Chapitre 5: Le cytosquelette. Les microtubules Les microfilaments d actine Les filaments intermédiaires

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1 Chapitre 5: Le cytosquelette Les microtubules Les microfilaments d actine Les filaments intermédiaires

2 L intérieur de la cellule est organisé par des réseaux de fibres Fonctions : Support Mécanique Mouvement et positionnement des organites dans la cellule Motilité Cellulaire Forme cellulaire Communication cellulaire Contribution à la division cellulaire Filaments d actine Filaments intermédiaires Fig. 9.1, Karp et al. cell and molecular biology 5 th ed. (2008) Protéine motrice 2

3 Cytosquelette (Fluorescence) 3

4 Ce réseau de fibres forme le cytosquelette spécifique aux cellules eucaryotes certaines bactéries possèdent des systèmes semblables Structures dynamiques, tridimensionnelles 3 éléments du cytosquelette: Microtubules Microfilaments Filaments Intermédiaires 4

5 Microtubules Microfilaments Filaments intermédiaires 5

6 Le Cytosquelette (Voir tableau 6.1) Microfilaments Filaments Intermédiaires Microtubules Structure 2 brins entortillés Variable Cylindres creux Role structural Résistance à tension Rés. à tension Résistance a compression Diamètre, rigidité 7nm, flexible 8 12 nm 25 nm, rigide Organisation Linéaires ou réseaux ramifiés Principalement en réseau Linéaires Protéine (Monomère) Actine G Plusieurs types Tubuline α et β (Kératines) Rôle dans le mouvement Oui Non Oui Protéine Motrice Myosine n/a Kinésine Dynéine 6

7 Microtubules (Tubuline) Cylindres creux, diamètre ~ 25nm Longueur variable (200nm plusieurs µm) Association de dimères de tubuline α et β Deux types principaux: Cytoplasmique: très dynamiques (simple tubes) Axonème: Cils, flagelles et centrioles: très stables (plusieurs tubes, doublets, triplets) 7

8 Structure des microtubules Élément de base est un hétérodimère de tubuline et ß: Protéines globulaires Site de fixation au GTP tubuline ß hydrolyse GTP Agencement linéaire de dimères tubuline ß forme le protofilament Le protofilament est polarisé Extrémité + = tubuline ß Extrémité = tubulin Microtubule = 13 protofilaments disposés en anneau hétérodimère de tubuline ß Fig , Alberts et al

9 Caractère dynamique des microtubules Polymérisation: addition de dimères liés au GTP tubuline+gtp: stabilise le microtubule (coiffe stable) Hydrolyse du GTP (en GDP) suit la polymérisation (réaction spontanée) Tubuline + GDP: extrémité instable Dissociation du microtubule quand tubuline+gdp est présent à l extrémité Si de nouveau complexes tubuline+gtp sont ajoutés régulièrement à l extremité : Pas de dépolymérisation (coiffe stable) Si la concentration de tubuline GTP disponible est trop basse, l hydrolyse va provoquer le raccourcissement du MT Fig. 15 6, Becker et al (8 th edition) 9

10 Caractère dynamique des microtubules Les microtubules sont des polymères instables: Croissance constante des MT suivie de raccourcissement soudain = Modèle d instabilité dynamique Des protéines vont stabiliser les microtubules et réguler la vitesse d assemblage: MAPs (microtubule associated protein). Fig. 15 6, Becker et al (8 th edition) 10

11 Centre organisateur des microtubules (MTOC) Point d origine des MT, du coté de l extrémité ( ) Fonction: Initiation de l assemblage (=nucléation), ancrage et polarisation des MT Centrosome des cellules animales = centrioles + matériel péri centriolaire Corpuscule basal dans les cils et flagelles 11

12 Centrosome Structure : Chaque centrosome contient 2 centrioles, à 90 l un de l autre Chaque centriole est fait de 9 triplets de MT Triplets liés par protéines (MAP = Microtubule Associated Proteins) Matériel péri centriolaire contient de nombreuses protéines dont la tubuline Fig Becker et al

13 Microtubules: fonctions Forme de la cellule (résistance à la compression) Ancrage aux protéines membranaires Motilité cellulaire (cils et flagelles) Transport des organites et vésicules (pigments) Division cellulaire (mouvement des chromosomes) Communication Lien avec matrice extracellulaire 13

14 Transport des vésicules dans la cellule kinésine et dynéine: protéines motrices Servent à transporter organites, vésicules, neuro transmetteurs, pigments, etc. Utilisent de l ATP comme carburant: l ATP fait changer la conformation de la protéine qui «marche» sur la MT Kinésines et dynéines sont présentes à la surface des vésicules via récepteurs Kinésines: très nombreuses protéines Dynéines: 2 grandes classes: cytoplasmiques et axonèmales (cils et flagelles) 14

15 Transport des vésicules dans la cellule Kinésines Tête globulaire se lie aux MT et hydrolyse l ATP Le cargo est attaché à la queue de la protéine Se déplace vers l extrémité (+) des MT vers la périphérie de la cellule Dynéine cytoplasmique Tête globulaire est la région motrice Cargo est attaché à la base Se déplace vers l extrémité ( ) vers le centre de la cellule end + end Fig , Cooper 2000 Fig. 16 5, Becker et al dynéine kinésine

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17 Motilité cellulaire Cils et Flagelles Flagelle: mouvement Ondulatoire. Long (<200µm) Organismes unicellulaires eucaryotes (protistes) Spermatozoïdes Cil: Battements, nombreux, relativement courts (~10µm) Interaction avec milieu liquide Ex: poumons / mucus) Corps basal / extrémité ( ) flagelle cil Fig 2.26 Russel et al. Biology 1 st canadian edition 17

18 Motilité cellulaire Cils et Flagelles Flagelle: mouvement Ondulatoire. Long (<200µm) Organismes unicellulaires eucaryotes (protistes) Spermatozoïdes Cil: Battements, nombreux, relativement courts (~10µm) Interaction avec milieu liquide Ex: poumons / mucus) Corps basal / extrémité ( ) flagelle 18

19 Flagelle Structure MT entourés par la membrane plasmique Axonème: arrangement de 9 doublets de MT + 2 MT libres Pont radiaires + ponts de néxine + dynéine Le corpuscule basal ancre la MT au niveau de son extrémité moins (9 triplets de MT) Fig

20 a) Sans nexine, les doublets glissent b) Avec nexine, les doublets fléchissent c) Les flexions successives et synchronisées permettent un mouvement ondulatoire 20

21 Fuseau mitotique Division cellulaire Duplication des centrosomes (cellules animales) Organisé par chromosomes (cellules végétales) Séparation des pôles par glissement des MT polaires Figs Russel et al.2010 Kinésine 5

22 Fuseau mitotique Microtubules: Division cellulaire Duplication des centrosomes (cellules animales) Organisé par chromosomes (cellules végétales) Mouvement des chromosomes grâce au Kinétochore mouvement Microtubules du kinétochore Protéine motrice Kinétochore Figs Russel et al.2010

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24 Microfilaments (filaments d actine) Structure: Fibre flexible de 7nm de diamètre protéine globulaire (actine G) polymérisée filament d actine F Deux fibres enroulées en hélice Actine peut fixer ATP ou ADP Fibre polarisée: élongation du côté (+) raccourcissement du coté ( ) tapis roulant Stabilisation par protéine de coiffage (capping protein) 24

25 Organisation diverse des MF Des protéines s associent aux microfilaments d actine pour les organiser en différentes structures 25

26 Microfilaments: fonctions Supporter la tension exercée sur la cellule (étirement) vs écrasement par MT Maintien de la forme de la cellule (cortex cellulaire) Cyclose (mouvement du cytoplasme; végétaux) Augmentation de la surface d échange (microvillosités) Motilité cellulaire Migration des cônes de croissance (neurones) Déplacement des cellules (pseudopodes, lamellipodes ) Contraction musculaire (sarcomères) Transport de vésicules (peptides, hormones) Adhésion (intégrines / matrice extra cellulaire) 26

27 Fig , Becker et al Rôle structural Filaments d actine, avec protéines de réticulation Rôle: Augmentent la surface d échange Ex: Optimise l absorption intestinale (microvillosités) Forme et polarité de la cellule 27

28 Microfilaments et motilité Protéines motrices: myosines Structure: Chaine lourde: tête globulaire (site de fixation a actine) et queue chaine légère (régulation) Mouvement vers l extrémité PLUS du microfilament Mouvement sur petites distance par rapport aux dynéines et kinésines. Head Tail Contraction musculaire (myosine II musculaire) Mouvement dans les cellule nonmusculaires Fig. 16 9, Becker et al

29 Contraction musculaire Exemple: muscle squelettique des vertébrés (muscle strié) Muscles attachés au squelette via tendons Constitués d une multitude de fibres Chaque fibre est une grande cellule multinucléée Myofibrilles dans fibre

30 Contraction musculaire Myofibrilles: myofilament fin: actine (+tropomyosine) myofilament épais: Myosine Unité fonctionnelle: Sarcomère Fig Becker Fibre musculaire Myofibrille bande sombre bande claire 30

31 Modèle du glissement Cycle rapide d attachement et de séparation des têtes de myosine Nécessite de l ATP comme source d énergie Formation de ponts entre fibres de myosine et actine, Régulé par Ca 2+ Fig Fig

32 Modèle du glissement Cycle rapide d attachement et de séparation des têtes de myosine Nécessite de l ATP comme source d énergie Formation de ponts entre fibres de myosine et actine, Régulé par Ca 2+ En absence de calcium, fixation des têtes de myosine aux MF est bloquée par complexe troponine / tropomyosine Ca2+ relâché par réticulum sarcoplasmique en réponse à l influx nerveux va débloquer l accès au MF 32

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34 Transport de Vésicules Vésicules parcourent la majorité de la distance sur microtubules Sont transférées sur les microfilaments sur la dernière portion avant d atteindre membrane (env. 1 micron) 34

35 Mouvement cellulaire: motilité assurée par polymérisation des microfilaments d actine Mouvement amiboïde(pseudopodes) Migration cellulaire (lamellipodes, filapodes) phagocytose Fig. 9.70, Karp et al Figs. 23.6,

36 Formation de pseudopodes ou lamellipodes Lamellipodes: structures plates (ex: fibroblastes) Pseudopodes: structures tridimensionnelles (ex: amibe) Extension du pseudopode (polymérisation de l actine) myosin F-actin G-actin Contraction de la partie Postérieuse (myosine) Fig , Becker et al lamellipodium 36

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38 Les filaments intermédiaires (FI) Formés de protéines fibreuses Brins simples ou réseau fibreux Très résistants Pas de site de liaison à l ATP/GTP Relativement stable, peu dynamiques

39 Les protéines des filaments intermédiaires Protéine Tissu / structures Fonction Kératines Vimentines Desmines Protéines GFA (GFAP) Cellules épithéliales, peau, ongles, cheveux Tissus connectif, cristallin (œil) Cellules musculaires (muscle lisse) Cellules gliales (système nerveux) Résistance mécanique Maintient de la forme cellulaire Support structurel pour la machinerie contractile Maintien de la forme cellulaire Protéines du Cellules nerveuses Maintien des axones neurofilament Lamines nucléaires Toutes cellules Maintien de la forme du noyau Nestine Cellules souches neurales inconnue

40 Filaments intermédiaires Fonctions Renforcement de la cellule Résistance à la tension Maintien de la forme Ancrage d organites Protection (noyau) Adhésion Division cellulaire /intermediatefilaments.html

41 Structure des filaments intermédiaires Structure relativement conservée Protéines fibreuses avec tête globulaire Molécules s associent en dimères (hélice) Longues chaînes de dimères s associent entre elles: 2 dimères = protofilament 8 protofilaments = filament Figs , 4 24, Becker et al.

42 Résistance aux forces de tension Soutien de l'architecture des cellules épithéliales par le réseau de filaments intermédiaires de kératine Plakine et plectine: protéines de liaison avec Filament int.