Santé Biologie cellulaire élève

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Mme Fermont, académie de lille

Introduction à la biologie cellulaire

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Chap II : Les membranes et le système de transport

Chap I : Les différents types de cellules

Chap III : Le cytosquelette

Un peu d'histoire...

La cytologie est l ’étude de la cellule. Les cellules ne peuvent pas être observées à l’œil nu en raison de leur très petite taille. L’histoire de la biologie cellulaire est donc étroitement liée au perfectionnement d’un appareil optique agrandissant : le microscope. Les premiers microscopes composés ont été mis au point à la fin du XVIe siècle ce qui a activé les recherches sur les objets microscopiques. A partir de cette époque on peut résumer l’histoire de la biologie cellulaire comme suit :

Chap I : Les différents types de cellules

I- Les procaryotes

La capsule : présente chez certaines souches et en fonction des conditions du milieu, elle protège de la phagocytose

La paroi : plus ou moins épaisse et constituée de peptidoglycanes. Elle est la cible des antibiotiques. Elle assure les rôles de rigidité, de protection, de forme et de pathogénicité

Le flagelle : Appendice locomoteur filamenteux présent sur la plupart des bactéries mobiles (un ou plusieurs). Il traverse la membrane cellulaire et la paroi. Mouvement rotatif similaire à l'hélice d'un bateau, l'énergie nécessaire à la rotation est conférée par un gradient de protons de part et d'autre de la membrane plasmique

La membrane plasmique : elle est constituée d'une bicouche lipidique et présente de nombreuses protéines enchassées dans la membrane. Elle sépare les milieux intra et extracellulaire

Le cytosol : constitué de molécules d'eau et d'ions, il contient d'autres composants cellulaires

L'ADN : circulaire et bicaténaire, localisé dans le nucléoïde. Il permet la croissance et la prolifération. C'est le support de l'information génétique

Les plasmides : sont des morceaux d’ADN extrachromosomaux, circulaires et généralement petits, qui portent souvent des gènes de résistance aux antibiotiques. Non indispensables.

Les ribosomes : Structures protéiques intracellulaires, constitués de protéines, d'ARNr. Ils jouent un rôle lors de la traduction

Les pili : Petits Appendices filamenteux protéiques Il en existe 2 sortes : pili communs=fixation au substrat pili sexuels impliqués dans l'échange de matériel génétique

Un ensemble en réalité diversifié Escherichia coli peut être retenue comme un exemple représentatif des procaryotes. Toutefois, les procaryotes forment en réalité un ensemble bien plus complexe et diversifié. Le point commun de tous les procaryotes, à la base même de leur définition, est l’absence de noyau, et de structures membranaires intracellulaires. Un autre point commun des bactéries est leur taille, toujours très petite, comprise entre 1 et 10 μm selon les espèces. RQ : On trouve aussi au sein des eubactéries les cyanobactéries, d’une structure semblable aux chloroplastes des cellules eucaryotes végétales, qui ont la particularité pour les procaryotes de posséder des vésicules intracellulaires aplaties délimitées par une membrane (les thylakoïdes). Carl Woese a, entre 1977 et 1987, comparé les séquences nucléotidiques des ARNr 16S (un ARN ribosomal bactérien) et ainsi mis en évidence que les procaryotes correspondaient à deux ensembles distincts. Les procaryotes « classiques » comme E. coli appartiennent aux bactéries (ou eubactéries) qui peuvent être pathogènes pour l’Homme (ex : Mycobacterium tuberculosis, ou bacille de Koch, responsable de la tuberculose) ou, au contraire, celles utiles à l’Homme (ex. : Escherichia coli). , alors que d’autres procaryotes forment l’ensemble des archées (ou archaebactéries). Les archées sont pour certaines caractérisées par leur capacité à vivre dans des milieux dits extrêmes : milieux très chauds (comme les sources chaudes à 100°C voir plus), très salés (comme les lacs salés, par exemple), très acides, etc.

- Absence de noyau et d’organites - Taille : 1 à 10 micromètres - Information génétique : possibilité de maturation des ARNm (excision-épissage pour de rares gènes) - Tous unicellulaires

- Absence de noyau et d’organites - Taille : 1 à 10 micromètres - Information génétique : absence de maturation des ARNm, transcription et traduction couplées - ADN majoritairement codant (souvent 90% ou plus) - Présence d’une paroi (peptidoglycanes), parfois d’une capsule - Tous unicellulaires

- Présence de noyau et d’organites - Taille : 10 à 200 micromètres en général - Information génétique : maturation des ARNm, donc excision-épissage - ADN majoritairement non codant (Homme : 2% du génome est codant) - Paroi présente uniquement chez les végétaux (paroi cellulosique) et les champignons (cellulosique ou chitineuse) - Uni ou pluricellulaire

II- Les virus

Les virus sont des entités non cellulaires* possédant une information génétique (donc un génome), capables de détourner la machinerie d'une cellule hôte, ce qui permet la synthèse de nouvelles particules virales infectieuses (ou virion). On peut donc considérer les virus comme des éléments génétiques mobiles. Ils présentent une diversité très importante de formes et structures, de nature et d’organisation du génome, de mode d'infection des cellules et de propagation. Deux exemples permettent d’étudier la diversité des virus : le phage T4 et le VIH. *Le virus n’est pas une cellule car il ne répond pas à la théorie cellulaire (être vivant à part entière, avoir sa propre information héréditaire et son propre métabolisme)

III- Les eucaryotes

Un peu de phylogénie...

La cellule eucaryote est une cellule compartimentée : - Composée de structures à fonction précise, délimitées par une ou plusieurs membranes : ce sont les organites. Or, les membranes biologiques sont semi-perméables : elles laissent passer certaines molécules mais bloquent ou limitent le passage d'autres molécules. De ce fait, la présence de membranes internes permet donc de délimiter des compartiments distincts au sein de la cellule eucaryote. - Ces compartiments peuvent présenter des propriétés physico-chimiques différentes (ex : des pH différents), des compositions différentes (en particulier au niveau des enzymes présentes). - Cette compartimentation permet une division du travail au sein de la cellule eucaryote

Les cellules eucaryotes sont diversifiées : - diversité structurale : uni (levures, végétaux, ciliées, trypanosomes, plasmodium) ou pluricellulaires (champignons, végétaux, animaux). Quand l’eucaryote est unicellulaire, l’unique cellule assure toutes les fonctions nécessaires à la survie. Quand l’eucaryote est pluricellulaire: l’association des cellules permet une spécialisation des cellules - diversité fonctionnelle : les cellules présentent des métabolismes variés : autotrophe ou hétérotrophe

Quelques compartiments de la cellule eucaryote

La membrane plasmique : délimite le milieu extracellulaire du milieu intracellulaire.

Le cytoplasme : Ensemble du cytosol et des organites

Le ribosome : Joue un rôle dans latraduction des protéines et l’envoi des protéines néoformées à l’intérieur du réticulum endoplasmique

Le lysosomes: 2 types primaires ou secondaires Possède un grand nomdre d'enzyme hydrolytiques

Le noyau : Délimité par une membrane perforée de pores nucléaires

Le nucléoplasme : contient l'information génétique

L'appareil de Golgi : Tri et rend mature les protéines

Le réticulum endoplasmique : Il peut être lisse ou rugueux (granuleux), joue un rôle dans le stockage du calcium et dans les modifications post traductionnelles.

Les mitochondries : Fonctionnement en aérobiose Interviennent dans le métabolisme oxydatif des glucides et des acides gras Elles produisent l'ATP nécessaire au fonctionnement de la cellule

Les microtubules : ils font partis de l'endosquelette, avec les microfilaments d'actine et les filaments intermédiaires

Membrane plasmique et cytosol

Membrane plasmique

La membrane plasmique délimite le milieu intracellulaire du milieu extracellulaire. C'est une bicouche lipidique, très comparable à celle des procaryotes. Le cytosol est la partie liquide du cytoplasme.

Cytoplasme

Organites

Hyaloplasme

Cytosquelette

Cytosol

Noyau

le système endoplasmique

Il est composé du réticulum endoplasmique, de l’appareil de Golgi et de nombreuses vésicules (lysosomes ou endosomes). Il permet en particulier la synthèse de protéines destinées à l’exportation hors de la cellule ou à destination de certains organites.

L'appareil de Golgi

Le lysosome

Le REG ou RER

Le REL

Endosome

Vésicules d’endocytose médié par le trans-golgien, il existe des endosomes précoces formés après l’endocyose de pH plutôt élevé 6,5, il va recycler tous ce qui se trouve sur la membrane comme les récepteurs pour créer des corps multivésiculaires qui vont fusionner et formés un endosome tardif avec un pH qui commence à diminuer et va fusionner avec un lysosome, on a alors un endolysosome ou lysosome secondaire. Cette fusion va permettre de dégrader les corps étranger et forme le corps résiduel.

Endosome et lysosome ont des rôles similaires : - digestion/dégradation des corps étrangers - protection/défense - renouvellement des organites - recyclage des métabolites - nutrition - élimination des composés néfastes par exocytose

Protéasome

Complexes protéiques comportant plusieurs sous unités Les protéines à dégrader sont reconnues dans le cytosol, et polyubiquitinilées : un ensemble de trois enzymes permet l'accrochage d'une succession d'ubiquitines sur la protéine (en général sur un résidu lysine). L’ubiquitine est une petite protéine de 76 acides aminés. La présence d'une chaîne d'ubiquitines est donc un marquage d'une protéine pour sa dégradation par le protéasome : le complexe 19 S reconnaît la polyubiquitination et dirige la protéine vers le cœur catalytique, tout en relâchant les ubiquitines. La dégradation des protéines par le protéasome faisant intervenir l'ubiquitination permet un contrôle de l'hydrolyse des protéines cytosoliques. Cela est par exemple utilisé lors du contrôle de la progression du cycle cellulaire, en ubiquitinant certaines protéines régulatrices a des moments clés du cycle cellulaire, entraînant leur dégradation dans le protéasome.

Péroxysome

Chez toutes les cellules eucaryotes sauf les hématies. Il s’agit d'organites délimités par une simple membrane. Ils ont un rôle : - dans la respiration cellulaire par production de peroxyde d'hydrogène (H2O2). - joue un rôle dans l’homéostasie lipidique Au niveau de la membrane, on trouve des perméases, des peroxines, des cytochromes P450, des protéines enzymatiques qui interviennent dans le métabolisme des acides gras. La matrice est le lieu de plusieurs réactions : on y trouve des oxydases, des catalases (détoxification = Ces réactions produisent du peroxyde d'hydrogène (H2O2) et les peroxysomes possèdent l'équipement enzymatique permettant de transformer en eau (H2O) cette molécule nocive pour la cellule. Il a donc un rôle antioxydants fondamental. Donc protection contre le stress oxydant. Il a différentes fonctions : - β oxydation des acides gras : transformation des acides gras à longue chaine en acides gras à chaine courte et acétylCoA - synthèse du plasmalogène (gaine de myéline) - synthèse d’enzymes nécessaires pour la matrice - synthèse d’acides biliaires - dégradation des acides aminés/protéines par des amino-oxydases - synthèse de cholestérol - réaction de détoxication des alcools Sa durée de vie est de 3 à 5 jours notamment dans les hépatocytes, ils sont très mobiles grâce aux microtubules, et peuvent être détruits par autophagie. Les gènes PEX codent la membrane et la matrice du péroxysome.

Mitochondrie

Cytosquelette et autres organites

Le cytosquelette Constitué de microfilaments d’actine, de microtubules et de filaments intermédiaires (voir prochain chapitre) Les organites spécifiques des cellules végétales : vacuole et chloroplaste Les cellules eucaryotes végétales possèdent une vacuole, souvent de grande taille qui contient une solution diluée d'ions et de petites molécules organiques (glucose, malate, etc.). En produisant un appel d'eau depuis l'extérieur vers l'intérieur de la cellule, elle, permet présence d'une pression de turgescence, et ainsi la rigidité de la cellule végétale en interaction avec la paroi extracellulaire. Les chloroplastes sont des organites à double membrane de grande taille (environ 10 μm de longueur), qui réalisent la photosynthèse (réduction du carbone minéral CO2 en carbone organique, en particulier sous forme de glucose). Tout comme les mitochondries, Il s’agit d'organites semi-autonomes.

Chap II : La membrane et système de transport

I- Structure et composition de la membrane

Glycocalyx

II- Propriétés de la membrane

A- Auto-assemblage des lipides

B- Asymétrie membranaire

C- Fluidité membranaire

Une diversité de mouvements et leurs conséquences

La structure de la membrane plasmique est fondée uniquement sur des liaisons faibles, ce qui permet un mouvement des protéines comme des lipides membranaires : c'est la fluidité membranaire. La mobilité des lipides est nécessaire pour l’activité cellulaire. Ils peuvent se déplacer de différentes manières au sein de la membrane. La fluidité membranaire intervient dans différentes fonctions cellulaires : absorption, sécrétion, protection, adhérence, communication, interaction avec la matrice, etc.

Modulation de la fluidité membranaire

Différenciation de la membrane plasmique

Lame basale : ensemble des protéines et des glycoprotéines extracellulaires. Pôle apical du côté de la cavité et pôle basal du côté de la lame basale et des faces latérales au contact de cellules adjacentes. Cette polarité cellulaire assure une distribution moléculaire différente au niveau des 2 pôles, ce qui permet pour chacun d’eux d’assurer des fonctions différentes qui n’est pas uniquement fonctionnelle mais structurelle aussi. On distingue 3 principaux types de différenciation de la membrane plasmique, qui touche des pôles différents de la cellule concernée

Pôle apical

- La bordure en brosse/plateau strié

- Les stéréocils

- Les cils vibratiles

- La plaque membranaire/cuticule

- Les microvillosités isolées

Pôle basal

- Contacts focaux ou adhérence focale ou plaque d’adhérence : sont des jonctions transitoires qui se lient aux protéines de la lame basale, les fibronectines par les intégrines (protéines transmembranaires, les protéines intracytoplasmiques de cette jonction sont la taline, la vinculine et l’alpha actinine qui forment la plaque membranaire, celle-ci se lie aux filaments fins d’actine du cytosquelette

Faces latérales :

III- Transports membranaires

A- Le transport membranaire

Transport passif

La diffusion simple Passage transmembranaire des ions ou des molécules du plus concentré vers le moins concentrée, c’est-à-dire selon leur gradient de concentration ou leur gradient électrochimique sans dépense d’énergie ou de protéines de transport. Les caractéristiques de la diffusion simple sont : - Une absence de spécificité - Une absence de saturation - Une certaine lenteur (nécessité pour les molécules de se dissoudre avant de passer de l’autre côté) Les conditions nécessaires pour utiliser la diffusion simple sont : - Etre de petite taille = faible masse moléculaire - Absence de polarité (molécule apolaire, hydrophobe ou lipophile (stéroïdes, gaz) et si elle est hydrophile, elle doit être suffisamment petite (éthanol/urée)) - Différence de concentration de part et d’autre de la membrane. La nature hydrophobe des membranes est fondamentale dans leurs propriétés de perméabilité. Les molécules hydrophobes peuvent ainsi librement diffuser à travers la membrane. Au contraire, la membrane est peu ou pas perméable aux molécules hydrophiles. Ainsi, la capacité d'une molécule donnée à diffuser librement à travers une bicouche phospholipidique dépend de son caractère hydrophile ou hydrophobe, de la présence de charges éventuelles et de sa taille.

Diffusion facilitée Passage transmembranaire des ions ou des molécules du plus concentré vers le moins concentrée, c’est-à-dire selon leur gradient de concentration ou leur gradient électrochimique sans dépense d’énergie mais grâce à des transporteurs membranaires spécifiques. On distingue 2 types de diffusion facilitée :

- Par canal : canal ionique à Na+ ou canal ionique K+ ou canal H20 (aquaporine : canal de la molécule d’eau) car l’eau peut utiliser la diffusion simple mais c’est beaucoup plus lent qu’en utilisant l’aquaporine. En effet, Les ions, étant chargés, ne peuvent absolument pas traverser une bicouche lipidique : l’intervention d'une protéine est ici obligatoire. Dans le cas d'un transport passif, cette protéine (souvent constituée de nombreuses sous-unités) est un canal transmembranaire, qui ménage en son centre un espace permettant à un ion (ou plus rarement à une catégorie d’ions) de diffuser librement entre les deux compartiments séparés par la membrane. S'agissant de molécules chargées, le flux se réalise selon le sens du gradient électrochimique, qui prend en compte les différences de concentration mais aussi la polarité électrique de la membrane. Les canaux permettent un passage sélectif d'ions qui peut être régulé : certains canaux peuvent s'ouvrir ou se fermer en fonction de la valeur de la DDP (différence de potentiel) membranaire (voltage-dépendants/potentiel dépendant), de la présence de molécules d'un côté ou de l'autre de la membrane (chimio-dépendante/ligand dépendant), etc.

- Par protéine porteuse qui nécessite un changement de conformation du transporteur, ex : GLUT Dans le cas du glucose, le transporteur au glucose est une protéine transmembranaire, capable de changer de conformation suite à la liaison avec une molécule de glucose. Ce mouvement permet le transfert du glucose d'une face de la membrane vers la face opposée (figure 3.8). C'est ainsi l'oscillation entre deux conformations, suite à la fixation de la molécule, qui permet aux transporteurs de réaliser une diffusion facilitée ; ces protéines sont aussi nommées des perméases (sont spécifiques des molécules transportées, elles sont saturables et peuvent être des uniports : une molécule dans une direction, symports : 2 molécules de nature différente dans la même direction,

antiports : 2 molécules de nature différente dans des directions différentes). S'agissant d'une molécule non chargée, le flux se réalise suivant la loi de Fic. Ce transport est rapide, spécifique, régulé et nécessite des protéines de transport.

Transport actif

Transport actif primaire : couplage avec une déphosphorylation de l’ATP Le passage d'une molécule contre son gradient ne peut pas se réaliser de manière spontanée sans apport d'énergie. Lorsque cet apport prend la forme de l'hydrolyse de l'ATP (coenzyme énergétique des cellules), on parle alors de transport actif primaire, correspondant à un couplage entre cette déphosphorylation de l 'ATP et le pompage d'une ou plusieurs molécules contre leur(s) gradient(s). C’est la pompe ATPase La pompe au sodium et potassium (Na+/K+) est un transporteur actif primaire présent au niveau de la membrane plasmique de toutes les cellules humaines. Cette protéine transmembranaire présente un fonctionnement cyclique permettant le passage de 3 ions Na+ du cytosol vers le milieu extracellulaire et de 2 ions K+ dans le sens inverse. En maintenant les gradients électrochimiques pour ces deux ions, celle pompe permet de maintenir une différence de potentiel (DDP) électrique au niveau de la membrane plasmique. Au niveau d'une cellule humaine, cette DDP est de l'ordre de - 60 à - 70 mV (charges négatives face cytosolique). Lors d'un cycle, la pompe Na+/K+ : Fixe 3 Na+ du côté cytosolique ; Hydrolyse l 'ATP, ce qui permet la phosphorylation de la protéine, d'où un changement de conformation faisant basculer les ions Na+ vers la face extracellulaire ; Libère les Na+ dans le milieu extracellulaire, et fixe 2 K+ de ce même côté ; se déphosphoryle (libération du groupement phosphate) ce qui permet le retour à la conformation initiale et ainsi le basculement des K+ vers la face cellulaire de la membrane ; les ions K+ sont libérés dans le cytosol

B- Les transports cytotiques ou cytoses

Généralité : Les molécules de grande taille et les structures supramoléculaires ne peuvent pas traverser la membrane. Leur passage entre les milieux intracellulaire et extracellulaire fait intervenir des flux de vésicules intracellulaires. Ce sont les mouvements cytotiques, ou de cytose : endocytose lors de la formation d'une vésicule intracellulaire permettant la sortie de cellule. On peut rajouter trois situations plus rares : la transcytose, correspondant à une endocytose à un pôle de la cellule couplée à une exocytose à l’autre pôle (passage de composés « à travers » la cellule), le bourgeonnement, avec émission d'une structure vésiculaire hors de la cellule, et enfin la sécrétion contrôlée de vésicules extracellulaires (les exosomes).

Phagocytose

Les vésicules font plus de 250nm de diamètre (0,1 à 10 µm). et elles sont capables de produire des expansions cellulaires (pseudopodes) soutenues par de l’actine. 2 types cellulaires majeurs sont spécialisés dans la phagocytose : macrophages et neutrophiles qui ingèrent des organismes bactériens et nous protège ainsi des infections. Ce mécanisme met en jeu des récepteurs, des mouvements membranaires et implique un fonctionnement adapté du cytosquelette. C’est un phénomène continue depuis le piégeage jusqu’à la fusion du phagosome avec le lysosome. La membrane des vésicules d’endophagocytose contient des pompes à protons qui vont permettre l’acidification de l’intérieur du phagosome. Certaines bactéries infectent la cellule hôte en détournant la machinerie phagocytaire, ex : la salmonelle entérite et le bacille de la tuberculose

La pinocytose

C’est la voie qui permet l’internalisation des solutés, de macromolécules ou de particules

Les vésicules formées font environ 100nm de diamètre. On distingue 5 sous types : - macropinocytose vésicule de 50 à 1000nm de diamètre, vésicules nues, avec formation avec d’expansions cellulaires avec actine, elle est non spécifique. - micropinocytose : vésicule de 80 à 100nm de diamètre, vésicules nues, elle est non spécifique - la pinocytose à cavéole : vésicules de 50 à 80 nm de diamètre, recouverte de cavéolines, ces protéines s’associent à la membrane plasmique au niveau de régions très particulières, des microdomaines appelés radeaux lipidiques (riche en cholestérol et en glycosphingolipide). La cavéoline ne se dissocie pas après séparation de la vésicule contrairement à la clathrine ou aux protéines COP I et COP II. Au niveau des radeaux lipidiques, il y a une intégration du signal moléculaire. Les récepteurs qui ont été endocytés peuvent être recyclé à la membrane (ex : récepteur au LDL), dégrader dans le lysosome ou transférer vers un autre domaine de la membrane plasmique, on parle de transcytose. Le ligand reste soit couplé au récepteur et subi le même traitement, soit et c’est le cas le plus fréquent, il se dissocie du récepteur à pH acide dans les endosomes et fini dans le lysosome où il est dégradé. - la pinocytose non dépendante de clathrine ou de cavéole

- la pinocytose médiée par des récepteurs, taille des vésicules 100 à 150 nm de diamètres, recouvertes de clathrines. Pinocytose à clathrine dépendante dont la principale protéine de clathrine est formée d’une triskèle qui s’assemble au contact d’un récepteur transmembranaire sur lequel est accroché un ligand à l’aide de protéines adaptatrices, la structure formée à la forme d’un panier de basket qui forme des invaginations appelées puits à clathrine. La dynamine est une GTPase recrutée au niveau des cols des puits à clathrine, qui forme un collier est permet la séparation de la vésicule de la membrane plasmique. La clathrine et les adaptateurs se dissocient après endocytose de la surface de la vésicule immédiatement après séparation.

Le récepteur au LDL est un exemple type d’endocytose médiée par la clathrine. Les LDL (Low Density Lipoproteins), sont des lipoprotéines constituées d'une monocouche de phospholipides associée à une protéine et entourant un ensemble d'esters de cholestérol. Ils constituent la forme de transport du cholestérol dans l'organisme. Les membranes plasmiques possèdent des récepteurs (protéines transmembranaires) capables de fixer les LDL (figure 3.12). Cette fixation de LDL sur ces récepteurs permet, du côté de la face intracellulaire de la membrane, le recrutement de clathrines. Ces protéines forment ainsi une cage qui permet la déformation de la membrane : une invagination se forme, qui conduit à la formation d'une vésicule contenant les LDL. Un anneau de dynamine permet le « détachement » de cette vésicule de la membrane ; elle peut alors migrer dans la cellule. Cette migration est marquée par la perte du manteau de clathrines. Les vésicules issues de I'endocytose fusionnent avec I’endosome, organite permettant le tri des molécules internalisées. Les LDL se décrochent de leur récepteur une fois arrivés dans l'endosome : ceci permet leur recyclage vers la membrane plasmique. Les LDL, pour leur part, sont acheminés ensuite vers les lysosomes, où ils sont dissociés et leurs composants récupérés par la cellule.

Exocytose

Trafic vésiculaire qui part du Golgi pour atteindre la membrane plasmique. Les lipides et les protéines membranaires assurent le renouvellement permanent des composants de la membrane plasmique, alors que les protéines solubles de l’intérieur des vésicules sont secrétées. Les protéoglycanes et les glycoprotéines de la matrice extra-cellulaire sont sécrétées principalement par exocytose.

Exocytose constitutive

L'exocytose constitutive, est un phénomène permanent et continue, commun à toutes les cellules eucaryotes. Elle constitue un flux régulier de vésicules, qui permet de maintenir stable la surface de la membrane plasmique, et le renouvellement des protéines membranaires et de la matrice extracellulaire. Elle ne nécessite donc pas de stockage des protéines dans des vésicules et n’est pas sélective (c’est surtout le cas dans les cellules non polarisées comme les fibroblastes). Toutes les protéines semblent pouvoir être sécrétées à l’exception des protéines résidentes du golgi ou des protéines qui retournent vers le RE par la voie rétrograde.

Exocytose régulée

L’exocytose régulée ou provoquée principalement rencontrée dans des cellules sécrétoires spécialisées comme les cellules endocrines et les cellules qui secrètent des enzymes digestives comme les cellules du pancréas par exemple. Les substances secrétées sont stockées dans des vésicules sous la membrane plasmique. L’exocytose a lieu en réponse à un signal extra ou intracellulaire qui agit sur la concentration cytosolique en calcium (ex : sécrétion d’insuline est régulée au niveau des cellules béta des ilots de Langherans pancréatique par l’entrée de calcium au niveau du cytosol). Dans certains types cellulaires comme les neurones, le contenu des vésicules est déversé à l’extérieur sans fusion membranaire, la vésicule se reformant aussitôt en reculant, on parle d’un effet Kiss and Run. L’exocytose régulée débute par la formation de vésicules recouvertes de clathrine à partir du réseau trans-golgien. Le recrutement de la clathrine est permis par des récepteurs transmembranaires (protéines cargo) de l'appareil de Golgi, qui assurent dans le même temps un regroupement dans ces vésicules de protéines spécifiques (marquées par glycosylation). L'étape terminale (fusion de la vésicule d'exocytose avec la membrane plasmique) est souvent déclenchée pur un stimulus, par exemple hormonal et généralement impliquant une libération de Ca2+ intracellulaire. Les protéines cargo sont recyclées vers l’appareil de Golgi grâce à une endocytose constitutive. Les mouvements de cytose font intervenir de manière prépondérante le cytosquelette.

Chap III : Le cytosquelette

Généralités

Fonction et rôle du cytosquelette

Structure du cytosquelette

Définition

Structure du cytosquelette

Le cytosquelette est constitué de protéines qui ont chacune des caractéristiques et des fonctions différentes. Il varie selon le type de cellule et ci-dessous nous allons voir quelles sont leurs différences de structure. Cytosquelette des cellules eucaryotes : Pour ce type de cellules, les parties du cytosquelette sont les suivantes : • Microtubules : ils sont constitués d'une protéine appelée tubuline, dont on trouve les formes alpha et bêta. Ils sont flexibles et durs et ont la capacité d'apparaître et de disparaître en fonction des besoins de la cellule. Ils aident à déplacer les organites, organisent les fuseaux méiotiques et mitotiques lors de la division cellulaire pour la mise en place des chromosomes, et ils transportent des substances à l'intérieur de la cellule. Ils mesurent 25 nanomètres de diamètre. • Microfilaments : ils sont constitués d'une protéine appelée actine et, lorsqu'ils sont associés à des fibres protéiques de myosine, ils assurent la contraction musculaire. L'actine est située à la périphérie de la cellule, disposée en hélice formée par deux filaments. Leur fonction est donc de soutenir la cellule. Ils mesurent de 3 à 8 nanomètres de diamètre. • Filaments intermédiaires : ils sont constitués de différentes protéines fibreuses, qui varient en fonction du tissu dans lequel se trouvent les cellules. On ne les trouve que dans les cellules animales. Ce sont les plus solides des trois fibres mentionnées et elles servent à donner de la fermeté aux cellules et à former des réseaux. Ces filaments mesurent 12 nanomètres de diamètre. • Cils et flagelles : certaines cellules eucaryotes ont des prolongements utilisés pour le mouvement. Ces prolongements sont dérivés des microtubules et utilisent la mobilisation de liquide à la surface d'un tissu pour se contracter et créer un mouvement. Les cils ont un diamètre typique de 250 nanomètres, tout comme les flagelles, mais ils diffèrent car les flagelles sont plus longs et moins nombreux que les cils. Cytosquelette dans les cellules procaryotes : Dans le passé, l'existence des différentes structures du cytosquelette des procaryotes n'était pas connue et on pensait qu'elles n'existaient que dans les cellules eucaryotes. Cependant, on sait aujourd'hui qu'il existe un cytosquelette chez les procaryotes. Il a des fonctions analogues à celles des eucaryotes, mais il est constitué des protéines suivantes : • MreB et ParM : semblables à l'actine. • Protéines de la famille WACA : groupe de plusieurs protéines qui remplissent des fonctions dans la biogenèse et l'assemblage des cils et des flagelles chez les organismes unicellulaires. • Crescentine : équivalent des filaments intermédiaires. • FtsZ : similaire à la tubuline.

Tableau : les trois types de fibres cytosquelettiques

I- Les microfilaments d'actine

A- Le monomère d'actine : l'actine G

L’actine est une protéine très conservée et abondante dans les cellules (au moins 5% de la masse protéique totale). Les filaments d'actine forment des structures dynamiques rendues plus au moins stables par des protéines associées. Par exemple les formes stabilisées se rencontrent dans les microvillosités et les cellules musculaires. L'actine, codée par six gènes au moins, est une protéine liée à l'ATP, ayant un pôle plus et un pôle moins, et d'un poids moléculaire d'environ 43 kDa (figure ci-contre). Les Chez les mammifères, il existe sept isoformes d’actine partageant 90% d’identité pour leur séquence primaire et répartie en 3 classes : • l'actine α au sein des cellules musculaires (striées, squelettiques, cardiaques lisses) présente quatre isoformes ; • l'actine β présente dans les cellules non musculaires ; • l'actine Ɣ présente une isoforme dans le muscle lisse entérique et une isoforme dans les cellules non musculaires. Sous forme monomérique, l'actine est une protéine de 375 acides aminés, d’un diamètre de 5,5 nm pour une masse moléculaire d’environ 43 kDa. Elle possède une structure tertiaire globulaire, et est désignée sous le terme « actine G » (G = globulaire). L'actine G possède un site de liaison échangeable pour l'ATP et est associé à un cation divalent (Mg2+ dans la cellule ou Ca2+). La protéine est polarisée avec un pôle (+) (extrémité barbée) et un pôle (-) (extrémité pointue) aux propriétés de polymérisation différentes. La diversité moléculaire entre les six types d'actine est très faible puisqu'on relève plus de 90% d'identité dans leur séquence d'acides aminés. La partie variable concerne les 30 acides aminés du coté amino-terminal (sur un total de 375 résidus). Des protéines dites de liaison qui, comme on le verra ci-dessous, jouent un rôle important dans la polymérisation et la stabilisation des filaments d'actine, peuvent aussi permettre de coupler les filaments entre eux et d'engendrer le mouvement (voir interaction avec la myosine-II).

B- Filament d'actine : l'actine F

Associée à l'ATP, l'actine G se polymérise en une hélice d'un diamètre de 5 à 9 nm, formant un filament flexible et polaire, l'actine F (F = filament). La formation d'actine F à partir d'actine G se fait en trois phases (figure 6.1)

Figure 6.1 : Dynamique des microfilaments d'actine

- La phase d'équilibre À cette phase, la quantité de monomères quittant le filament est égale à la quantité de monomères étant ajoutée au filament. Tout en étant en constant renouvellement, la taille du filament reste fixe. Ce phénomène est appelé « tapis roulant ». Durant cette phase, la concentration des monomères est appelée concentration critique, (figure 6.2). La valeur de la concentration critique est différente aux deux extrémités du filament : elle est faible à l’extrémité (+) dite extrémité barbée (de l'ordre de 0,1 μM) et forte à l'extrémité (-) dite extrémité pointue (de l’ordre de 0,6 à 0,8 μM). Ainsi pour des concentrations en monomères faibles (ex : 0,05 µM), les deux extrémités se dépolymériseront et le filament raccourcira. A l’inverse, pour des concentrations en monomères fortes (ex : 1 μM), les deux extrémités se polymériseront et le filament verra sa taille augmenter. Dans les conditions cellulaires, la concentration des monomères est généralement comprise entre la concentration critique de l’extrémité (+) et celle de l’extrémité (-) (ex : 0,4 μM). L’extrémité (-) subira donc une dépolymérisation et I’extrémité (+) une polymérisation. La taille du filament sera donc constante (tapis roulant).

Régulation de la polymérisation/dépolymérisation

Protéine de nucléation

Organisation des filaments d'actine

C- Fonctions des filaments d'actine

Les filaments actine assure différentes fonctions biologiques, nous avons choisi d'en détailler cinq.

Le trafic intracellulaire

La migration cellulaire (motilité cellulaire)

L'armature des microvillosités

Le mouvement de type contractile

La contraction musculaire

II- Les microtubules

A- Les tubulines et la formation des microtubules

B- Les tubulines et leur protéines associées MAP

MAP stabilisatrices

MAP déstabilisatrices

MAP motrices

et leur rôle

C- Les fonctions des microtubules

Mouvements d'organites

Division cellulaire

Cils et flagelles

Séparation des chromosomes pendant la mitose

Les ATPases mécano-chimiques

Les drogues anticancéreuses ciblent les microtubules des cellules en mitose

Protocole de chimiothérapie

III- Les filaments intermédiaires

Ils permettent à la cellule de résister aux forces mécaniques, de tension, de cisaillement, aux chocs. Ce sont les filaments les plus durables dans le temps, les plus rigides et les plus stables du cytosquelette : - Certains peuvent même persister après la mort de la cellule : Le cuir contient des filaments intermédiaires. - Ils sont présents dans des structures très rigides : Les cheveux et les ongles. - Ils sont dynamiques, mais moins que les microtubules et les filaments d’actine. Les filaments intermédiaires sont des polymères protéiques résistants et durables de 10 nm de diamètre, présents dans le cytoplasme de la plupart des cellules. Ils sont appelés intermédiaires car leur diamètre apparent est compris entre celui des filaments d'actine (microfilaments) et celui des microtubules. Dans la plupart des cellules un réseau extensif de filaments intermédiaires entoure le noyau et s'étend jusqu'à la périphérie cellulaire. Ils sont également reliés aux desmosomes et hémi-desmosomes (figure ci-contre).

A- Les composants des filaments intermédiaires

Les composants monomériques des filaments intermédiaires comptent plus de 60 membres organisés en 6 types : - Type I : cytokératines acides dans les cellules épithéliales - Type II : cytokératines basiques dans les cellules épithéliales - Type III : vimentine dans les fibroblastes, desmine dans les cellules musculaires, GFAP dans les astrocytes et périphérine dans les neurones - Type IV : neurofilaments dans les neurones - Type V : lamines dans les tissus ubiquitaires - Type VI dans les neurones embryonnaires et les myocytes Médecine : Des mutations dans les gènes codant les kératines 5 ou 14 sont à l'origine d’une affection cutanée caractérisée par un décollement de la peau et/ou des muqueuses sous forme de bulles lors d’un frottement : l’épidermolyse bulleuse. Les filaments intermédiaires propres aux autres types cellulaires (la vimentine des fibroblastes la GFAP (glial fibrillary acidic protein) des astrocytes, etc…) ne sont pas retrouvés. Médecine : Cette distribution spécifique d'un type cellulaire à un autre est exploitée en médecine pour déterminer le tissu d’origine d’un cancer par immunomarquage.

B- La polymérisation des filaments intermédiaires

C- Les fonctions des filaments intermédiaires

Maintien de l'intégrité cellulaire et tissulaire de l'épithélium

Soutien de l'enveloppe nucléaire

Formation des ongles, des cheveux et couche cornée de la peau

Les filaments de kératine sont formés en excès par les cellules épidermiques (kératinocytes) et les cellules de l'assise génératrice dans le follicule pileux. Cette expression excessive entraîne la mort des cellules qui restent assemblées (par des desmosomes) et qui forment progressivement la couche cornée, un ongle ou un poil (ou un cheveu). Les caractéristiques des filaments intermédiaires, résistance aux tensions et aux détergents, insolubilité dans l'eau, sont donc essentielles pour une bonne défense contre les agressions physiques et chimiques dirigées contre l'organisme entier.

Exemple de protocole de traitement d'un cancer du sein : exérèse de la tumeur primaire, suivie par 6 séances de chimiothérapie (1 par mois) avec Andriamycin (nom générique doxorubicine, inhibiteur de l'ADN polymérase et topo-isomérase II) et Cytoxin (nom générique cyclophosphamide, qui, en établissant des ponts surnuméraires entre les nucléotides de l'ADN empêche l'action de l'ADN polymérase et donc la réplication de l'ADN) puis par 4 séances de chimiothérapie avec Taxol. Ce traitement est complété par 28 séances d'irradiation. Pour réduire au minimum le risque de récidive, une prise quotidienne de Tamoxifen, un antagoniste du récepteur aux œstrogènes, est préconisée pendant 5 ans.

Un treillis de filaments intermédiaires, polymères de lamine, qui double la face interne de l'enveloppe nucléaire, forme la lamina nucléaire. Elle soutient l'enveloppe et donne au noyau sa forme généralement globulaire. Pendant la mitose, la lamina nucléaire se désagrège grâce à la phosphorylation des lamines (par un complexe kinasique fait de cyclineB/Cdk1). Sa désintégration permet l'entrée d'un autre type d'élément du cytosquelette, les microtubules, qui, participent à la séparation des chromosomes

Remarque : Le vieillissement prématuré et les mutations de la lamine Depuis 2003, des scientifiques français et américains ont identifié le gène lamine A (lmna) sur le chromosome 1 responsable du vieillissement prématuré des personnes atteintes une maladie appelée progéria. Dans certains cas de cette maladie, on observe une mutation ponctuelle de substitution remplaçant un nucléotide de cytosine par un nucléotide de thymine en position 1824 du gène et cela conduit à un épissage erroné de l'ARNm. Le résultat est une perte de cinquantaine d'acides aminés du coté C-terminal de la protéine. La protéine tronquée est appelée « progérine ». Par conséquence elle n'est pas correctement modifiée (protéolyse partielle) et reste attachée à l'intérieur de l'enveloppe sous forme de monomère. La progérine ne contribue pas à l'élaboration d'un réseau de filaments intermédiaires. Ceci a pour conséquence la déformation du noyau mais encore plus important, un changement de l'expression des gènes. Une protéine initialement considérée comme composant d'un réseau d'échafaudage inerte, porte donc d'autres fonctions dont l'organisation de la chromatine (en affectant la transcription et la réplication de l'ADN). Le mécanisme précis entraînant le vieillissement prématuré reste cependant à élucider. On peut par contre déjà dire que le mécanisme défectueux dans la progéria n'est pas une exacerbation d'un processus de vieillissement normal, mais un mécanisme qui semble complètement différent

le REL : réticulum endoplasmique lisse, dont les rôles sont - la synthèse des lipides (des phospholipides membranaires, cholestérol, hormones stéroïdiennes. L’élongation des acides gras, la formation des céramides) - le stockage du calcium Ca 2+ - le métabolisme glucidique - la détoxification de la cellule

La grande majorité des glucides membranaires sont sous forme de glycoprotéines et une petite partie sous forme de glycolipides. Au niveau de la membrane les glucides n’existent pas à l’état libre, ils sont liés à des protéines, par des liaisons N-glycosidiques (le plus souvent) et des liaisons O-glycosidiques, sous forme de petites glycoprotéines ou de protéoglycanes Les glycoprotéines contiennent des polysaccharides courts, souvent ramifiés et n’excédant pas 50% du poids moléculaire de la glycoprotéine. Le sucre terminal est souvent de l’acide sialique chargé négativement Les protéoglycanes sont également des glycoprotéines, mais qui contiennent des polysaccharides à chaîne longue composée d’unités disaccharidiques répétées à l’infini, représentant jusqu’à 90% du poids moléculaire globale. Souvent un des deux sucres de l’unité est aminé, on parle alors de glyco-amino-glycane (ou GAG) dont le plus simple est l’acide hyaluronique Pour information, les protéoglycanes sécrétoires composent la matrice extracellulaire (tissu conjonctif, cartilage, etc.) et sont différents des protéoglycanes cellulaires.

Les MAPs (microtubule associated protein) neuronales telles que Tau (axones) ou MAP2 (dendrites) se lient à la surface des microtubules et renforcent les liaisons entre les tubulines induisant la stabilisation des microtubules. Un nouveau rôle des protéines Tau a été récemment identifié : celui de la protection de l’ADN dans des conditions de stress cellulaire. On estime que la présence de ces protéines réduit 50 fois la probabilité de déclenchement d'une brutale dissociation (catastrophe).

Médecine : Dans de nombreuses maladies appelées tauopathies dont la plus dont la plus connue est la maladie d’Alzheimer, les protéines Tau s'agrègent anormalement suite à une hyperphosphorylation et provoquent une dégénérescence neuronale.

Le rôle de la mitochondrie dans le métabolisme oxydatlf aérobie : - l’oxydation des glucides : les mitochondries permettent de réaliser une oxydation complète de la matière organique en conditions aérobies (présence de 02). Cette oxydation débute dans le cytosol dans le cas des glucides. Les hexoses (dont le glucose) sont partiellement oxydés en pyruvate lors de la glycolyse. Des transporteurs membrane interne de la mitochondrie permettent l’entrée de pyruvate dans la matrice mitochondriale. Il subit tout d'abord une décarboxylation oxydative conduisant à la formation d’un acétyl-Coenzyme A, (acétyl-CoA) et d'un coenzyme réduit NADH,H+ (NAD : nicotinamide adénosine dinucléotide). L’acétyl-CoA permet l'alimentation du cycle de Krebs, qui achève I'oxydation, grâce à une double décarboxylation couplée à la formation de 3 NADH,H+ et d’un FADH ( FAD : flavine adénine dinucléotide), par groupe d’acétyl. Un GDP (guanosine diphosphate) est de plus phosphorylé en GTP, ce qui permet la formation d’une molécule d’ATP. - l’oxydation des acides gras : Les mitochondries permettent aussi la réalisation de l'oxydation complète des acides gras par un ensemble de réactions appelé βxydation des acides gras (ou hélice de Lynen). Les acides activés (sous forme d’acyl-CoA) pénètrent dans la matrice mitochondriale grâce à un transporteur à carnitine. Un acyl-CoA subit alors une succession de quatre réactions, conduisant à la formation de pouvoir réducteur (NADH,H+ et FADH,), d'un acétyl-CoA, et d'un nouvel acyl-CoA(avec un groupement acyl réduit de deux carbones par rapport à l'acyl de départ). Ce processus est répété autant de fois que nécessaire pour dégrader intégralement l'acide gras en de nombreux acétyl-CoA.

Les phospholipides (50% des lipides de la membrane) Les glycérophospholipides : possèdent une tête polaire constituée de glycérol, phosphate et alcool dont la charge sera différente selon le type d’alcool. La queue est apolaire et constituée de 2 acide gras. Le glycérophospholipide peut posséder des acides gras saturés lorsqu’ils ne comportent pas de double liaison, la molécule sera alors solide à température ambiante ou des acides gras insaturés lorsqu’ils comportent des doubles liaisons, la molécule est alors liquide.

Les sphingolipides : ils dérivent de la sphingocéramide (=sphingosine + acide gras) et sont des molécules amphiphiles moins abondantes que les glycérophospholipides, le plus abondant est la sphingomyéline. Ils sont constitués d’un tête hydrophile neutre composée de choline (chargée positivement) et de phosphate (chargé négativement). La queue est apolaire et constituée de sphingosine (qui remplace le glycérol) et d’un acide gras.

On distingue également sur le microtubule une extrémité (+) et une extrémité (-). Lorsque la tubuline β est liée au GTP, elle forme une coiffe qui stabilise l'extrémité (+) et permet le recrutement d'autres hétérodimères de tubuline, donc la croissance du microtubule en présence de magnésium (donc vitesse de polymérisation plus importante). Lorsque cette coiffe de tubuline disparaît suite à l'hydrolyse du GTP, le microtubule se désassemble (« catastrophe »). La reprise de la croissance qui peut s’observer ensuite s’appelle le « sauvetage ». La vitesse de dépolymérisation est plus importante à l’extrémité (-) L’alternance entre l'état de catastrophe et l'état de sauvetage (donc la variation de taille du microtubule) caractérise « l'instabilité dynamique » du microtubule, à comparer avec le phénomène de tapis roulant des microfilaments d'actine.

Les facteurs responsables de l’instabilité dynamique : - Forte concentration de tubuline libre (polymérisation favorisée) - Les substances chimiques favorisent la polymérisation ou la dépolymérisation - Les protéines associées aux microtubules : - Protéines de coiffe favorisant la polymérisation et stabilisant les microtubules - Protéines favorisant la dissociation des protofilaments = MAP déstabilisatrices comme les catastrophines et les sathmines.

Jonction zonula occludens : très serrée et imperméable avec une forme de ceinture, on la trouve sous la surface apicale où elle maintient la polarité cellulaire puisqu’elle est imperméable, elle empêche la diffusion libre des molécules entre les 2 pôles. Cette jonction forme des crêtes entrecroisées et est formées de protéines transmembranaires : occludine et claudine protéines intracytoplasmiques formant une plaque membranaire. Elle est constituée de protéines Zo(zona occludens) 1, 2 et 3, cinguline et de protéines du cytosquelette qui s’attachent aux protéines de la plaque membranaire, ce sont de microfilaments fins d’actine

Les faisceaux contractiles: Les filaments sont orientés de manière antiparallèle et sont espacés de 40 nm grâce à l’alpha-actinine. Ces faisceaux sont rencontrés dans les sarcomères des cellules musculaires, mais aussi dans les fibres de stress (fibre de tension, dans les cellules non musculaire, déplacement de la cellule), les ceintures d’adhérence et l’anneau contractile au cours de la mitose. La myosine II est la protéine motrice responsable du glissement des filaments les uns par rapport aux autres, entrainant ainsi la contraction. Le mécanisme de contraction des faisceaux cytosquelettiques repose sur le glissement, entraîné par l'hydrolyse de l'ATP, des filaments d'actine imbriqués avec la myosine-II.

La migration cellulaire est dépendante des microfilaments et des microtubules. Les microfilaments permettent aux cellules de changer rapidement de forme, la migration cellulaire s'apparente à un phénomène de reptation. Au niveau du front de la cellule en migration, l'actine se polymérise rapidement, les lamellipodes en extension créant de nouvelles adhérences à leur matrice. Les molécules de myosine dispersées le long de ces microfilaments se contractent alors, et le contenu cellulaire est entraîné vers la région frontale nouvellement formée. L'arrière de la cellule se détache alors de son support et se rétracte vers le corps cellulaire. Le cycle peut recommencer. L’apparition des nouveaux points focaux nécessite la présence d’intégrine. Par exemple : Les mouvements nécessaires à au déplacement des leucocytes lors de l’infection se font grâce au cytosquelette et à l'actine en particulier. L'actine joue un rôle dans la formation des lamellipodes résultant d'un phénomène de protrusion membranaire (déformation). Le réseau d'actine périphérique sous-membranaire sert d'appui à la polymérisation de nouveaux filaments qui repoussent la membrane, formant ainsi progressivement le lamellipode. Les sites d'initiation de la polymérisation (sites de nucléation) sont désignés par l'activation de ARP2/3 qui pour sa part est sous l'influence des récepteurs membranaires aux peptides N-formylés (chémokine). Les lamellipodes sont des extensions dynamiques des leucocytes qui leur permettent de se déplacer sur une surface. Ils se forment (et disparaissent) en quelques secondes, témoignant de la dynamique rapide de la polymérisation et dépolymérisation de l'actine.

Le REG ou RER : réticulum endoplasmique rugueux ou granuleux dont les rôles dont la synthèse des protéines (non cytologique) et la maturation des protéines. Il porte ce nom car il est associé aux ribosomes qui ont un rôle dans la traduction des protéines et l’envoi des protéines néoformées à l’intérieur du réticulum endoplasmique = la lumière du réticulum mais aussi dans le trafic intracellulaire et les modifications post-traductionnelle des protéines, notamment une glycosylation : ajout de motifs sucrés par des enzymes.

Le bactériophage T4 : Le phage T4 (ou bactériophage T4) présente une structure simple (figure 1.24 A) : un ensemble de protéines forme une coque protectrice, la capside, qui contient et protège une information génétique (l'ensemble formant la nucléocapside). La capside permet une fixation spécifique à la surface de la bactérie (E. coli) et l’injection de l'information génétique virale dans le cytosol bactérien. Cette information génétique est formée par un petit ADN double linéaire d'environ 165 kb (1kb=1 000 paires de bases, ou « kilobase »). Le phage T4 est donc un adénovirus (acaryote = sans noyau mais avec un ADN). Une fois dans le cytosol, l’ADN bactérien peut s'exprimer en utilisant l'ensemble de la machinerie cellulaire (un virus est un parasite cellulaire) : son ADN est reproduit, les protéines de la capside sont synthétisées, et la nucléocapside est assemblée. Une lyse de la bactérie permet finalement de libérer les particules virales dans le milieu, où elles peuvent infecter de nouvelles cellules.

Transitoire (polymérisation-dépolymérisation selon les besoins de la cellule) : - Formation des fibres de stress pour assurer le déplacement des cellules non musculaires - Formation de l’anneau contractile, au centre de la cellule en division pendant la cytodiérèse (cytokinèse) = séparation du cytoplasme. Permanents (présence permanente mais contraction non permanente) : - Dans les cellules musculaires - Lors de la formation du tube neural : pendant le développement embryonnaire, au début il y a présence d’une ceinture d’adhérence formée de filaments d’actine stables au pôle apical des cellules épithéliales et à un moment donné, il y aura contraction des faisceaux de filaments d’actine et incurvation de l’épithélium pour former un tube.

Ils sont composés des mêmes éléments que les plateaux striés et les bordures en brosse, ils peuvent être agglutinés en touffe. On les trouve au niveau des cellules de l’appareil génital mâle et au niveau des cellules l’appareil sensoriel, comme les cellules auditives de l’oreille interne où les ondes sonores font vibrer ces stéréocils pour qu’ils transforment ces mouvements en potentiels d’action.Les microvillosités et les stéréocils sont immobiles.

Cette première phase est la phase limitante du processus, elle consiste en la création d'un « noyau », amorce permettant la fixation des premiers monomères d’actine G. Cet assemblage initial, de l'actine (processus également appelé nucléation) est thermodynamiquement défavorable. Des protéines appelées nucléateurs favorisent l’association des monomères d'actine. Le complexe Arp2/3 (actin related protéins) est le nucléateur d’actine le plus étudié et par conséquent le mieux caractérisé. Son activation requiert un changement conformationnel, dépendant de l’ATP, mais surtout de la présence de NPFs (nucleation promotingfactors), des protéines favorisant ce changement de conformation. Arp 2/3 permet l’établissement d’un réseau branché d’actine. L'assemblage des filaments linéaires dans les filopodes, est quant à lui, initié par d’autres types de nucléateurs comme, par exemple, la formine (une protéine).

Ce gradient électrochimique permet la production d’ATP au niveau des ATPsynthases, complexes enzymatiques de la membrane interne. Les protons H+diffusent dans le sens de leur gradient (de l'espace intermembranaire vers la matrice) en passant par un canal formé par les sous-unités transmembranaires de l'ATP synthase. Ce flux spontané induit la rotation d'un rotor formé par douze sous-unités membranaires et une « tige » orientée vers la matrice. La rotation de la tige induit une succession de changements de conformation au niveau des sous-unités de l 'ATP synthase dans la matrice : ces changements de conformation permettent la synthèse d’ATP partir d'ADP et de phosphate. La mitochondrie a bien d’autres rôles comme : la maturation de certaines protéines, dégradation de protéines mitochondriale et apoptose. RQ : La principale différence entre l'acétyl CoA et l'acyl CoA est que l'acétyl CoA (ou l'acétyl coenzyme a) aide au métabolisme des protéines, des glucides et des lipides tandis que l'acyl CoA (ou l'acyl coenzyme a) aide au métabolisme des acides gras. L’acyl CoA est converti en acétyl CoADifférence ATP synthase et ATP synthétase : ATP synthase n’utilise pas d’énergie alors que l’ATP synthèse a besoin d’énergie pour fonctionner.

L’appareil de golgi (A de G): Placé après le réticulum endoplasmique, il est formé de citernes ou saccules empilées les unes sur les autres, formé de dictyosomes qui correspondent à un empilement de 5 à 10 saccules. On constate une face cis plutôt convexe et une face trans plutôt concave. Le cis-golgien correspond à une phase de formation alors que le trans-golgien correspond à une phase de maturation

Il existe entre le RE et l’A de G des déplacements qui peuvent être antérogrades (de gauche à droite, du REG au cis-golgien) grâce à la vésicule COP II ou rétrogrades (droite à gauche, du cis-golgien au REG) grâce à la vésicule COP I

Virus de l'Immunodéficience Humaine (VIH) : Le VIH est un virus enveloppé : la capside protéique est enveloppée par une bicouche lipidique, héritée de la cellule précédemment infectée. Les protéines présentes au niveau de cette enveloppe permettent l'accrochage spécifique des cellules cibles (lymphocytes T4, macrophages) et la pénétration de la nucléocapside dans le cytosol de la cellule. La nucléocapside comporte deux coques protéiques concentriques, protégeant un génome viral présent en deux exemplaires, ainsi que quelques enzymes virales nécessaires aux premières étapes de l’infection. Une fois dans le cytosol, la capside se désassemble, libérant le génome viral : il s'agit d'un petit ARN simple brin d'environ 9 kb. La reverse-transcriptase (une des enzymes présentes dans la nucléocapside) permet alors la synthèse d’un ADN simple brin (l'ADNc, ou ADN complémentaire) puis double brin, copie de l’information génétique portée par I 'ARN viral. Cet ADN peut alors pénétrer dans le noyau par les pores nucléaires, s'intégrer au sein de l'ADN génomique de la cellule hôte, et s'exprimer. Le VIH est donc un rétrovirus (acaryote = sans noyau mais avec un ARN) De même que pour les bactériophages, l'expression du génome viral utilise la machinerie cellulaire de la cellule infectée (ribosomes, ARNt, énergie produite sous forme d'ATP par les mitochondries ...). Après assemblage des nucléocapsides, les virions sont émis par bourgeonnement de la membrane plasmique.

Dynéines et kinésines permettent le déplacement le long des microtubules d’organites (réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, endosome ...) et de vésicules. Les microtubules interviennent aussi dans le maintien de la structure cellulaire ; l’appareil de Golgi, par exemple, se dissocie à la mitose suite à la réorganisation des microtubules. Au niveau neuronal où le trafic vésiculaire est dense, les microtubules forment des réseaux stables (présence de MAP stabilisatrices). Le transport antérograde (du corps cellulaire à la terminaison axonale) est assuré par les kinésines, tandis que le transport rétrograde (de la terminaison axonale jusqu'au corps cellulaire) est assuré par les dynéines. Médecine : La perturbation de la polymérisation des microtubules par des drogues (vinblastine, taxol ... ) compromet la viabilité de l'axone et provoque une neuropathie périphérique.

Parmi ces protéines, la stathmine est une protéine cytoplasmique qui séquestre les dimères de tubuline α/β et s’associe à I’extrémité (+) où elle favorise l'activité GTPase de la tubuline β. La katanine fragmente les microtubules et les déstabilise en générant des extrémités dépourvues de coiffe GTP.

Les protéines de coiffage sont des protéines qui se lient aux extrémités barbées (+) des filaments d’actine-F (ex : protéine CapZ : cappind protein Z) et empêche l’ajout de nouveaux monomères d’actine. La polymérisation ne peut plus alors se faire qu'à l'extrémité (-), de manière beaucoup plus lente. La twinfiline est capable de jouer ce rôle. Liée à un monomère d’actine-G, elle se lie au filament d’actine et empêche l’assemblage d’autres monomères. Le complexe ARP s’associe à l’extrémité (-) du filament d’actine se qui permet sa stabilisation.

Formation en bicouche : L'observation d'une membrane plasmique au microscope électronique à transmission montre une structure fine (6 à 7 nm d'épaisseur) et constituée de deux feuillets, chacun correspondant à une couche lipidique. Les lipides constituent en moyenne environ 50% (en masse) de la membrane des cellules animales. Il s’agit essentiellement de phospholipides (glycérophospholipides et sphingolipides), ainsi que dans une moindre mesure de cholestérol et de glycolipides (lipides associés à du glucose parfois aussi des glycoprotéines mais uniquement dans le feuillet extracellulaire des membrane plasmique). En microscopie électronique on observe une tri-lamination de la membrane : un feuillet clair de 3 nm (environ 2 fois la longueur d’une chaîne d’acide gras) entouré par 2 feuillets sombres de 2,5 nm chacun ; l’épaisseur totale est donc d’environ 8 nm. Ceci a permis de mettre en évidence la structure en bicouche phospholipidique de la membrane plasmique.

Elles sont délimitées par une double membrane. La mitochondrie est le lieu des réactions du catabolisme oxydatif, permettant la synthèse d'énergie utilisable pour la cellule (sous forme d’ATP) à partir de l’oxydation complète des molécules organiques. On trouve dans la matrice mitochondriale des petits ADN double brin circulaires, ainsi que les ribosomes et ARNt nécessaires à l'expression de ce génome mitochondrial. La présence d'une information génétique conduit à qualifier la mitochondrie d’organite semi-autonome : elle est capable de synthétiser quelques-unes de ses protéines, mais reste pour l'essentiel dépendante du génome nucléaire. On peut distinguer : - La membrane externe est quant à elle très perméable et non sélective, grâce à la présence de porines : ces protéines transmembranaires ménagent un canal permettant le passage de toute molécule d'une masse moléculaire inférieure à 5 kDa (ce qui inclut donc certaines petites protéines). De ce fait, la composition de l’espace intermembranaire est très similaire (au niveau des petites molécules) à celle du cytosol. - La membrane interne est très imperméable et très sélective aux ions et aux petites molécules (en particulier du fait de la présence de phospholipides spécifiques (pas de cholestérol), les cardiolipines, bloquant le passage des ions H+) : l'espace intermembranaire est ainsi d'une composition très différente de la matrice. En particulier, une différence de potentiel électrique importante (estimée à - 160 mV) est présente au niveau de la membrane interne. Cette membrane interne forme des replis appelés crètes mitochondriales (plus il y a de replis, plus l’activité est importante). - La matrice mitochondriale où se trouve des enzymes qui interviennent dans le cycle de Krebs (intervention dans la βoxydation des acides gras), un acyl CoA synthétase qui pourra activer les acides gras à chaines courtes, des grains denses (forme de stockage du Ca2+, Mg2+), des dismutases - L’espace intermembranaire est très étroit, à cet endroit il y a des échanges H+ qui interviennent dans la phosphorylation de l’ADP et présence de cytochrome C qui intervient dans les mécanismes d’apoptose.

Les glycolipides (20% des lipides de la membrane) : peu abondants dans les cellules, présents surtout au niveau des cellules nerveuses. Ils sont impliqués dans l’établissement du groupe sanguin. Ils sont constitués d’oligosaccharide : « oligo »=peu, « saccharide »= sucre, et se lient à la partie polaire des lipides, la partie sucrée pointant vers le milieu extracellulaire. On peut siter : - les glycosylphosphatidylinositol ou GPI qui ancre les protéines extracellulaires dans la membrane - les cérébrosides ou galactcérébrosides (glycolipide simple) constituants de la gaine de myéline, impliquée dans les interactions nerveuses - les gangliosides (glycolipide complexe) qui ont une fonction de récepteur pour les substances extracellulaires, ex : le récepteur GM1 à la surface des cellules intestinales, qui est également le récepteur de la toxine du choléra. Il comporte de l’acide N-acétyl neuraminique (NANA) ou acide sialique

Les monocouches sont des couches mono-moléculaires dont les têtes hydrophiles sont dirigées vers le milieu aqueux et les queues hydrophobes vers le milieu lipidique

Ces protéines créent un noyau de nucléation qui permettent d’initier la polymérisation de l’actine-G en microfilaments. Dans la cellule, il en existe plusieurs types : - Le complexe Arp2/3 (actin-related protein 2/3), sert de noyau de nucléation sur la base duquel le filament d’actine va pouvoir s’allonger, ce complexe doit d’abord être activé par un facteur nommé WASP. Arp 2/3 peut aussi jouer le rôle de branchement de filament, qui donne naissance à une structure de l’actine en réseau de mailles que l’on retrouve dans les lamellipodes (grands prolongements de la membrane plasmique de la cellule) lors de la migration cellulaire. - La formine : permet l’assemblage des filaments d’actine en faisceaux parallèles que l’on retrouve dans les filopodes.

Ces protéines clivent (cassent) les filaments d'actine F. On distinguera en particulier la cofiline (une protéine de la famille des ADF: Actin Depolymerization Factor), la cofiline met en œuvre des mécanismes de fragmentation des filaments et de dissociation des monomères d’actine de l’extrémité pointue (-), ces 2 mécanismes concourent au rôle de facteur de dépolymérisation de cette protéine. En présence de calcium, la gelsoline se fixe au polymère d’actine F et crée une coupure qui empêche la repolymérisation. Elle permet la transition gel (réseau de maille)/solution (monomères actine-G) dans le cytoplasme, La gelsoline agit en 4 étapes : - Liaison de Ca2+ ce qui provoque un changement de sa conformation et l’exposition de sites qui peuvent se lier à l’actine. - Fixation au filament d’actine F de façon parallèle à l’axe du filament - Clivage du filament d’actine - Le filament clivé se dépolymérise et les monomères d’actine-G-ADP sont pris en charge par la profiline qui échange l’ATP et les rend disponible à une nouvelle polymérisation.

In vivo, dans une cellule animale en interphase, les microtubules ont une organisation radiale avec les extrémités (+) dirigées vers le cortex cellulaire, et les extrémités (-) ancrées au centrosome. Bien que non entouré d'une membrane, le centrosome est souvent considéré comme un organite principal, le Centre Organisateur des Micro Tubules (MTOC, microtubule organizing center) de la cellule animale, c’est le site de nucléation qui existe dans la cellule alors que les microtubules ne se forment pas spontanément Le centrosome est constitué de deux centrioles perpendiculaires, chacun étant composé de 9 triplets de microtubules et entouré de protéines formant le matériel péricentriolaire (en gris dans la figure). Celui-ci sert à la nucléation et à l’ancrage des microtubules. Parmi les protéines le constituant, on trouve une autre isoforme de tubuline, la tubuline Ɣ (représentée dans la figure par des cercles verts). Le centrosome se réplique en GI/S et permet d'orienter le fuseau mitotique. Il permet le contrôle des microtubules formés en termes de nombre, de localisation et d’orientation. Les centrioles sont des structures cylindriques, en paire, entourés d’une matrice protéique sur laquelle on trouve des sites de nucléation. L’extrémité (-) est stabilisée et enchâssée dans la matrice protéique. Le microtubule reste fixé au niveau de la matrice puisqu’il est coiffé sur son extrémité (-).

C'est par la flexion de leur faisceau de microtubules que les cils et flagelles peuvent se mouvoir. A la surface de l'épithélium respiratoire (bronches et trachée) les champs de cils ondulent d'une manière coordonnée, ce qui permet le déplacement unidirectionnel (vers l'extérieur) du mucus bronchique. Le battement est un phénomène actif, suivi d'une phase de récupération passive, au cours de laquelle le cil retourne à sa position initiale. Le mouvement d'un cil est produit par la flexion de sa partie centrale, l'axonème (figure ci-contre) L'axonème, est constitué d'une armature de microtubules arrangés en 9 doublets périphériques qui entourent un doublet central. Chaque doublet périphérique est dû à l'assemblage de deux microtubules qui mettent en commun 13 protofilaments. Ils sont unis au sein de l’axonème par le biais de protéines rayonnantes, aussi appelées bras radiaires. Chaque doublet périphérique est dû à l'assemblage de deux microtubules ayant trois protofilaments en commun. Chaque doublet est relié à son voisin par un bras de nexine (protéine d'amarrage) et par deux bras de dynéine ciliaire (protéine motrice) qui assurent le glissement ATP-dépendant des microtubules les uns par rapport aux autres. Ce glissement est lui-même responsable de la flexion du cil, à l’origine du mouvement. Dans chaque doublet, un microtubule est associé à la dynéine. La dynéine interagit avec le doublet adjacent pour engendrer un mouvement de glissement d'un doublet sur l'autre (figure ci-contre). Comme la dynéine cytoplasmique (dans le transport des vésicules), la dynéine ciliaire a un domaine moteur qui hydrolyse l'ATP pour se déplacer le long d'un microtubule vers son extrémité (-).

Contrairement à l'actine et à la tubuline, qui sont des protéines globulaires, les divers types de protéines qui constituent les filaments intermédiaires sont des molécules fibreuses très allongées. Leur séquence en acides aminés favorise la formation de dimères super enroulés. Au cours de l'étape d'assemblage, deux des dimères super enroulés s'associent de manière antiparallèle pour former une sous-unité tétramérique. C'est un protofilament (3 nm de diamètre). Les tétramères s'ajoutent à un filament intermédiaire en cours d'élongation et 8 protofilaments forment le filament intermédiaire de 10 nm de diamètre. Les composants des filaments intermédiaires se trouvent rarement dans leur état libre (monomère). Ils ont toujours tendance à rejoindre un filament en polymérisation. Cependant, l'assemblage ou au contraire la dissociation du filament peut s'effectuer mais il s'agit toujours d'un processus lent (plusieurs minutes alors que pour ce qui concerne l'actine et la tubuline, seules quelques secondes sont nécessaires).

- Transport intracellulaire : Trafic dans les deux sens. Exemple dans le neurone, les axones et les dendrites : Transport des neuromédiateurs jusqu’à la terminaison axonale pour être exocytés et activer d’autres cellules. Organisation plutôt en étoile des microtubules dans d’autres types cellulaires : Pour l’organisation des transports vésiculaires, par exemple entre le réticulum endoplasmique et les citernes de l‘appareil de Golgi. - Positionnement des organites : Réticulum endoplasmique : Tendance à s’agglutiner au niveau du noyau car sa membrane est en continuité avec la membrane externe de l’enveloppe nucléaire. Membranes en association avec la queue des kinésines pour l’étaler dans la cellule et le rendre fonctionnel. Appareil de Golgi : Impliqué dans la sécrétion : tendance à se diriger vers la membrane plasmique Membranes en association avec les dynéines pour l’étaler et l’organiser au centre de la cellule. Exocytose et endocytose : Implication des : - Kinésines dans l’exocytose : sécrétion de molécules. - Dynéines dans l’endocytose : captation de molécules de l’extérieur.

La diffusion simple Passage transmembranaire des ions ou des molécules du plus concentré vers le moins concentrée, c’est-à-dire selon leur gradient de concentration ou leur gradient électrochimique sans dépense d’énergie ou de protéines de transport. Les caractéristiques de la diffusion simple sont : - Une absence de spécificité - Une absence de saturation - Une certaine lenteur (nécessité pour les molécules de se dissoudre avant de passer de l’autre côté) Les conditions nécessaires pour utiliser la diffusion simple sont : - Etre de petite taille = faible masse moléculaire - Absence de polarité (molécule apolaire, hydrophobe ou lipophile (stéroïdes, gaz) et si elle est hydrophile, elle doit être suffisamment petite (éthanol/urée)) - Différence de concentration de part et d’autre de la membrane. La nature hydrophobe des membranes est fondamentale dans leurs propriétés de perméabilité. Les molécules hydrophobes peuvent ainsi librement diffuser à travers la membrane. Au contraire, la membrane est peu ou pas perméable aux molécules hydrophiles. Ainsi, la capacité d'une molécule donnée à diffuser librement à travers une bicouche phospholipidique dépend de son caractère hydrophile ou hydrophobe, de la présence de charges éventuelles et de sa taille.

Ils sont constitués de microtubules, chaque cil vibratile contient 2 parties : 1 axonème constitué de 9 paires de microtubule et une paire centrale qui s’insère sur un corps basal constitué de 9 triplets de microtubule. Ce sont les microtubules qui vont permettre le mouvement synchrone des cils, on peut les trouver notamment dans l’épithélium respiratoire pour mobiliser le mucus qui contient la poussière, les corps étranger… on peut aussi les trouver au niveau de la trompe utérine où ils assurent la migration de l’ovule de l’ovaire vers la cavité utérine.

- La bordure en brosse/plateau strié : est un rassemblement de microvillosités ( Ce sont des expansions cytoplasmiques en doigts de gant de longueur variable (moins de 1μm) et de diamètre régulier (0.1μm). Elles renferment un axe formé de microfilaments d'actines et de nombreuses protéines (villines et fimbrines) permettent l'association du cytosquelette avec les protéines membranaires. Ils interviennent dans les phénomènes d’absorption) qui touche la membrane plasmique du pôle apical des cellules, permettant une augmentation de la surface d’échanges des cellules épithéliales (entérocytes, tubules rénaux, etc). Les microvillosités sont constituées de faisceaux de microfilaments d’actines, parallèles par rapport à l’axe de la microvillosité, eux même fixés à la membrane plasmique par des myosines et pour être plus stables ces filaments d’actines sont fixés entre eux par des protéines : fibrine, calmoduline et villine. A la base de la microvillosité on trouve des filaments intermédiaires (spectrine) qui s’orientent de manière perpendiculaire par rapport aux microvillosités. La structure des faisceaux est permise grâce aux villines et fimbrines qui unissent les microfilaments d’actines entre eux (cf. chapitres microfilaments d’actines). Les faisceaux sont fixés à la membrane à l’aide de protéines contractiles : les myosines 1 latéralement et les myosines 5 à la pointe de la microvillosité. Ils sont immobiles.

Les microtubules jouent un rôle essentiel dans la séparation des chromosomes lors de la division cellulaire (la mitose). Ils forment une structure très élaborée appelée fuseau mitotique. Cette structure est mise en place pour permettre la séparation des chromatides sœurs (l'ADN hautement condensée), une copie chacune vers les nouvelles cellules filles. Brièvement, après avoir reproduit le centrosome, chacun étant positionné sur des côtés opposés du noyau, trois structures de microtubules sont créées. Les microtubules astraux en contact avec la membrane, les microtubules polaires en contact avec les microtubules du centrosome opposé et les microtubules kinétochoriens connectés avec les chromatides sœurs. Le site de fixation des microtubules aux chromatides est appelé le kinétochore (kineto, mouvement + choros, lieu). Quand tout est bien aligné une structure typique apparaît appelée fuseau mitotique (au moment de la métaphase de la mitose). Afin de tirer à part les chromatides, un complexe annulaire, appelé Dam1, glisse sur les microtubules kinétochoriens vers les pôles opposés de la cellule (événement caractéristique de l'anaphase). Dans le même temps, les microtubules dépolymérisent afin de ne pas entraver le mouvement des chromatides. Une fois séparés, un anneau d'actine « coupe » la cellule en deux cellules filles, un processus appelé cytodiérèse.

Ces organites délimités par une simple membrane sont caractérisés par un pH très acide. Ils comportent de nombreuses enzymes hydrolytiques, permettant ainsi d'assurer la digestion intracellulaire (déchets cellulaires, organites endommagés). Ils apparaissent à l'observation comme de petites vésicules de tailles très variables (en général de 0,1 à 1,2 μm), et on distingue les lysosomes primaires, vésicules issues de l'appareil de Golgi, et les lysosomes secondaires, où l’essentiel des dégradations est réalisé. Les lysosomes possèdent une grande variété d'enzymes hydrolytiques.

La compartimentation permet donc d’optimiser les activités d’hydrolyse, tout en protégeant les molécules cytosoliques. La contrepartie de cette différenciation vis-à-vis du cytosol réside dans l’acheminement des composés à dégrader : endocytose, phagocytose ou internalisation.

Le desmosome se lie aux filaments intermédiaires du cytosquelette, jonction large et ponctuelle, les protéines transmembranaires de cette jonction sont les cadhérines calcium dépendante au nombre de 2 : les desmocollines et desmogléines, les protéines intracytoplasmiques de cette jonction sont les plakoglobines et les desmoplakines qui vont former avec l’extrémité intracellulaire des cadhérines la plaque membranaire de cette jonction qui se lient à des filaments intermédiaires du cytosquelette (cytokératines dans les cellules épithéliales et les desmines au niveau des cellules cardiaques)

Le cholestérol (25% des lipides de la membrane) : molécule amphiphile, largement hydrophobe puisqu’elle est formée d’un noyau stéroïde (stérol) comportant plusieurs cycles sans fonctions alcool ni charge et une chaine apolaire hydrogénocarbonée qui peut interagir avec les acides gras des glycérophospholipides grâce à des interactions hydrophobes. Il pourra ainsi régidifier les membranes et former des radeaux lipidiques (sera vu plus tard) qui sont des structures membranaires particulières. On les trouve en quantité non négligeable dans les membranes cellulaires notamment la membrane plasmique. Il est absent dans la membrane interne mitochondriale et chez les procaryotes. Et peu présent dans les membranes internes intracellulaires constituant les organites. Il pourra à hautes températures rigidifier la membrane et à basses températures la fluidifier.

Formation en liposomes : Les phospholipides ont la particularité d’être amphiphiles, ce qui permet leur positionnement en micelles ou liposomes (et donc en bicouche). Elle permet de véhiculer des molécules : - hydrophiles dans le cœur hydrophile (glycérol, de phosphate et d’alcool) - lipophiles = hydrophobes, s’enchâssant dans la partie hydrophobe, en interaction avec des acides gras - amphiphile par insertion à l’interface En médecine, ils peuvent être des agents de vectorisation : par lipofection (technique de transfert horizontal de gènes dans les cellules eucaryotes, basée sur l'association de l'ADN à des liposomes cationiques) puis libération du contenu du liposome dans la cellule ou en permettant le transport de médicaments

Le cytosquelette est un réseau de filaments qui fait partie du cytoplasme. Il se caractérise par sa flexibilité, sa fermeté et sa forme tridimensionnelle. Son rôle est le soutien, la motilité et la régulation des processus biochimiques dans la cellule. Sa structure est divisée en microtubules, microfilaments, filaments intermédiaires et cils ou flagelles. Le cytosquelette est un ensemble de polymères biologiques conférant à la cellule sa forme et son dynamisme. Au sein de la cellule, il permet l'ancrage et le déplacement d'organites ou de vésicules. Au sein du tissu, il joue un rôle important dans l'établissement des jonctions intercellulaires ou entre les cellules et leur matrice.Contrairement au squelette osseux qui est rigide, le cytosquelette cellulaire est une structure très dynamique qui se réorganise continuellement au cours des différents événements cellulaires (migration, division, etc.) Tous les éléments du cytosquelette sont des structures protéiques allongées résultant de la polymérisation d'éléments monomériques.Trois familles de protéines forment le cytosquelette : 1. les filaments d'actine (microfilaments),2. les filaments dits intermédiaires et3. les microtubules

- Hémidesmosomes : la laminine 5 de la lame basale va se lier aux protéines transmembranaires du pôle basal, les intégrines qui se lient aux protéines intracytoplasmiques de la plaque membranaire comme la plectine qui elles se lient aux filaments intermédiaires du cytosquelette

La régulation des interactions entre actine et myosine fait intervenir la troponine et la tropomyosine. La troponine est une molécule composée de 3 chaines respectivement dénommées troponine-T (responsable de la liaison troponine-tropomyosine) troponine -I (activité inhibitrice de l'activité ATPasique de la myosine) et troponine-C (fixation du calcium). La tropomyosine est une protéine se liant transversalement à l’actine, en bloquant ainsi l’accès pour la myosine. Lors de l'arrivée d'un influx nerveux, la libération d’acétylcholine par le motoneurone provoque la dépolarisation membranaire du myocyte. Cette dépolarisation provoque à son tour l'ouverture d'un canal calcium dépendant du voltage au niveau du réticulum endoplasmique. Le calcium libéré va alors se fixer sur la troponine-C, entraînant le déplacement de la tropomyosine, suivi de l'interaction actine-myosine II et de la contraction musculaire. La tropomyosine et la troponine sont deux protéines régulatrices essentielles pour la contraction musculaire. La tropomyosine est une protéine fibreuse qui se lie à l’actine, bloquant les sites de liaison de la myosine et empêchant ainsi la contraction musculaire. La troponine est une protéine globulaire qui se lie à la tropomyosine et à l’actine, régulant l’accès de la myosine aux sites de liaison. Lors de la dépolarisation du muscle, le calcium se lie à la troponine, entraînant une modification conformationnelle de la tropomyosine et permettant ainsi l’accès de la myosine aux sites de liaison, ce qui déclenche la contraction musculaire.

Les protéines transmembranaires traversent les deux feuillets de la membrane grâce à l’existence d’au moins un domaine hydrophobe. Ces protéines sont liées de manière stable à la membrane avec l’environnement hydrophobe de la face interne de la membrane, par les acides aminés apolaires organisés en hélices α. Elles ne peuvent ainsi être séparées de la double couche phospholipidique (et donc étudiées) que par l’action de détergents.

Ce déplacement s'effectue selon un cycle de modifications successives. Au début du cycle, la tête de myosine-II est attachée à l'actine. Cette interaction est de très courte durée car une molécule d'ATP se lie à la tête et provoque une réduction d'affinité pour l'actine. La tête de myosine-II s'éloigne. L'hydrolyse de l'ATP s'ensuit (étape limitante) et induit un changement de la position de la tête de myosine-II (ADP et Pi restent associés à la myosine-II). Dans cet état, la tête s'attache de nouveau à l'actine. La perte subséquente de phosphate (Pi) remet la tête de myosine-II à la position de départ, ce qui déplace le filament d'actine d'environ 10 nm. La perte de Pi est le moment où l'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP est convertie en mouvement. L'ADP se détache et est remplacé en moins d'une milliseconde par une nouvelle molécule d'ATP et un nouveau cycle peut commencer. La répétition de ce cycle engendre une contraction dynamique.

L'interaction actine/myosine est hautement régulée pour prévenir les contractions musculaires indésirables (par exemple, imaginez les conséquences désastreuses sur la respiration d'une contraction des muscles intercostaux maintenue pendant quelques minutes). La contraction du muscle squelettique est déclenchée par des motoneurones qui forment des synapses spécialisées, les jonctions neuro-musculaires (ou plaques motrices) (figure ci-contre). L'ensemble constitué par un motoneurone et une ou quelques cellules musculaires est appelé « unité motrice ». Le système nerveux influence la force de contraction d'un muscle : 1. en mobilisant plus au moins d'unités motrices et 2. en réglant la fréquence d'activation de chacune de ces unités motrices (avec un maximum de 200 potentiels d'action car chaque cycle dure 50 millisecondes)

Cette membrane est riche en protéines et très imperméable aux ions et petites molécules organiques. Plusieurs transporteurs actifs permettent l’entrée de molécules à dégrader (pyruvate, acyl-CoA), du pouvoir réducteur formé au cours de la glycolyse en particulier, et la sortie de l’ A TP produit dans la mitochondrie. La membrane interne est aussi le lieu de la phosphorylation oxydative. Les coenzymes réduits (NADH,H+ et FADH ) permettent la réalisation d’une chaine de réactions d’oxydoréduction réalisée par quatre complexes multiprotéiques et deux molécules mobiles. Le dernier complexe permet la réduction du dioxygène (O2 joue ainsi le rôle d'accepteur final des électrons transmis le long de la chaîne) en eau H2O Cet ensemble de réactions est couple avec la translocation de protons H+ de la matrice vers l'espace intermembranaire : le transfert d’électrons le long de la chaine respiratoire permet donc la formation d’un gradient de protons. Il s' agit d'un gradient électrochimique : - l'accumulation de protons dans l'espace intermembranaire induit une différence de pH (composante chimique du gradient), mais qui reste faible du fait de la dilution des protons vers le cytosol (la membrane externe étant très poreuse); - le passage de protons de la matrice vers l'espace intermembranaire induit une différence de potentiel au niveau de la membrane interne (négative vers la matrice}

• Il organise la cellule : le cytosquelette est la matrice sur laquelle reposent les organites, et l'une de ses fonctions principales est de maintenir chaque organite en place. On pensait autrefois que les organites flottaient seuls dans le cytosol, mais on a découvert au fil du temps que le cytoplasme était constitué non seulement de la substance liquide appelée cytosol, mais aussi d'une matrice de fibres appelée cytosquelette. • Soutien de la cellule : comme ce sont des protéines fibreuses, le cytosquelette contribue à la rigidité de la cellule. Ceci est particulièrement utile pour les cellules animales qui, à l'inverse des cellules végétales, sont dépourvues de paroi cellulaire. • Ils permettent un mouvement ordonné à l'intérieur de la cellule : bien que les organites soient fixés par le cytosquelette, ce dernier est aussi flexible afin de permettre des petits mouvements à l'intérieur de la cellule, comme le flux cytoplasmique dans les cellules végétales. Les mouvements à l'intérieur de la cellule sont appelés motilité cellulaire. • Il régule les processus biochimiques au sein de la cellule : le cytosquelette, par le biais de la motilité cellulaire, permet la circulation des composants fabriqués dans les organites, et ceux-ci peuvent être déplacés au sein de la cellule dans le cadre des processus biochimiques nécessaires à l'accomplissement de leurs fonctions.

Formation en micelles : sont des formations sous la forme de gouttelettes rondes, où dans un milieu aqueux les têtes hydrophiles sont dirigées vers l’extérieur de la sphère et les queues hydrophobes sont dirigées vers l’intérieur (dans un milieu lipidique la conformation est inverse)

Les faisceaux linéaires : C'est l'organisation type des microvillosités et des filopodes (petites projections fines de la membrane plasmique), au sein desquels tous les filaments sont orientés selon la même polarité grâce à une protéine intercalaire, la fimbrine. L'espace d'environ 20 nm entre les filaments est déterminé par leur liaison à la fimbrine (protéine intercalaire de 20 nm, 68 kDa).

Un peu de phylogénie : la vie sur Terre est apparue il y a environ 2,4 à 3 milliards d’année (Ga). Il y a 3 milliards d’années, il y a apparition du procaryote ancestral les archéobactéries (ou archées) qui présentent un métabolisme particulier, ils sont anaérobies (aérobie=air) et sont incapables d’utiliser l’oxygène. Au cours du temps, le procaryote ancestral subit une invagination de la membrane plasmique, Des repliements à l’intérieur de la cellule entourent l’information génétique : c’est la formation des premiers constituants du noyau cellulaire et la constitution d’éléments intracellulaires comme le réticulum endoplasmique. C’est une cellule ayant évolué mais toujours incapable d’utiliser l’oxygène. C’est l’apparition de l’eucaryote ancestral. Et enfin apparition de l’eucaryote de la lignée animale ou végétale et avec lui de la théorie de l’endosymbiose (endo : à l’intérieur, symbiose : association mutuellement bénéfique entre 2 êtres vivants) - Cellule animale : phagocytose d’un procaryote aérobie (capable d’utiliser l’oxygène). La cellule a alors un métabolisme hétérotrophe, elle est donc capable d’utiliser des composés organiques (composés de carbone : glucose, lipides, protéines). Ce qui correspond à la formation de la mitochondrie de l’eucaryote animal, ce qui explique la taille de la mitochondrie qui correspondrait à celle d’une bactérie. C’est l’apparition de l’ancêtre des eucaryotes animal - Cellule végétale : phagocytose d’une cyanobactérie capable de réaliser la photosynthèse, conversion des composés minéraux en composés organiques en utilisant l'énergie lumineuse reçue du soleil. C’est l’apparition des chloroplastes de l’ancêtre de l’eucaryote végétal

Importance du cytosquelette dans le maintien mécanique de la cellule et du tissu. Dans les cellules épithéliales, les filaments intermédiaires sont fortement impliqués dans deux types de jonctions d'ancrage : 1. desmosome, interaction cellule-cellule, où ils sont liés avec les membres de la famille des cadhérines, et 2. hémi-desmosome, interaction cellule-lame basale, où ils sont liés aux intégrines. Certaines mutations ponctuelles dans les gènes des kératines 5 et 14, fortement exprimés dans la couche cellulaire basale de l'épiderme, causent la désorganisation du réseau de filaments intermédiaires dans ces cellules épithéliales. Cette désorganisation rend les cellules sensibles aux forces mécaniques, si bien que la moindre pression peut rompre la cellule, induisant ainsi l'inflammation et la formation d'ampoules cutanées. Cette fragilité est à l'origine de la maladie appelée « épidermolyse bulleuse ».

L'actine se polymérise (en présence d'ATP) en une hélice serrée de 5-9 nm de diamètre formant un filament flexible et polaire. Lorsque l'on solubilise l'actine en présence de KCl, ATP, Mg2+ et d'un catalyseur tel que le complexe ARP2/3 qui permet de fixer les premiers monomères (amorce), elle forme spontanément des polymères (filament d'actine ou actine-F). La croissance du filament est très rapide (1000 actines/s) au pôle plus et très lente, voire absente, au pôle moins. Après la polymérisation, une hydrolyse aléatoire de l'ATP a lieu, le phosphate (Pi) est libéré et l'ADP qui en résulte reste piégé dans le polymère. La vitesse d’hydrolyse de l’ATP, lente au sein du monomère, augmente considérablement. Or les molécules d'actine liées à l'ADP ont tendance à se détacher du polymère aux extrémités des filaments. Les monomères d'actine ainsi libérés doivent être rechargés en ATP avant de rejoindre le filament (figure 2 ci-dessous).

La stimulation nerveuse des cellules musculaires entraine une augmentation de la concentration intracellulaire en Ca2+ qui représente le signal de contraction. La dépendance de la contraction des muscles squelettiques à l'égard des ions Ca2+ est entièrement due à une catégorie de protéines accessoires étroitement associées aux filaments d'actine. Une de ces protéines accessoires est la troponine (18 kDa), qui fixe le Ca2+. La deuxième est la tropomyosine-II (35 kDa), constituée de deux chaînes protéiques enroulées autour du filament d'actine et pouvant masquer ou démasquer le site de liaison actine/myosine-II. En absence de Ca2+ la tropomyosine-II empêche la tête de myosine-II d'interagir avec les filaments d'actine et en présence de Ca2+, et sous influence de la troponine, la tropomyosine-II se déplace légèrement, permettant ainsi l'interaction entre actine et myosine-II.

Remarque : Le cycle de modification de la myosine en absence de Ca2+ (état de repos) En absence de Ca2+, le cycle d'hydrolyse de l'ATP se déroule mais de façon plus lente (environ 1000 fois). En effet, les têtes de myosine-II restent plus longtemps dans l'état de liaison ADP + Pi avant que le Pi et l'ADP soient libérés et remplacés par une nouvelle molécule d'ATP. C'est le contact actine-myosine-II qui accélère la perte de Pi et ADP et donc le cycle d'hydrolyse. On peut ainsi prendre conscience de l'énorme demande d'ATP (1000 fois) lorsque le muscle se contracte, une demande qui doit être compensée par une production mitochondriale équivalente, de façon à éventuellement soutenir une contraction prolongée.

Il existe trois protéines de séquestration dans la cellule. - La thymosine béta 4 - La profiline : Protéine de la famille des ABP : “actin binding protein” - La twinfiline : grande affinité pour les monomères d’actine G ADP, elle inhibe l’échange nucléosidique et empêche l’incorporation des monomères actine G à l’actine F, c’est aussi une protéine de coiffage. Ces protéines interagissent avec les monomères d’actine-G et permettent de maintenir un pool d’ actine-G dans le cytoplasme de la cellule. Les protéines de séquestration interagissent avec les monomères d'actine G, les empêchant d'être incorporés dans le filament d'actine F. C'est le cas de la thymosine qui en se fixant à l’actine G (extrémité -, pointue) induit un changement de conformation de l’actine qui devient rigide ce qui inhibe l'échange nucléosidique. À l'inverse, la profiline favorisera cet échange ADP/ATP. Le complexe profiline-actine G-ATP se lie à l'extrémité (+, barbée) du filament d'actine : cette association est quasi indispensable à la polymérisation. Médecine : Les bactéries pathogènes listeria et Shigella expriment à leur surface une protéine qui initie la polymérisation des microfilaments d'actine. La force de propulsion qui résulte de cette polymérisation permet à ces bactéries de se déplacer dans le cytoplasme de la cellule hôte et des cellules adjacentes du tissu intestinal, en échappant au système immunitaire.

Les interdigitations : sont des interpénétrations de membranes latérales de cellules voisines. Elles sont souvent rectilignes et suivent des contours sinueux par place. Ces dispositifs permettent : - l’Adhésion des cellules. - leur cohésion. - et l’augmentation de la surface de la membrane cellulaire. La membrane plasmique des faces latérales entre 2 cellules adjacentes n’est pas toujours rectiligne mais présentes des interdigitations dont le rôle d’augmenter la surface de contact entre ces 2 cellules, lors de l’expansion de ces cavités la paroi se dilate facilement parce que ces interdigitations jouent le rôle de réserve membranaire. Les jonctions sont classifiées selon 2 critères : l’espace entre 2 cellules et de la forme des jonctions En fonction de l’espace : si il est très serré on parle jonction d’occludens, très large : jonction adhérente, moyenne : jonction gap En fonction de la forme : si elle est longue comme une ceinture : zonula, si elle est ponctuelle : macula, si elle prend la forme d’une plaque : facia

Chaque myofibrille est constituée par une juxtaposition linéaire de sarcomères, alternance de filaments fins et de filaments épais. Les filaments fins sont attachés de part et d'autre du disque Z (comprenant en particulier de l'-actinine) et alignés avec d'autres filaments fins eux-mêmes attachés à un autre disque Z. Entre deux disques Z, dans les espaces laissés entre les filaments fins, on trouve les filaments épais constitués par de nombreuses molécules de myosine II liées entre elles Les filaments d'actine, longs d'environ 1μm, sont attachés aux disques Z par l'intermédiaire de capZ (protéine de coiffage qui se fixe à l'extrémité plus) et de l'α-actinine. L'extrémité moins (libre) est stabilisée par la tropomoduline. Sur sa longueur, le filament d'actine est associé à d'autres protéines qui interviennent dans la contraction musculaire.

Les sarcomères sont les unités fonctionnelles de base des myofibrilles, mesurant environ 2 μm de longueur. Chaque myofibrille est structurée en unité fonctionnelle qu’on appelle sarcomère. Les sarcomères sont délimités par des stries Z (Z pour zwischen qui signifie "entre" en allemand). Entre chaque strie Z, on retrouve des bandes claires I (I pour isotropique : déplacement dans toutes les directions) à cheval sur les stries Z et une bande sombre A (A pour anisotropique). Au centre de la bande A, il y a une partie un peu plus claire qu’on appelle la bande H. Au niveau moléculaire, les bandes claires I ne comportent que des myofilaments d’actine alors que les bandes sombres A comportent des myofilaments d’actine et des myofilaments de myosine. La bande H, au centre des bandes A, ne comporte que des myofilaments de myosine, d’où sa relative clarté par rapport au reste de la bande A.

Grâce à leur polarité, les filaments d'actine peuvent servir de support au déplacement de vésicules ou d'organites à l'intérieur de la cellule. Ce mouvement est catalysé grâce à des protéines motrices de la famille des myosines, dont il existe plus de 50 types chez l’Homme, majoritairement dimériques. La myosine I fait office d’exception, elle est monomérique. Toutes les myosines se déplacent vers I’extrémité (+) des microfilaments. Structurellement, les myosines possèdent une (ou deux si dimériques) tête(s) globulaire(s) s'associant à l'actine et une (ou deux) queue(s) fibreuse(s), très variable(s), procurant la spécificité de la liaison à d’autres molécules. Ainsi, les myosines I et V s'attachent par leur domaine fibreux aux membranes cellulaires (membrane plasmique ou membrane des vésicules).

• Croissance du cheveu Le follicule pileux évolue selon plusieurs phases successives appelées anagène, télogène et catagène. La croissance du cheveu est déterminée par l'activité de la papille dermique qui est très forte pendant la phase anagène (papille volumineuse et bien vascularisée), ralentit pendant la phase télogène et disparaît au cours de la phase catagène. Pendant la phase catagène les opérations de brossage ou de lavage provoquent facilement la chute du cheveu. Le follicule pileux peut ultérieurement être réactivé et entamer un autre cycle de croissance remplaçant ainsi le cheveu perdu (figure 20 ci-dessous). La croissance moyenne du cheveu est environ de 0,35 mm par jour mais varie selon le site d'implantation, l'âge et le sexe de l'individu. La longueur du cheveu est déterminée par celle de la phase anagène. Pour un cheveu, cette longue phase (6-10 ans) conduit à un cheveu d'une longueur de 0,76 – 1,28 m. Pour le poil corporel, la phase anagène ne dure que 1 à 6 mois, conduisant à un poil de 1,0 – 6,3 cm de long.

• Permanentes et shampooings Les ponts disulfures reliant les filaments de kératine peuvent être rompus par réduction chimique. Dans le domaine de la coiffure, on provoque cette rupture par une solution légèrement alcaline appelée « liquide ondulant ». Cette opération est suivie d'une application d'un "liquide fixant », dilution d'H2O2, qui rétablit les ponts disulfures par un processus d'oxydation chimique. Selon le diamètre du support d'enroulement (bigoudi), l'artisan friseur modulera l'ondulation de la chevelure. Ce type de traitement est appelé « permanente » en raison de sa durabilité. En plus de leur rôle de nettoyage, les shampooings contiennent souvent des produits qui « volumisent » la chevelure. Associées aux protéines de blé et de soja, ces substances se fixent aux cheveux, leur conférant un surplus de volume. Les shampooings peuvent également contenir des céramides, lipides qui se fixent aux cellules kératinisées mortes, accroissant ainsi la souplesse et l'éclat de la chevelure. Aucun de ces produits ne modifie la croissance et l'intégrité chimique du cheveu. • La perte des cheveux due à la chimiothérapie En causant l'arrêt de la prolifération cellulaire, la chimiothérapie anticancéreuse s'accompagnera d'un arrêt de la croissance des cheveux. Cependant, on observe en plus une perte des cheveux, appelée alopécie qui s'explique par la fragilisation de l'ancrage du cheveu dans le follicule pileux. Certains patients perdent même leurs cils et sourcils. A l'arrêt de la chimiothérapie, le follicule se réactivera et reconstruira un nouveau cheveu.

Jonction zonula adhérence : l’espace entre les 2 cellules est de 20 à 25 nm, la jonction est large et forme une ceinture, elle est constituée de protéines transmembranaires : E- cadhérine calcium dépendante (en présence de calcium les cadhérines s’associent 2 ) par des protéines intracytoplasmiques ( alpha, béta et gamma caténines, ces protéines avec l’extrémité intracytoplasmique des cadhérine transmembranaire forme la plaque membranaire des zonula adhérence) et protéines du cytosquelette (filaments fin d’actine qui se lient à cette plaque membranaire)

Cette première phase est la phase limitante du processus, elle consiste en la création d'un « noyau », amorce permettant la fixation des premiers monomères d’actine G. Cet assemblage initial, de l'actine (processus également appelé nucléation) est thermodynamiquement défavorable. Des protéines appelées nucléateurs favorisent l’association des monomères d'actine. Le complexe Arp2/3 (actin related protéins) est le nucléateur d’actine le plus étudié et par conséquent le mieux caractérisé. Son activation requiert un changement conformationnel, dépendant de l’ATP, mais surtout de la présence de NPFs (nucleation promotingfactors), des protéines favorisant ce changement de conformation. Arp 2/3 permet l’établissement d’un réseau branché d’actine. L'assemblage des filaments linéaires dans les filopodes, est quant à lui, initié par d’autres types de nucléateurs comme, par exemple, la formine (une protéine).

Les microtubules sont très présents dans les cellules eucaryotes et particulièrement abondants dans les cellules nerveuses dans lesquelles ils représentent 10-20% des protéines totales (figure ci-dessous). Les microtubules sont des polymères cylindriques, creux et rigides (comme un tube). Ils sont constitués de dimères de tubuline, protéine globulaire de 52 kDa. Chaque dimère résulte de l'association d'α- et β-tubuline. Il existe diverses formes de tubuline : 6 formes d'α-tubuline et 6 formes de β-tubuline. Il existe également des γ, δ et ε tubulines que l'on ne trouve pas dans les microtubules mais dans les structures centriolaires. Les α et β-tubulines lient le GTP ; le GTP de l'α-tubuline est enfoui à l'intérieur et donc non échangeable ; alors que le GTP de β-tubuline est exposé en surface et échangeable. Les microtubules sont des cylindres creux de 25 nm de diamètre formés par l’assemblage de 13 protofilaments. Les protofilaments sont constitués par une succession linéaire d’hétérodimères de tubulines  et β. Chaque monomère de tubuline possède un site de liaison pour une molécule de GTP, mais seul le GTP de la tubuline β est hydrolysable et échangeable, l'autre GTP étant simplement un cofacteur structural. Comme pour l’assemblage des microfilaments, celui des microtubules comprend une étape limitante d’initiation, la nucléation, suivie d’une étape rapide d'élongation.

Les microvillosités sont de fins prolongements cellulaires de forme cylindrique de 0,5 μm à 2 μm situés au pôle apical de certaines cellules animales polarisées. Ces structures permettent d'augmenter la surface d'échange membranaire et sont donc rencontrées à la surface de nombreux épithéliums. En histologie, les microvillosités forment la « bordure en brosse ». Leur rigidité est assurée par les microfilaments d'actine. L’actine est ici organisé en réseau serré grâce à la fimbrine (voir cours sur la membrane), et stabilisé (non dynamique) grâce aux protéines de coiffe dans la région amorphe.

Un peu de phylogénie : la vie sur Terre est apparue il y a environ 2,4 à 3 milliards d’année (Ga). Il y a 3 milliards d’années, il y a apparition du procaryote ancestral les archéobactéries (ou archées) qui présentent un métabolisme particulier, ils sont anaérobies (aérobie=air) et sont incapables d’utiliser l’oxygène. Au cours du temps, le procaryote ancestral subit une invagination de la membrane plasmique, Des repliements à l’intérieur de la cellule entourent l’information génétique : c’est la formation des premiers constituants du noyau cellulaire et la constitution d’éléments intracellulaires comme le réticulum endoplasmique. C’est une cellule ayant évolué mais toujours incapable d’utiliser l’oxygène. C’est l’apparition de l’eucaryote ancestral. Et enfin apparition de l’eucaryote de la lignée animale ou végétale et avec lui de la théorie de l’endosymbiose (endo : à l’intérieur, symbiose : association mutuellement bénéfique entre 2 êtres vivants) - Cellule animale : phagocytose d’un procaryote aérobie (capable d’utiliser l’oxygène). La cellule a alors un métabolisme hétérotrophe, elle est donc capable d’utiliser des composés organiques (composés de carbone : glucose, lipides, protéines). Ce qui correspond à la formation de la mitochondrie de l’eucaryote animal, ce qui explique la taille de la mitochondrie qui correspondrait à celle d’une bactérie. C’est l’apparition de l’ancêtre des eucaryotes animal - Cellule végétale : phagocytose d’une cyanobactérie capable de réaliser la photosynthèse, conversion des composés minéraux en composés organiques en utilisant l'énergie lumineuse reçue du soleil. C’est l’apparition des chloroplastes de l’ancêtre de l’eucaryote végétal

• Le follicule pileux Le cheveu (et le poil) est une fine structure capillaire constituée de cellules mortes remplies de filaments de kératine et de résidus lipidiques provenant des membranes plasmiques. Les qualités des cheveux reflètent bien celles des filaments de kératine : grande résistance à la tension, flexibilité et insolubilité dans les détergents. Chaque cheveu est produit par un follicule et le cuir chevelu possède environ 150 000 follicules et donc 150 000 cheveux. Les follicules pileux sont constitués d'un bulbe, de la tige du cheveu et de glandes sébacées. Dans le bulbe, c'est une assise génératrice épithéliale (prolongement de celle de l'épiderme) recouvrant une papille dermique mésenchymateuse, qui produit les cellules formant le cheveu. L'assise génératrice contient aussi des mélanocytes qui élaborent de la mélanine sous forme de grains (mélanosomes) qui sont capturés par les cellules épithéliales et sont donc responsables de la couleur du cheveu

En périphérie du cheveu les cellules sont aplaties et forment la cuticule. En position plus interne, elles sont fusiformes (cortex). Pendant qu'elles sont poussées vers le haut, les cellules corticales produisent de grandes quantités de filaments de kératine. Les filaments de kératine s'assemblent par des ponts disulfures (sur résidus cystéines), ce qui augmente la résistance à la tension et surtout la rigidité du cheveu en croissance. La localisation et le nombre de ponts disulfures déterminera la forme du cheveu, crépu, frisé, bouclé ou raide. Les fibrilles de kératine sont mélangées à des lipides d'origine membranaire (stérols, céramides et acides gras) qui représentent 3% de la masse totale du cheveu et lui confèrent une bonne imperméabilité. Quand les cellules du cheveu arrivent au niveau de la surface de la peau, elles meurent. Les glandes sébacées associées aux follicules produisent le sébum, mélange de triglycérides, cires et squalènes qui lubrifie le cheveu, préservant ainsi sa souplesse et son éclat. La sécrétion du sébum dépend de l'état hormonal. Trop abondante, elle est à l'origine d'une chevelure lourde et grasse. Lorsqu'elle est trop faible, la chevelure devient sèche et terne.

L'actine se polymérise (en présence d'ATP) en une hélice serrée de 5-9 nm de diamètre formant un filament flexible et polaire. Lorsque l'on solubilise l'actine en présence de KCl, ATP, Mg2+ et d'un catalyseur tel que le complexe ARP2/3 qui permet de fixer les premiers monomères (amorce), elle forme spontanément des polymères (filament d'actine ou actine-F). La croissance du filament est très rapide (1000 actines/s) au pôle plus et très lente, voire absente, au pôle moins. Après la polymérisation, une hydrolyse aléatoire de l'ATP a lieu, le phosphate (Pi) est libéré et l'ADP qui en résulte reste piégé dans le polymère. La vitesse d’hydrolyse de l’ATP, lente au sein du monomère, augmente considérablement. Or les molécules d'actine liées à l'ADP ont tendance à se détacher du polymère aux extrémités des filaments. Les monomères d'actine ainsi libérés doivent être rechargés en ATP avant de rejoindre le filament (figure 2 ci-dessous).

Les microtubules et les protéines motrices y étant associées jouent un rôle essentiel dans la séparation des chromosomes pendant la mitose. En prophase, chaque centrosome nouvellement dupliqué se place à un pôle de la cellule, ancré par des microtubules qualifiés de microtubules astraux. On observe alors une augmentation du nombre et de l'instabilité des microtubules émanant de chaque centrosome, certains des filaments se chevauchant (microtubules polaires). Le fuseau mitotique est la résultante de l'action des kinésines (qui ont tendance à écarter les deux centrosomes) et des dynéines (qui ont tendance à rapprocher les deux centrosomes). En prométaphase, le microtubule interagit par son extrémité (+) avec le chromosome au niveau de son kinétochore. Les microtubules kinétochoriens provenant de chaque centrosome permettent donc l'attachement bipolaire du chromosome. Les mouvements du chromosome en anaphase sont basés sur l'activité des différents moteurs moléculaires et sur la dynamique des microtubules. Médecine : La colchicine (antigoutteux) et la vinblastine (anticancéreux) se lient à la tubuline libre et empêche sa polymérisation. À l'inverse, le taxol (anticancéreux) empêche la dépolymérisation du réseau microtubulaire. Ces drogues bloquent les cellules en métaphase, démontrant ainsi l'absolue nécessité du réseau microtubulaire pour la division cellulaire.

Les réseaux branchés (formant des mailles): Les lamellipodes et le réseau sous-membranaire d'actine corticale s'organisent en mailles, les filaments étant reliés grâce à la filamine (lamellipodes) ou à la spectrine (actine corticale des globules rouges).

Trois types de drogues anti-mitotiques, vinblastine, vincristine et taxol, ont pour cibles les microtubules. Vinblastine et vincristine sont des alcaloïdes (composants azotés synthétisés par les plantes) extraits de la pervenche de Madagascar (Catharanthus roseus (précédemment nommée Vinca rosea)) (figure 27 ci-dessous). A partir de 1952, cette plante a attiré l'attention des scientifiques pour sa réputation d'anti-diabétique auprès des indigènes de Jamaïque. Les essais démontrèrent effectivement une action inhibitrice très modérée sur la glycémie mais, surtout, mirent en évidence une forte action inhibitrice sur la lignée hématopoïétique dans la moelle rouge des os. Après purification, les substances actives se sont avérées inhiber la formation du fuseau mitotique, bloquant ainsi les mitoses en métaphase. Vincristine et vinblastine se fixent aux dimères de tubuline et empêchent la polymérisation des microtubules. De plus les dimères de tubuline associés avec la vincristine ou la vinblastine forment des agrégats en forme de spirales.

Les cellules musculaires sont des cellules où le cytosquelette est très élaboré et dans lesquelles l'actine représente 20% de la masse protéique totale. Le muscle est l'exemple le mieux compris de la mobilité basée sur l'actine. Il existe deux types de muscles : le muscle strié, tel que muscle squelettique et cardiaque, et le muscle lisse, largement présent dans l'organisme (vaisseaux, tube digestif, utérus et bronches). Nous parlerons seulement du muscle strié de type squelettique. Le muscle squelettique est constitué de cellules géantes, les myocytes, (longs de plusieurs centimètres car résultant de la fusion de milliers de myoblastes au cours du développement). Dans chaque cellule, le cytosquelette s'agence en de nombreuses unités identiques appelées myofibrilles. Chaque myofibrille est constituée par une juxtaposition linéaire de sarcomères, mesurant 3μm environ, liés par leurs disques Z. Des filaments intermédiaires, constitués de desmine (protéine de 53 kDa), entourent les myofibrilles au niveau des disques Z du sarcomère. Ils rendent les myofibrilles solidaires les unes des autres et de la membrane de la cellule (géante) et réalisent l'alignement des sarcomères qui confère aux muscles squelettiques son caractéristique aspect strié en microscopie optique.

Les protéines motrices sont aussi appelées « ATPases mécano-chimiques » car capables de convertir l'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP (formation d'ADP + Pi) en mouvement moléculaire (et chaleur). Elles utilisent les filaments d'actine et les microtubules (mais jamais des filaments intermédiaires) comme supports (rails) de déplacement. Les protéines motrices possèdent deux domaines : • Un domaine moteur qui en fixant et hydrolysant l'ATP, produit un mouvement. Ce domaine a été hautement conservé au cours de l'évolution. • Un domaine de queue variable, capable de lier d'autres protéines motrices (formation de dimères) ou de fixer une charge (organite, vésicule de sécrétion, élément du cytosquelette). Les trois familles de protéines motrices (myosine-II, kinésine et dynéine) comprennent de nombreux membres. Comme nous le verrons plus loin, les ribosomes, les ARN- et ADN-polymérases sont aussi capables de mouvements. Ils peuvent donc être considérés comme des protéines mécano-chimiques mais qui sont différentes des ATPases mécano-chimiques précédemment évoquées

Grâce à leur polarité, les filaments d'actine peuvent servir de support au déplacement de vésicules ou d'organites à l'intérieur de la cellule. Ce mouvement est catalysé grâce à des protéines motrices de la famille des myosines, dont il existe plus de 50 types chez l’Homme, majoritairement dimériques. La myosine I fait office d’exception, elle est monomérique. Toutes les myosines se déplacent vers I’extrémité (+) des microfilaments. Structurellement, les myosines possèdent une (ou deux si dimériques) tête(s) globulaire(s) s'associant à l'actine et une (ou deux) queue(s) fibreuse(s), très variable(s), procurant la spécificité de la liaison à d’autres molécules. Ainsi, les myosines I et V s'attachent par leur domaine fibreux aux membranes cellulaires (membrane plasmique ou membrane des vésicules).

Les protéines de la membrane plasmique, ainsi que les lipides membranaires, peuvent être glycosylés : une courte chaîne de quelques résidus osidiques, souvent ramifiée, est alors présente du côté de la face extracellulaire. L'ensemble des glycosylations présentes sur la face extracellulaire (les oses disparaitraient du côté du cytosol qui est réducteur) de la membrane plasmique forme le glycocalyx (ou cell coat = « manteau cellulaire »). Un rôle général du glycocalyx est de permettre de maintenir une hydratation de la face externe de la membrane plasmique, grâce au caractère fortement hydrophile des oses.

Le glycocalyx peut permettre d'établir une identité cellulaire. Les groupes sanguins ABO, par exemple, correspondent à un motif de quelques oses portés par un lipide, variable au niveau du dernier résidu glucidique. Cette variabilité est due à une enzyme, qui peut être présente sous trois formes différentes : inactive =groupe 0, active "A"=groupe A et active "B"=groupe B

Jonction gap : espace intercellulaire moyen, indépendante du cytosquelette, elle ne se lie pas aux protéines du cytosquelette. Elle est aussi appelée jonction communicante car les protéines forment des canaux intercellulaires tubulaires. Chaque jonction gap est formé de la réunion de 2 hémi-canaux, un hémi canal pour chaque cellule, ces derniers sont appelés connexon formé de 6 s ous unités de protéines appelés connexine, les canaux intercellulaires s’ouvrent et se ferment en fonction de plusieurs facteurs : concentration en Ca, pH, signaux intracellulaire …

Les protéines extrinsèques ou périphériques Les protéines extrinsèques sont localisées en dehors de la bicouche phospholipidique et sont ainsi soit entièrement intracellulaire, soit entièrement extracellulaire. Elles interagissent avec la membrane, par des liaisons électrostatiques de types liaisons hydrogènes et liaisons de Van der Waals, au niveau de domaines caractéristiques de protéines transmembranaires ou de lipides. Ces interactions étant faibles, elles sont rompues facilement par des variations de forces ioniques et de pH.

.On trouve des protéines périphériques ancrées dans les lipides, elles sont de deux types: - Ancrées sur les glyco-phosphatidyl-inositol (GPI) qui correspondent à l’association d’une phospho-éthanol-amine sur des sucres, eux-mêmes ancrés sur un phosphatidyl-inositol. Ces protéines sont présentes sur la face extracellulaire de la membrane. - Ancrées à la membrane par l’intermédiaire d’acide gras (acide palmitique et acide myristique). Ces protéines sont présentes sur la face intracellulaire de la membrane.

La migration cellulaire est dépendante des microfilaments et des microtubules. Les microfilaments permettent aux cellules de changer rapidement de forme, la migration cellulaire s'apparente à un phénomène de reptation. Au niveau du front de la cellule en migration, l'actine se polymérise rapidement, les lamellipodes en extension créant de nouvelles adhérences à leur matrice. Les molécules de myosine dispersées le long de ces microfilaments se contractent alors, et le contenu cellulaire est entraîné vers la région frontale nouvellement formée. L'arrière de la cellule se détache alors de son support et se rétracte vers le corps cellulaire. Le cycle peut recommencer. L’apparition des nouveaux points focaux nécessite la présence d’intégrine.

Toutes les membranes biologiques sont constituées de feuillets dont les compositions lipidiques sont différentes, sauf le cholestérol qui se trouve en quantité équivalente dans l’un ou l’autre des feuillets, pouvant basculer facilement de l’un à l’autre. Le feuillet interne ou feuillet protoplasmique P est caractérisé par les phosphatidyl-sérine (amphotère = peut être acide ou basique) et phosphatidyl-éthanol-amine. Le feuillet externe ou exoplasmique E est caractérisé par la sphingomyéline et la phosphatidyl-choline. L’asymétrie des lipides entraîne ainsi une asymétrie de la charge globale de chaque feuillet. On visualise également une asymétrie des protéines présente dans la double couche phospholipidique ; ces protéines participent à caractériser les propriétés de la membrane, que cela soit du côté intracellulaire ou extracellulaire. La plus grande asymétrie est celle présente au niveau des glucides, en effet tous les motifs glucidiques sont localisés sur le feuillet externe de la membrane plasmique. Pour les organites intracellulaires les sucres sont dirigés vers la lumière de l’organite. « L’arbre glucidique » présent au niveau du feuillet externe de la membrane plasmique forme ce que l’on appelle le glycocalyx.

Les MAPs motrices, dynéines ou kinésines, sont des protéines permettant le déplacement des vésicules et organites le long des microtubules. Ce déplacement est associé à une hydrolyse d'ATP. Les kinésines (130 kDa) forment une superfamille (45 gènes chez les mammifères) de moteur moléculaire se déplaçant vers l'extrémité (+) des microtubules. La structure des kinésines est proche de celle des myosines. Les dynéines (540 kDa) se déplacent quant à elles en direction de l'extrémité (-) des microtubules. On distingue les dynéines cytoplasmiques responsables du mouvement des vésicules et des chromosomes des dynéines axonémales intervenant dans le battement des cils et des flagelles. Les dynéines sont associées à plusieurs facteurs protéiques tels que la dynactine favorisant la fixation de la dynéine sur les microtubules et son attachement aux vésicules cytoplasmiques. Ces protéines motrices sont toujours associées à d'autres protéines

Transitoire (polymérisation-dépolymérisation selon les besoins de la cellule) - Formation des fibres de stress pour assurer le déplacement des cellules non musculaires - Formation de l’anneau contractile, au centre de la cellule en division pendant la cytodiérèse (cytokinèse) = séparation du cytoplasme. Permanents (présence permanente mais contraction non permanente) : - Dans les cellules musculaires - Lors de la formation du tube neural : pendant le développement embryonnaire, au début il y a présence d’une ceinture d’adhérence formée de filaments d’actine stables au pôle apical des cellules épithéliales et à un moment donné, il y aura contraction des faisceaux de filaments d’actine et incurvation de l’épithélium pour former un tube

- Flip flop (passage d’un feuillet à l’autre) ou diffusion transversale ou bascule : correspond au passage des lipides d’un feuillet à l’autre dans la membrane plasmique ou dans la membrane du réticulum. Ce mouvement et rare et lent pour les phospholipides du fait de leur structure, ce qui participe à la stabilité de la membrane et à son asymétrie. Mais il est fréquent et rapide pour le cholestérol, c’est pourquoi on le retrouve de manière équivalente dans les 2 feuillets. Ce mouvement peut être accéléré par une enzyme appelée translocase (souvent qualifiée de manière générale de flippase (i pour in). Dans le détail, on distingue en réalité les flippases (au sens strict) qui réalisent une bascule lipidique de la face extracellulaire vers la face cytosolique au niveau de la membrane plasmique, les floppases (o pour out) qui réalisent le mouvement inverse (de la face cytosolique vers la face extracellulaire), et les scramblases de la membrane du réticulum qui réalisent des mouvements dans les deux sens. Il faut noter que les flippases et les flopasses, ont besoin d’énergie pour fonctionner.

L'actine se polymérise (en présence d'ATP) en une hélice serrée de 5-9 nm de diamètre formant un filament flexible et polaire. Lorsque l'on solubilise l'actine en présence de KCl, ATP, Mg2+ et d'un catalyseur tel que le complexe ARP2/3 qui permet de fixer les premiers monomères (amorce), elle forme spontanément des polymères (filament d'actine ou actine-F). La croissance du filament est très rapide (1000 actines/s) au pôle plus et très lente, voire absente, au pôle moins. Après la polymérisation, une hydrolyse aléatoire de l'ATP a lieu, le phosphate (Pi) est libéré et l'ADP qui en résulte reste piégé dans le polymère. La vitesse d’hydrolyse de l’ATP, lente au sein du monomère, augmente considérablement. Or les molécules d'actine liées à l'ADP ont tendance à se détacher du polymère aux extrémités des filaments. Les monomères d'actine ainsi libérés doivent être rechargés en ATP avant de rejoindre le filament (figure 2 ci-dessous).

Les microvillosités sont de fins prolongements cellulaires de forme cylindrique de 0,5 μm à 2 μm situés au pôle apical de certaines cellules animales polarisées. Ces structures permettent d'augmenter la surface d'échange membranaire et sont donc rencontrées à la surface de nombreux épithéliums. En histologie, les microvillosités forment la « bordure en brosse ». Leur rigidité est assurée par les microfilaments d'actine. L’actine est ici organisé en réseau serré grâce à la fimbrine (voir cours sur la membrane), et stabilisé (non dynamique) grâce aux protéines de coiffe dans la région amorphe.