Rappels de Biologie Cellulaire

Rappels de Biologie Cellulaire

Rappels de Biologie Cellulaire Les jonctions Le cytosquelette La signalisation La mort cellulaire

Les jonctions

Jonctions : Aspects généraux Zones de connection entre milieu extracellulaire et cytoplasme EXT INT

Les jonctions intercellulaires - Dans les organismes pluricellulaires, les cellules voisines ont souvent à leur surface des dispositifs qui les maintiennent côte à côte ou qui leur permettent de communiquer entre elles, ce sont les jonctions intercellulaires. - Les jonctions intercellulaires diffèrent en fonction de leur forme, de leur fonction et de la largeur de l espace intercellulaire. - En fonction de leur forme, on parle de: macula: c est une jonction qui se trouve sur la surface de la cellule. Elle est soit circulaire ou ovalaire. Fascia: c est une grande tâche à contour irrégulier Zonula: c est une bandelette entourant essentiellement la partie apicale de la cellule des épithéliums prismatique simples (épithélium intestinal). - selon leur fonction, elles sont de type: occludens: si elles obturent l espace intercellulaire. Adherens: si elles interviennent surtout dans la cohésion. Communicans: si elles permettent des communications d une cellule à l autre. - en fonction de la largeur de l espace intercellulaire, on emploie les termes:

Les jonctions serrées es Ces jonctions sont spécifiques des tissus épithéliaux mais en plus on ne les trouve que chez les vertébrés. Elles bloquent totalement la circulation de fluides entre les cellules et assurent ainsi l'étanchéité entre deux compartiments tissulaires tels que l'intérieur et l'extérieur de l'intestin ou encore évitent que l'organisme ne se vide par de son eau par les multiples épithéliums en contact avec le milieu extérieur tels que la peau, le tube digestif voire l'épithélium germinatif. En revanche, les épithéliums qui doivent facilement être traversés, comme l'endothélium vasculaire, en sont totalement dépourvus sauf exception. La plus connue est celle des vaisseaux sanguins qui irriguent le cerveau où les jonctions serrées très nombreuses sont à l'origine de la barrière hémato-encéphalique, obligeant toutes les molécules qui veulent y pénetrer (et à fortiori les microorganismes pathogènes, bien plus gros) à traverser les cellules endothéliales.

Les jonctions serrées es Leur fonctions ne se limitent pas à une étanchéification entre des compartiments, elles marquent aussi la frontière entre deux zones de la membrane plasmique, la membrane apicale et la membrane basale, fonctionnellement très différentes. La présence de cette jonction bloque les protéines spécifiques de chaque zone et les empeche d'atteindre l'autre zone. Les jonctions serrées sont responsables du maintien de la polarité des cellules.

Les jonctions serrées es - ce sont généralement des zonula de 0,1 µm de largeur entourant la cellule. - Les feuillets externes des deux membranes sont jointifs établissant un contact si étroit qu il obture complètement l espace intercellulaire et empêche le passage de toutesubstance. - Elles jouent un rôle fondamental dans le maintient de la fonction de filtrage sélectif des épithéliums.

Les jonctions serrées es Super complexe macromoléculaire : occludine, claudine, ZO, JAM, E-cadhérine, caténine, cinguline, actine

Les desmosomes et les hémidesmosomes - Ce sont des macula de 0,5 µm de diamètre. - Au niveau des desmosomes, l espace intercellulaire s élargit. Les surfaces cytoplasmiques opposées présentent des densifications en forme de plaques sur lesquelles s ancrent des filaments cytoplasmiques convergents. - Les desmosomes sont largement répondus dans les tissus soumis à une tension mécanique brutale, comme les muscles cardiaques, l épithélium dermique et le col de l utérus, ce qui indique leur importance dans la cohésion cellulaire. - Les desmosomes existent sous trois formes différentes: les desmosomes ceinturants,les desmosomes ponctuels et les hémidesmosomes.

Les desmosomes - ils agissent comme des «boutons de pression» pour maintenir les cellules attachées en des points de contact. - Ils servent aussi de points d ancrage pour les filaments de kératine (tonofilaments) qui s étendent d un côté à l autre de la cellule à travers l intérieur de la cellule. - Les desmosomes sont constitués sous la forme d'un disque protéique intracellulaire, la desmoplakine. A cette desmoplakine sont fixés des bras protéiques transmembranaires qui se terminent dans l'espace intercellulaire. L'autre cellule possède une structure identique. Entre les deux cellules, les bras se rejoignent et se fixent très solidement les un aux autres. Le couplage mécanique entre les membranes des deux cellules est ainsi assuré. Mais ceci est insuffisant pour assurer la solidité du tissu. Cette fonction est remplie par les filaments intermédiaires qui se fixent sur la face intermédiaire de la desmoplakine et sont responsable de l'aspect rayonnant vu au microscope. Ils peuvent relier en effets des desmosomes appartenant à différentes faces membranaires de la cellule. Le couplage mécanique du tissus entier est ainsi assuré par l'association desmosomes/filaments intermédiaires entre les cellules plus

Les desmosomes Particulièrement nombreux dans les tissus soumis à des efforts mécaniques (peau, gencive,utérus ) Contiennent des cadhérines. Les plaques cytoplasmiques denses sur la surface intérieure de la membrane plasmique servent d'emplacements d'ancrage pour des coudes de filaments intermédiaires. Ils fournissent la résistance à la traction pour un feuillet entier de cellules.

les hémidesmosomes les hémidesmosomes: - ils se présentent au niveau de la surface basale de certaines cellules, où ils sont en rapport avec une lame basale. - Les hémidesmosomes ressemblent aux desmosomes ponctuels, mais au lieu de réunir les membranes des cellules épithéliales adjacentes, ils unissent la surface basale des cellules épithéliales à la membrane basale sous-jascente.

Les jonctions communicantes Les jonctions communicantes, ou jonctions gap, sont des canaux qui mettent en communication le cytoplasme de deux cellules. Chaque canal est formé de deux connexons, un par membrane cellulaire, un connexon étant un hexamère constitué de protéines identiques intrinsèques à la membrane. Les protéines ménagent entre elles un canal hydrophile de 2 nm de diamêtre. Toutes les molécules solubles dans l'eau inférieures à cette taille peuvent donc le traverser. Ces jonctions peuvent s'établir entre n'importe quelles cellules à condition qu'elles appartiennent au même tissu. Elles peuvent même s'établir entre cellules d'espèces différentes. Dans les épithéliums, ces jonctions ne sont jamais en position apicales.

Les jonctions communicantes Les rôles de ces jonctions sont nombreux: En mettant en relation les cytoplasmes, elles assurent un couplage métabolique et électrique du tissu. Les membrane cellulaire étant polarisées (environ -70mv), ce couplage électrique permet de faire en sorte que toutes les cellules soient au même potentiel. Le couplage métabolique permet l'échange de petite molécules : (taille < 1.2 nm) de passer entre les cellules : par exemple, des ions (Ca2+ ), des sucres, des neurotransmetteurs, l ATP, l AMPc Par exemple, quand une cellule capte une molécule d'hormone, elle va synthétiser un second messager, comme par exemple l'ampc. Ce second messager va activer certaines protéines pour permettre à la cellule de réagir à la présence de l'hormone. Par les jonctions gaps, il va également être transmis aux cellules voisines et leur permettre de réagir également à l'hormone, bien qu'elles ne l'aient pas capté directement. Quand les cellules sont mourantes, elle font augmenter la concentration extracellulaire en ions calcium Ca2+. Cette augmentation de calcium ferme les canaux, ce qui permet d'isoler les cellules mourantes. Les connexons peuvent être homomériques ou hétéromériques, selon s'ils sont formé de connexines différentes ou identiques. Les canaux qui en résultent peuvent être homotypiques ou hétérotypiques si deux connexines qui se font face sont identiques ou non.

Aspects fonctionnels des jonctions

Le cytosquelette

Définition du cytosquelette Le cytosquelette assure une fonction architecturale Il joue un rôle majeur dans la forme cellulaire et les différents mouvements cellulaires et intracellulaires Il s agit d un réseau complexe dynamique de filaments et tubules protéiques qui s étend dans tout le cytoplasme Tous les éléments du cytosquelette sont des structures protéiques allongées résultant de la multimérisation d éléments monomériques Trois principaux types constituent le cytosquelette Les filaments d actine, les filaments intermédiaires et les microtubules

Principaux types de filaments du cytosquelette

Les filaments d actined Trois classes d actine (α dans les cellules musculaires lisses, β (4 formes) et γ, les deux dernières formes étant retrouvées dans les cellules non musculaires) L assemblage des faisceaux d actine β et γ se fait: - en faisceaux parallèles : dans les microvillosités - en réseaux maillés : dans les lamellipodes et le réseau sous membranaire

Les filaments d actined Un filament d'actine a une structure en double hélice avec un diamètre d'environ 7 nm. Sa longueur de persistance est d'environ 17 µm, soit l'ordre de grandeur du diamètre des cellules L'actine G globulaire se polymérise en actine F (filament d'actine). La polymérisation s'amorce par une phase de nucléation, où sont formés majoritairement des trimères. Les monomères s'assemblent ensuite suivant une double hélice, qui n'a donc pas de centre de symétrie. Les protéines associées à l'actine (en anglais, Actin associated proteins, AAP) sont la clé du contrôle par la cellule de son stock d'actine. Elles permettent de réguler la polymérisation et d'organiser spatialement les filaments. Elles sont à leur tour contrôlées par des protéines régulatrices qui s'insèrent dans le réseau complexe interagissant avec toute la cellule ARP2/3, gelsoline, cofiline, fimbrine,..;

Les filaments d actined

Les filaments intermédiaires

Les filaments intermédiaires Réseau de filaments résistants (10 nm) et durables entourant le noyau jusqu à la périphérie cellulaire Cytokératines reliées aux desmosomes et hémidesmosomes La vimentine est jointe au noyau, au réticulum endoplasmique, et aux mitochondries, que ce soit par sa partie latérale ou terminale.

Fonction des filaments intermédiaires Maintien de l intégrité cellulaire et tissulaire (cytokératine) en particulier lié à leur implication dans les jonctions d ancrage cellule-cellule (desmosome) et cellule-lame basale (hémidesmosomes) Soutien de l enveloppe nucléaire (lamine) la vimentine joue un rôle important dans le soutien et l'ancrage de la position des organites dans le cytoplasme

Les microtubules Polymères creux et rigides formés de dimères d α et β tubulines ancrés sur centrosome En association avec deux protéines pour assurer fonctions de motricité: dynéines et kinésines Interaction des dimères à des structures intracellulaires: neurofilaments, FI, RE, Golgi, Membrane cytoplasmique, chromosomes, vésicules de sécrétion Implication dans transport intracellulaire des organites, battement cils et flagelle, fuseau mitotique

La signalisation

La signalisation La production des premiers messagers Toutes les cellules sont engagées dans la production d'un messager ou d'un autre. Elles sont parfois très spécialisées et regroupées en glandes (sécrétion endocrine). Le plus souvent, la cellule sécrète ses messagers qui agissent dans l'environnement proche (sécrétion paracrine). La sélectivité de l'action du premier messager est à la fois due à sa concentration (gradient), à l'orientation de ce gradient et à la présence de son récepteur sur ou dans la cellule (cible). Certaines cellules peuvent entièrement ignorer la présence d'une forte concentration d'un messager, si l'expression du récepteur de ce messager leur fait défaut. La plupart des premiers messagers sont des molécules hydrosolubles et ne traversent pas la membrane plasmique. Leurs récepteurs se trouvent donc à la surface de la cellule. Cependant, certaines hormones lipophiles capables de traverser la membrane, telles que stéroïdes, rétinoïdes et hormones thyroïdiennes, ont des récepteurs intracellulaires (cytoplasmique ou nucléaire), que l'on qualifie de «récepteurs nucléaires».le gaz monoxyde d'azote (NO), messager récemment identifié, traverse également la membrane et se fixe à une enzyme intracellulaire (causant ainsi, par exemple, la relaxation des muscles lisses des vaisseaux (vasodilatation)).

La signalisation comment les premiers messagers agissent sur leur cellule cible Quelques chiffres pour illustrer la dimension de la question : Les récepteurs sont, semble-t-il, nombreux et de nature protéique. En effet, l'introduction des termes «receptor Homo sapiens» dans la banque de données «Entrez Gene» de l'institut National d'information Biotechnologique (NBCI) donne la réponse de 5164 gènes susceptibles de coder des récepteurs (identifiés par des motifs de leur séquence). La même opération dans la banque «Swiss-Prot» donne une réponse de 1418 protéines exprimées dans la cellule et clairement identifiées comme récepteurs ou composants d'un complexe récepteur. Un grand nombre de récepteurs de notre génome reste donc encore à caractériser quant à leur expression et leur fonction. Les premiers messagers semblent également nombreux mais ne sont pas toujours de nature protéique. Ils peuvent avoir plusieurs récepteurs différents, si bien que les récepteurs sont beaucoup plus nombreux que les premiers messagers. Un bon exemple est fourni par l'amine biogène sérotonine (5-HT) pour laquelle on a identifié à ce jour 13 récepteurs. On reconnaît environ 200 protéines qualifiées de facteurs de croissance, une centaine de molécules possédant le statut de neurotransmetteur (ou neuromodulateur), quelques dizaines d'hormones et quelques dizaines de cytokines..

La signalisation Récepteurs et leurs ligands Le ligand est défini comme une molécule se fixant sur son récepteur de façon spécifique et saturable. Le terme ligand s'applique à un large éventail de molécules endogènes allant du simple acide aminé (et dérivés) à des protéines volumineuses. Il désigne également des substances naturelles (endogène) et synthétiques (exogènes) qui interagissent avec le même récepteur. Lorsque ses substances miment l'action du ligand endogène, elles sont appelées «agonistes». Lorsqu'elles n'ont aucun effet (et gênent uniquement la fixation du ligand endogène) on les appelle «antagonistes».

La signalisation

La signalisation Le premier messager interagit avec son récepteur et cette interaction induit un «signal», par une voie de signalisation intracellulaire, qui modifie le comportement de la cellule cible. Ces voies de signalisation intracellulaires sont extrêmement diverses, parfois très courtes (ouverture des canaux ioniques) parfois en longues cascades d'interactions protéiques impliquant la production, par des molécules effectrices, de substances qui diffusent dans la cellule (ou sa membrane) et qu'on qualifie de «seconds messagers» Ces voies de signalisation ont pour but de perturber l'homéostasie cellulaire et d'imposer un changement pour ajuster l'activité de la cellule aux besoins de l'organisme entier. Les réponses cellulaires sont souvent composées d'une réponse immédiate et de courte durée, de l'ordre de quelques secondes à quelques minutes, puis d'une réponse à long terme, de l'ordre de quelques heures à quelques jours, qui passe par le noyau pour agir sur le transcriptome (plasticité cellulaire).

La signalisation Dimérisation des récepteurs Presque tous les types de récepteurs se dimérisent après fixation de leur ligand (à l'exception des récepteurs qui forment déjà de grands complexes protéiques tels que le récepteur nicotinique de l'acétylcholine). Souvent, le ligand possède deux ou plusieurs sites de liaison ce qui lui permet de regrouper plusieurs récepteurs (dimérisation ou oligomérisation). Pour d'autres c'est la fixation du ligand qui induit un changement de conformation du domaine extracellulaire révélant ainsi un site d'interaction entre deux récepteurs. Dans d'autres cas, enfin, c'est l'effecteur intracellulaire qui regroupe deux récepteurs. La dimérisation est nécessaire pour faire passer le signal vers l'intérieur). La raison d'être de la dimérisation n'est pas encore bien comprise, mais il semble qu'elle permette d'améliorer le contraste du signal (rapport signal sur bruit fond). En d'autres termes, elle diminuerait la probabilité de déclenchement d'un signal accidentel.

La signalisation

La signalisation

Mort cellulaire

Mort cellulaire par apoptose C est le processus par lequel des cellules déclenchent leur auto-destruction en réponse à un signal. C'est une mort cellulaire physiologique, génétiquement programmée, nécessaire à la survie des organismes pluricellulaires. Elle est en équilibre constant avec la prolifération cellulaire. Contrairement à la nécrose, elle ne provoque pas d'inflammation : les membranes plasmiques ne sont pas détruites, et la cellule émet des signaux (en particulier, elle expose sur le feuillet externe de sa membrane plasmique de la phosphatidylsérine, un phospholipide normalement constitutif de son feuillet interne) qui permettront sa phagocytose par des globules blancs, notamment des macrophages.

Mort cellulaire par apoptose Ces deux voies conduisent à l activation de protéases à cystéine appelées caspases, responsables des phénomènes morphologiques et biochimiques observés : exposition de phosphatidylsérine à la surface de la membrane cellulaire, arrêt de la réplication, fragmentation du noyau et du cytosquelette entraînant la formation de corps apoptotiques phagocytés par les cellules environnantes.

Mort cellulaire par apoptose Le mécanisme d apoptose est gouverné par deux voies principales d activation : -une voie dite extrinsèque, impliquant des récepteurs appartenant à la superfamille des récepteurs au TNF, -une voie dite intrinsèque mettant particulièrement en jeu la mitochondrie ; cette voie est gouvernée par des protéines appartenant à la superfamille de Bcl-2.