5. Le cytosquelette C'est un réseau tri-dimensionnel «dynamique» de «polymères protéiques» formant des filaments au sein du cytoplasme. Il participe au maintien (morphologie) et aux déplacements cellulaire (mobilité cellulaire et déplacement des organites) Il y a trois types de filaments résultant de la polymérisation de monomère protéiques différents, du plus fin au plus épais: Les microfilaments ont un diamètre de 6 à 8 nm (polymérisation des monomères d'actine). Ils se trouvent à la surface de la cellule et confère à celle-ci une structure particulière (ronde, cylindrique...) Les filaments intermédiaires ont un diamètre de 8 à 12 nm (protéines fibreuses variables). Ils prennent naissance sur la membrane et se développe dans la cellule. Ils sont absents des cellules eucaryotes végétales. Les microtubules ont un diamètre de 25 nm (polymérisation d'hétérodimères, tubuline α et β). Ils prennent naissance près du noyau et se développe dans la cellule. Ils participent à la dynamique des différents transports intracellulaires. Microfilament (Actine) L'actine en se polymérisant en structures filamentaires, confère à la cellule une structure tridimensionnelle. Elle est présente dans toutes les cellules eucaryotes. Dans une cellule, elle représente 5% des protéines; dans une cellule musculaire, elle représente 20 % des protéines. Il en existe deux formes: la forme globulaire (monomère: Actine G) et la forme filamentaire (polymères: Actine F) L'Actine globulaire (G) C'est une protéine de forme globulaire (Poids moléculaire de 43 kda = 43.000). Le dalton est l unité de masse (1/16 de l oxygène). Une solution à 1 molaire d'actine pèse 43 kg. La structure inter-espèce est très conservée. La structure tridimensionnelle présente une «Fente» dans laquelle peut se «glisser» une molécule d ATP. C'est à cet endroit que peut avoir lieu la transformation d'atp en ADP en fournissant de l'énergie. L'Actine filamentaire (F) Structure : Filaments torsadé de 7 nm de diamètre Composition : Actine globulaire (Actine G) polymérisée sous forme de filaments torsadés (Actine F). D'un côté, les monomères d'actine s'ajoute (bout +), de l'autre côté, ils se séparent (bout -) --> dynamique de polymérisation : équilibre dynamique entre monomère et polymère. Si on marque on monomère d'actine, on voit qu'il voyage dans le polymère du bout + au bout -. On obtient un équilibre entre l'élongation et le raccourcissement en fonction de la concentration d'actine G. La polymérisation implique la présence d'atp dans le monomère d'actine G. Fonction : Il y a deux fonctions : la morphologie cellulaire et le mobilité cellulaire. La morphologie cellulaire est le soutien mécanique de la membrane plasmique, jonctions cellulaires, augmentation de la surface membranaire et de la surface d (ré)absorption (intestin, rein), 35
résistance mécanique. La mobilité cellulaire est la production d'une force motrice en association avec la myosine, migration de la cellule par polymérisation/dépolymérisation de l'actine fibrillaire (Filipodes -Lamellipodes). L'énergie mécanique correspond à un glissement de l'actine sur la myosine. Lorsque plusieurs cellules riches en éléments contractiles s'organisent en tissus, on a ce que l'on appelle un tissu musculaire. Exemple 1 : Spectrine (protéine membranaire du globule rouge) dans les globules rouges. Pathologie : la sphérocytose : anomalie des protéines constituant la membrane du globule rouge qui deviennent sphériques et fragiles. Exemple 2 : Actine et dystrophies musculaires : il n'y a pas assez de protéine dystrophine qui est sécrétée, la membrane de la cellule est donc affaiblie et tente de se déchirer. Matrice extracellulaire et Contacts Focaux - Lamellipode Déplacement : polymérisation au front (lamellipode), dépolymérisation du cortex d Actine à l arrière par rapport au sens de déplacement de la cellule Contacts Focaux avec la matrice extracellulaire et l actine Mobilité & Phagocytose Mécanisme qui permet a certaines cellules spécialisées ainsi qu'a certains organismes unicellulaires (protistes) l'ingestion de particules étrangères tels que des bactéries, des débris cellulaires, des poussières... La phagocytose a un rôle important dans la fonction immunitaire, c'est en effet un moyen de défense de l'organisme, notamment lors d'infections bactérienne et parasitaire. Les filaments d'actine entoure le parasite et le fait entrer dans la cellule. La Listériose La listériose est attrapée par contamination orale. Elle affecte plus particulièrement les femmes enceinte, les enfants en bas âge et les personnes immunodépressives. Elle provoque une septicémie, des méningites ou des avortements spontanés. Protéines associées à l'actine: rôles et fonctions La concentration en Actine-G a une action sur la régulation de la polymérisation. 36
La spectrine jour un rôle dans l'assemblage des microfilaments pour la formation du cortex cellulaire qui est un assemblage de fibres de tensions au sein de la cellule. Deux Présentations de l actine Faisceaux : filaments d'actine parallèles A l'intérieur de la cellule : fibre de tension : filaments écartés et les côtés et + ne sont pas dans le même sens (faisceau contractile). La protéine associée est l'α-actinine. Sur les filipodes qui sont en bout de cellule. On a un faisceau parallèle serré. La protéine associée est la fimbrine. Réseau : filaments d'actine croisés orienté aléatoirement se trouvent dans le cortex cellulaire. Le réseau est semblable à un gel. La protéine associée est la filamine : protéine dimérique de 280 kda. On la retrouve à l'intersection des filaments d'actine. Les différentes protéines et leur fonction Tropomyosine Consolidation des filaments Fimbrine et alpha-actinine Filamine Gelsoline Myosine II Myosine I Spectrine Thymosine Formation des faisceaux de filaments. La fimbrine augmente la surface membranaire. Réticulation des filaments en un gel Fragmentation des filaments Glissement des filaments Mouvement des vésicules sur les filaments Ancrage latéral des filaments à la membrane plasmique Rétention des monomères d'actine. Régulation de la concentration de l'actine au moment de la polymérisation. 37
Muscle : association d'actine et de myosine Il existe un cycle de liaison/séparation entre l'actine et la myosine. Les fonctions de cette association sont le transport intracellulaire (organites, vésicules, transport axonal ) et la contraction musculaire (mécanisme: variation de la concentration en calcium intracellulaire dans la fibre musculaire) Qu est ce que la myosine? C'est un Hexamère qui contient 2 chaînes lourdes et 4 chaînes légères. Le couple protéique Actine/Myosine peut produire un travail mécanique à partir de l énergie contenue dans la molécule d ATP. Elle se compose d'une tête, d'un coup et d'une queue. La tête interagit avec l'actine. Plusieurs molécules de myosine s'assemblent entre elles, on a des têtes de chaque côté et une partie centrale sans tête. L'actine est une protéine filamenteuse de structure hétérogène par rapport à l'actine. La myosine peut représenter jusqu'à 35% des protéines totales dans les cellules musculaires des mammifères. Les fibres musculaires sont une alternance de bandes sombres (superposition actine & myosine = [bande A]) et de bandes claires (Actine = [Bande I]). L'interaction actine-myosine est contrôlée par 38
le complexe «tropomyosine/troponine» Complexe de jonction Il existe plusieurs types de jonction: les jonctions serrées, les jonctions adhérentes (Actine) et les desmosomes (Filaments Intermédiaires). Poison de l'actine Deux toxiques interagissent avec la dynamique de polymérisation de l actine : 1. La Cytochalasine (toxine produite par un champignon microscopique). Elle se lie à l extrémité (+) de l actine F et bloque l addition de monomères. La dépolymérisation spontanée à l extrémité (-) cause la disparition du filament 2. Phalloïdine (Amanite Phalloïde) se lie le long du filament d actine et le stabilise (= blocage de la dynamique de fonction). Techniquement, la phalloïde associée à un marqueur fluorescent marque l'actine F qui devient visible en microscopie à fluorescence. Microtubules Structure : Tubules (cylindres creux) de 25 nm de diamètre Composition : Hétérodimère de tubulines alpha et béta globulaire formant 13 protofilaments ayant la même polarité associés latéralement les uns aux autres, associées à des protéines (kinésine, dynéine, tau,...) Fonction: arrimage des organites internes, organisation des compartiments intracellulaires, transports intracellulaires (ex: fuseau mitotique)(les mouvements des chromosomes sont consécutifs à la modification de l'équilibre polymérisation dépolymérisation des microtubules), mouvement (cils et flagelles) Le Centriole Centrosome Le centriole consiste en une structure composée de microtubules qui organisent en association avec des protéines spécifiques le fuseau mitotique au cours de la division cellulaire. Le microtubule est fixé au niveau de son extrémité (-) au centre organisateur (le centrosome). Le centriole, c'est neuf triplets de microtubules. Le centrosome, c'est deux centrioles disposés à 90 l'un par rapport à l'autre et des protéines qui associent les triplets. Le COMT (Centre Organisateur des microtubules) est constitué de protéines dont les fonctions sont encore mal établies. Il est constitué d'une tubuline de type γ. Rattachés au COMT par leur extrémité négative, les microtubules se forment par polymérisation au niveau de l'extrémité positive. 39
Exemple : Axone - Microtubules Le long de l'axone, il y a deux types de mouvement. Le mouvement antérograde rapide: la Kinésine (+) voyage du corps cellulaire à la synapse. Elle permet le renouvellement des protéines membranaires de l'axone. La vitesse est de 100 à 400 mm/j. Les protéines nécessaires au renouvellement de la membrane plasmique sont les enzymes de synthèse et les neurotransmetteurs. Le mouvement rétrograde lent (0,1 à 2 mm/j) : La Dynéine (-) voyage de la synapse au corps cellulaire. Il permet le renouvellement du cytosquelette de l'axone qui est constitués de protéines cytosolubles (enzymes du métabolisme ex : la glycolyse). Maladie d Alzheimer : Hyperphosphorylation de la protéine tau 40
Microtubules - Cils et Flagelles Extensions de la membrane plasmique. 1 doublet (une paire) de microtubules central : microtubules non fusionnés 9 doublets de microtubules en cercle autour du doublet central. Microtubules fussionnés. Attaché par un corps (corpuscule) basal (= centriole : 9 triplets fusionnés) En vert : Pont de Nexine Dynamique du flagelle : participation des protéines associées : dynéine et nexine. Les bras de dynéine portent des têtes protéiques globulaire qui vont sous l'effet de l'hydrolyse de la molécule d'atp provoquer un cisaillement du microtubule. Seule une partie externe des faisceaux de microtubules composant l'axonème, à un moment donné, sont concernés par la liaison à l'atp, créant une contraction du cil. On a un déplacement des têtes de dynéine vers le bout du microtubule B --> flexion des microtubules. Ils confèrent une certaine mobilité à certains unicellulaires et aux organismes multicellulaires le "nettoyage" par battement ciliaire de certaines cavités recouvertes de cellules épithéliales arborant sur leur surface apicale des cils. Par exemple, dans les voies respiratoires les cils des cellules épithéliales en conjonction avec des cellules productrices d un mucus, fonctionnent tel un tapis roulant éliminant les poussières inhalées ainsi renvoyées dans l oropharynx. Certains cils plus longs portent le nom de flagelles (cf. les spermatozoïdes). Filaments intermédiaires - (Cellules animales) Structure : Filaments de 8 à 10 nm de diamètre, intermédiaire entre actine et microtubule Composition : Protéines fibrillaires, variant avec le type cellulaire Fonction : Ils sont insolubles et stables, ils contribuent surtout à assurer la cohésion des autres systèmes de microfilaments ou de microtubules et à assurer le maintien de la forme cellulaire. Ils permette la jonctions cellulaires et augmente la stabilité mécanique. Exemple : Kératine des cheveux, premier filament intermédiaire mis en évidence. Ils sont absents chez les eucaryote unicellulaire!! Ils existent dans le nucléoplasme où ils forment la «lamina propria» laquelle soutient la membrane nucléaire ainsi que dans le cytoplasme de toutes les cellules animales. Les filaments se regroupent soit en dimère: deux filaments s'enroulent l'un dans l'autre, soit en tétramère : deux fois deux filaments: côté aminé avec côté carboxyle de l'autre paire et un peu décalé, soit en protofilament : 8 fois le tétramère qui forment un tube --> épaisseur de 10 nm 41