpuscules basaux des cils et des flagelles Matériel péricentriolaire = matrice centrosomale Duplication des centrioles suivie de la duplication des centrosomes cf. mitose 47

48 Structure des centrioles Cylindre de microtubules + protéines accessoires Un centriole dans un centrosome Matrice centrosomale fibreuse 48

49 Orientation des microtubules Configuration en étoile des microtubules Extrémité plus tournée vers l extérieur de la cellule Extrémité moins tournée vers le noyau Dispositif de surveillance de la périphérie de l intérieur de la cellule et de la position centrale du centrosome conservé même in vitro 49

50 Données évolutives γ-tubuline et ARP Très anciens Très conservés Duplication du gène codant pour tubuline ou actine avec une fonction de nucléation en plus par divergence et spécialisation 50

51 Protéines associées extrémités Liaisons latérales extrémités Actine Thymosine profiline Tropomyosine cofiline Protéines cappantes tubuline stathmine MAP γ tubulin ring complexe (γ- TuRC) Catastrophine MAP 51

52 Propriétés mécaniques de actine, tubuline, filaments intermédiaires Force de cisaillement 52

53 conclusion Filaments intermédiaires = ligaments de la cellule Microtubules = os Actine = muscles Cytosquelette qui doit fonctionner en harmonie 53

54 : Les moteurs moléculaires Le cytosquelette joue un rôle majeur dans la motilité cellulaire. Ceci implique non seulement des changements dans la localisation mais aussi des mouvements (limités) de parties de la cellule. Le cytosquelette interagit avec les protéines moteurs. Dans les cils et les flagelles les protéines moteurs tirent les composants du cytosquelette Ceci est aussi vrai dans les muscles Fig. 7.21a 54

55 : Les moteurs moléculaires Les molécules moteurs transportent également des vésicules ou des organites vers de nombreuses destinations le long de monorails fournis par le cytosquelette. Les interactions de ces protéines moteurs et le cytosquelette permet le transport de matériaux dans la cellule sous forme de flux (streaming). Fig. 7.21b 55

56 : moteurs moléculaires Kinesine Vitesse : 850 nm/s ATPase: /s Myosine V vitesse : 350 nm/s ATPase: 5.0 1/s Dynéine vitesse : nm/s ATPase: 2.0 1/s Toutes impliquées dans le transport vésiculaire 56

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58 Un flagelle a un mouvement ondulatoire. La force est générée parallèlement à l axe du flagelle. Fig. 7.23a 58

59 Les cils bougent par alternance. Ils génèrent leur force perpendiculairement à l axe du cil. Fig. 7.23b 59

60 Les cils sont généralement nombreux à la surface des cellules. Ils ont environ un diamètre de 0.25 µm et une longueur de 2 à 20 µm. Il n y a en revanche qu un ou quelques flagelles par cellules. Les flagelles ont le même diamètre que les cils mais une longueur de 10 à 200 µm. 60

61 Malgré leur différences, les cils et flagelles ont la même ultra structure. Ils ont une structure basée sur des microtubules entourés de membrane plasmique. Neuf doublets de microtubules sont arrangés autour d une paire au centre, le patron 9+2. Une roue centrale de protéines flexibles connecte les doublets externes les uns aux autres ainsi qu au centre. Les doublets externes sont aussi connectés par des moteurs moléculaires. Les cils et les flagelles sont ancrés à la cellule par un corps basal dont la structure est proche des centrioles. 61

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63 Fig

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65 Le mouvement oscillant des cils et flagelles est assuré par les bras de la dynéine. L addition à la dynéine d un groupement ATP et sa perte entrainent des changements conformationnels de la protéine. Les bras de la dynéines alternativement tirent, se déplacent et relachent Les microtubules externes. the outer microtubules. Fig

66 Dans les cellules musculaires, des millier de filaments d actine sont arrangés en parallèles les uns des autres. Les filaments épais, composés de moteurs moléculaires tels que la myosine, sont imbriqués au sein des molécules plus fines d actine. Les molécules marchent le long des filaments d actines, tirant les filaments d actines raccourcissant la cellule. 66

67 Dans les autres cellules, ces aggrégats d actine-myosine sont moins organisés mais peuvent quand même provoquer des contractions localisées. Une ceinture contractile de microfilament divise le cytoplasme des cellules animales durant la mitose. La contraction localisée dirige également les mouvement amaeboïdes. Les pseudopodes, extension cellulaire, qui étend et contracte une cellules par des mouvement d assemblage et de contraction de filaments d actine. 67

68 Chez les plantes, les inter-actions myosines actine et la transformation sol-gel dirige les flux cytoplasmiques (streaming). Ceci crée un flux circulaire dans le cytoplasme. Ceci augmente les vitesses de distributions des éléments dans la cellule. 68

69 2.1. Le noyau Décrit pour la première fois en 1831 héberge les chromosomes équipements pour réplication de l ADN, sa transcription et la maturation des ARN 69

70 2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques 70

71 2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques Le nucléole, sous-domaine nucléaire le plus visible Région spécialisée contenant les gènes actifs de la transcription des ARNr c est dans cette région que se déroule l essentiel des étapes de la biogénèse des ribosomes (4 molécules différentes d ARN +85 protéines assemblés en deux sous-unités) Site d assemblage des pré-ribosomes 71

72 2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques Perméabilité sélective entre compartiment cytoplasmique et nucléaire 72

73 2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques Structure et assemblage de la lamina nucléaire 73

74 2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques Structure et assemblage de la lamina nucléaire 74

75 2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques Topologie de l'enveloppe nucléaire 75

76 2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques Topologie de l'enveloppe nucléaire 76

77 Une structure complexe (plus de 450 protéines de 30 types différents chez la levure par ex) 77

78 Complexe protéique des pores nucléaires 78

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