Biologie Cellulaire Licence BioMath 2011 Plan 1 Caractres

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 Plan : 1. Caractères distinctifs des cellules Eucaryotes par rapport aux procaryotes 1. 1. compartimentation 1. 2. cytosquelette 2. Les compartiments membranaires 2. 1. noyaux 2. 2. réticulum endoplasmique (synthèse exportation des protéines et des lipides) 2. 3. appareil de Golgi 2. 4. transport vésiculaire 2. 5. pinocytose, phagocytose, lyzosomes 3. Les organites semi autonomes 3. 1. la mitochondrie 3. 2. le chloroplaste 1

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette de cellules fixées colorées au bleu de Coomassie 2

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette 3

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Fonction structurelle • Support mécanique par le maintien de la forme des cellules • les fibres d u cytosquelette stabilisent et balancent les forces opposées au sein des cellules • fournissent les points d’ancrage des organites intracellulaires • leur fonction est dynamique s’assemblent en un point et se dissocient en un autre • • Adaptation de la cellule à son environnement Forme Robustesse Organisation de ses composants 4

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette est un réseau de fibres qui s’étend dans tout le cytoplasme. Le cytosquelette organise les structures et les activités de la cellule 5

Biologie Cellulaire 1. 2. Le cytosquelette • • Mitose Cytodiérèse Trafic des organites (eg vésicules) Protection de la membrane plasmique Mobilité (spermatozoïde, fibroblaste, … ) Contraction musculaire Axones et dendrites du neurone Croissance des plantes … 6

Biologie Cellulaire 1. 2. Le cytosquelette • • • Trois familles de protéines Trois types de filaments Certains caractères sont communs D'autres sont spécifiques Quatre chapitres – I - Les principes communs aux trois types de filaments, assemblage, désassemblage – II - Les protéines associées et leur rôle – III - Les moteurs moléculaires – IV - Fonctions du cytosquelette dans la cellule 7

Biologie Cellulaire 1. 2. Le cytosquelette 1. 2. 1 - Les principes communs aux trois types de filaments, assemblage, désassemblage • Les trois types de filaments du cytosquelette – Filaments intermédiaires – Microtubules – Microfilaments • Très nombreuses protéines accessoires – liaison filament autres composants de la cellule – contrôle des filaments – comprennent les moteurs • filament autres composants de la cellule 8

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette • Il y a 3 grands types de fibres qui constituent le cytosquelette : les microtubules, les microfilaments (filaments d’actine), et les filaments intermédiaires. schématisation MET Marquage immunofluorescent 9

Biologie Cellulaire Propriétés Microfilaments (filaments d’Actine) 1. 2. Le cytosquelette Licence Bio-Math 2011 Filaments intermédiaires Microtubules Structure Deux filaments d’actines jumelés Protéines filamenteuses superenroulées dans des filaments épais Tubes creux, dont les parois consistent en 13 colonnes de molécules de tubuline diamètre 7 nm 8 -12 nm 25 nm avec un lumen de 15 nm Sous-unités protéiques Actine Une des différentes protéines de la famille de la kératine Tubuline (a et b tubuline) Principales fonctions - Maintien de la forme cellulaire (tension) - Changement de forme de la cellule - Contraction musculaire - Mouvement cytoplasmique continu - Motilité cellulaire (pseudopodes) - Division cellulaire (formation du sillon de clivage) -Maintien de la forme cellulaire (tension) - ancrage du noyau et de certains organites - formation de la lamina nucléaire - Maintien de la forme cellulaire (compression) -Motilité cellulaire (cils et flagelles) - mouvements des chromosomes durant la division cellulaire - mouvements des organites 10

Biologie Cellulaire 1. 2. Le cytosquelette • • • Licence Bio-Math 2011 Filaments d'actine (=microfilaments) Lamellipodes, filipodes (dynamiques) Stéréocils (statiques) Anneau contractile Forme de la surface de la cellule Locomotion 11

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments d'actine : structure 12

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments d'actine : structure Mécanisme de la nucléation • Régulée par des signaux externes • Catalysée par un complexe de protéines qui comprend deux Actine Related Proteins (ARPs) 13

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments d'actine : structure Actin Related Proteins (ARPs) • • Catalysent la nucléation de l'actine 2 protéines proche à 45% de l'actine Fonction analogue à -Tu. RC pour la tubuline Comprend le complexe ARP (= Arp 2/3) Nuclée le filament à partir de l’extrémité – Et allonge rapidement l’extrémité + Peut se fixer latéralement embranchement 14

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments d'actine : structure Rôle du complexe ARP dans la nucléation de l'actine Fig 16 -28(AB) 15

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments d'actine : structure Rôle du complexe ARP dans la formation du réseau d'actine Fig 16 -28(C) 16

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments d'actine : structure Microscopie électronique de complexes Arp 2/3 en congélation sublimation et ombrage rotatoire (A) et de complexes mélangés avec des filaments d’actine cappés avec de la gelsoline (B-D). Electron micrographs of quick-frozen, deep-etched, and rotary-shadowed samples of Arp 2/3 complex (A) and complex mixed with gelsolin-capped actin filaments (B-D). In the presence of Arp 2/3, complex actin filaments form branching arbors with numerous end-to-side connections between filaments (B). The branch points appear to be rigid attachments with a fixed 70° angle between actin filaments (C) and frequently contain a globular mass at the point of attachment (C, left arrow in B). (D) Filaments partially decorated with Arp 2/3 complex. (E) Globular masses associated with filament pointed ends in the presence of Arp 2/3 complex. Conditions: buffer same as Fig. 1 Mullins, RD 1998 17

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments d'actine : formation 18

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments d'actine : formation 19

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments d'actine : arrangement 20

Biologie Cellulaire 1. 2. Le cytosquelette • • Licence Bio-Math 2011 Filaments intermédiaires Tapissent la face interne de l'enveloppe nucléaire Force mécanique Maintien des épithéliums Protection des neurones 21

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments intermédiaires : structure 22

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments intermédiaires : structure 23

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments intermédiaires : structure Dynamique des filaments intermédiaires • Désassemblage par phosphorylation des protéines (comme pour les lamines pendant la mitose) • Existence d'un turnover des sous-unités 24

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments intermédiaires : structure Enroulement des hélices • Structure biochimique : domaine en hélice avec 40 motifs répétés de 7 acides aminés • La variabilité porte sur les extrémités 25

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments intermédiaires : structure Principaux types de protéines des filaments intermédiaires Type de filaments intermédiaires Polypeptides de composition Localisation cellulaire nucléaire Lamines A, B et C Lamina (enveloppe interne nucléaire) Famille de la vimentine Vimentine Nombreuse cellules d’origines mésenchymateuses Muscle Cellules gliales (astrocytes cellules de Schwann) Neurones Desmine Protéine gliale fibrillaire acide Périphérine épithélial Kératine type I (acide) Kératine type II (basique) Cellules épithéliales et dérivées (ongles, cheveux) axonal Protéines des neurofilaments Neurones Expression différente en fonction du type cellulaire 26

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments intermédiaires : mécanique • Un filament intermédiaire = 32 hélices • Nombreuses liaisons latérales hydrophobes • Faciles à plier mais difficiles à rompre 27

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments intermédiaires : les kératines • • Environ 20 types différents Dans les cellules épithéliales 10 types spécifiques des ongles et des poils Peuvent copolymériser Kératine I (acide)= kératine II (basique) [en quantité] Liaison des réseaux par des liaisons S S Peau, cheveux, ongles, griffes, écailles 28

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments intermédiaires : les kératines • Filaments de kératine • Limites des cellules 29

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette 30

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Filaments intermédiaires : les neurofilaments • • • Axone des neurones 3 types de protéines – NF-L – NF-M – NF-H Hétéropolymère avec NF-L + un autre 31

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette 32

Biologie Cellulaire 1. 2. Le cytosquelette • • Licence Bio-Math 2011 Microtubules En étoile à partir du centre de la cellule Fuseau, cils, flagelles Position des organites à membrane Transport intra cellulaire (axones … ) 33

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette 34

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette 35

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Dans les cellules animales, le centrosome a une paire de centriole, lesquels sont constitués de 9 triplets de microtubules arrangés en anneau. Pendant la division cellulaire les centrioles se répliquent. 36

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Nucléation des microtubules • Centre Organisateur des Micro. Tubules (COMT) = site de nucléation des microtubules dans la cellule • -tubuline = nucléation des microtubules • De la levure à l'homme • Présente dans tous les COMT • -tubuline ring complex ( -Tu. RC) = COMT très puissant 37

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Nucléation des microtubules par la -tubuline • Nucléation à l’extrémité moins • Allongement par l’extrémité plus • Intervention de deux protéines qui se fixent directement à la -tubuline 38

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette • Nucléation d'un microtubule par -Tu. RC • Présence des deux protéines plus des protéines accessoires pour aider à la création de l’anneau • -tubuline ring complexes en microscopie électronique Fig 16 -22 • MT nucléés à partir de -tubuline ring complexes purifiés 39

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette 40

Modèles de nucléation des microtubules Moritz, M 2001(fig 1 ) Microtubule nucléé spontanément à partir de tubuline / pure Modèle avec matrice 41 Modèle protofilament

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette 42

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Cas particuliers de COMT • Champignons et diatomées – pas de centriole – plaques incluses dans l'enveloppe nucléaire : corps du pôle du fuseau • Plantes supérieures – pas de centriole – COMT répartis tout autour de l'enveloppe nucléaire • Présence de -tubuline dans tous les cas 43

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Le centrosome : principal centre organisateur des microtubules • Situé près du noyau • Émanation des microtubules en étoile à partir du centrosome • Extrémité - des MT dans le centrosome • Extrémité + des MT en périphérie • Contient plus de 50 copies de -Tu. RC dans sa matrice • Contient une paire de centrioles 44

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Positionnement du centrosome au centre de la cellule Fig 16 -25 Centrosome isolé + tubuline dans une chambre artificielle en plastique (image toutes les 3 minutes) 45

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Le centrosome Fig 16 -23 46

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Les centrioles • id corpuscules basaux des cils et des flagelles • Matériel péricentriolaire = matrice centrosomale • Duplication des centrioles suivie de la duplication des centrosomes • cf. mitose 47

Biologie Cellulaire 1. 2. Le cytosquelette Licence Bio-Math 2011 Structure des centrioles • Cylindre de microtubules + protéines accessoires Un centriole dans un centrosome Matrice centrosomale fibreuse 48

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Orientation des microtubules • • Configuration en étoile des microtubules Extrémité plus tournée vers l’extérieur de la cellule Extrémité moins tournée vers le noyau Dispositif de surveillance – de la périphérie de l’intérieur de la cellule – et de la position centrale du centrosome • conservé même in vitro… 49

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Données évolutives -tubuline et ARP • Très anciens • Très conservés • Duplication du gène codant pour tubuline ou actine avec une fonction de nucléation en plus par divergence et spécialisation 50

Biologie Cellulaire 1. 2. Le cytosquelette Licence Bio-Math 2011 Protéines associées extrémités Liaisons latérales extrémités Actine Thymosine profiline Tropomyosine cofiline Protéines cappantes tubuline stathmine MAP tubulin ring complexe ( Tu. RC) Catastrophine MAP 51

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette • Propriétés mécaniques de actine, tubuline, filaments intermédiaires Force de cisaillement 52

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette conclusion • Filaments intermédiaires = ligaments de la cellule • Microtubules = os • Actine = muscles • Cytosquelette qui doit fonctionner en harmonie 53

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette : Les moteurs moléculaires • Le cytosquelette joue un rôle majeur dans la motilité cellulaire. – Ceci implique non seulement des changements dans la localisation mais aussi des mouvements (limités) de parties de la cellule. • Le cytosquelette interagit avec les protéines moteurs. • Dans les cils et les flagelles protéines moteurs tirent les composants du cytosquelette • Ceci est aussi • vrai dans les muscles Fig. 7. 21 a 54

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette : Les moteurs moléculaires • Les molécules moteurs transportent également des vésicules ou des organites vers de nombreuses destinations le long de “monorails” fournis par le cytosquelette. • Les interactions de ces protéines moteurs et le cytosquelette permet le transport de matériaux dans la cellule sous forme de flux (streaming). Fig. 7. 21 b 55

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette : moteurs moléculaires Kinesine Vitesse : 850 nm/s ATPase: 44. 0 1/s Myosine V vitesse : 350 nm/s ATPase: 5. 0 1/s Dynéine vitesse : -1250 nm/s ATPase: 2. 0 1/s 56 Toutes impliquées dans le transport vésiculaire

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette 57

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette • Un flagelle a un mouvement ondulatoire. – La force est générée parallèlement à l’axe du flagelle. Fig. 7. 23 a 58

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette • Les cils bougent par alternance. – Ils génèrent leur force perpendiculairement à l’axe du cil. Fig. 7. 23 b 59

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette • Les cils sont généralement nombreux à la surface des cellules. • Ils ont environ un diamètre de 0. 25 µm et une longueur de 2 à 20 µm. • Il n’y a en revanche qu’un ou quelques flagelles par cellules. • Les flagelles ont le même diamètre que les cils mais une longueur de 10 à 200 µm. 60

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette • Malgré leur différences, les cils et flagelles ont la même ultra structure. – Ils ont une structure basée sur des microtubules entourés de membrane plasmique. – Neuf doublets de microtubules sont arrangés autour d’une paire au centre, le patron “ 9+2”. – Une roue centrale de protéines flexibles connecte les doublets externes les uns aux autres ainsi qu’au centre. – Les doublets externes sont aussi connectés par des moteurs moléculaires. – Les cils et les flagelles sont ancrés à la cellule par un corps basal dont la structure est proche des centrioles. 61

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette 62

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette Fig. 7. 24 63

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette 64

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette • Le mouvement oscillant des cils et flagelles est assuré par les bras de la dynéine. – L’addition à la dynéine d’un groupement ATP et sa perte entrainent des changements conformationnels de la protéine. – Les bras de la dynéines alternativement tirent, se déplacent et relachent Les microtubules externes. the outer microtubules. Fig. 7. 25 65

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette • Dans les cellules musculaires, des millier de filaments d’actine sont arrangés en parallèles uns des autres. • Les filaments épais, composés de moteurs moléculaires tels que la myosine, sont imbriqués au sein des molécules plus fines d’actine. – Les molécules “marchent” le long des filaments d’actines, tirant les filaments d’actines raccourcissant la cellule. 66

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette • Dans les autres cellules, ces aggrégats d’actine-myosine sont moins organisés mais peuvent quand même provoquer des contractions localisées. – Une ceinture contractile de microfilament divise le cytoplasme des cellules animales durant la mitose. – La contraction localisée dirige également les mouvement amaeboïdes. – Les pseudopodes, extension cellulaire, qui étend et contracte une cellules par des mouvement d’assemblage et de contraction de filaments d’actine. 67

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1. 2. Le cytosquelette • Chez les plantes, les inter-actions myosines actine et la transformation sol-gel dirige les flux cytoplasmiques (streaming). – Ceci crée un flux circulaire dans le cytoplasme. – Ceci augmente les vitesses de distributions des éléments dans la cellule. 68

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 2. 1. Le noyau • Décrit pour la première fois en 1831 • héberge les chromosomes • équipements pour réplication de l’ADN, sa transcription et la maturation des ARN • 69

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 2. 1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques 70

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 2. 1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques Le nucléole, sous-domaine nucléaire le plus visible • Région spécialisée contenant les gènes actifs de la transcription des ARNr • c’est dans cette région que se déroule l’essentiel des étapes de la biogénèse des ribosomes (4 molécules différentes d’ARN +85 protéines assemblés en deux sous-unités) Site d’assemblage des pré-ribosomes 71

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 2. 1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques Perméabilité sélective entre compartiment cytoplasmique et nucléaire 72