BIOLOGIE CELLULAIRE

BIOLOGIE CELLULAIRE
PARTIE I : FONCTIONNEMENT CELLULAIRE
CHAPITRE I : RAPPELS SUR L'ORGANISATION DE LA CELLULE EUCARYOTE ANIMALE
I – LA MEMBRANE PLASMIQUE
La cellule est constituée d’une membrane plasmique qui la délimite. Celle-ci contient :
Lipides
Phospholipides de structure « groupement de tête – phosphate – glycérol – Acides Gras »
Glycolipides de structure « sucre – sphingosine – glycérol – Acides Gras »
Stérols de structure « OH – Noyau stéroïde »
Protéines
Canaux
Récepteurs
Enzymes
Les lipides peuvent s’associer en rafts lipidiques et les protéines sont ancrées ou transmembranaires.
II – LE CYTOSQUELETTE
Il est composé de :
Filaments d’actines, polymères d’actine G, impliqués dans le mouvement cellulaire et la déformation locale.
Microtubules, polymères de tubuline impliqués dans le trafic vésiculaire
Filaments intermédiaires, polymères de kératine, de vimentine, ou neurofilaments, qui participent à la cohésion
cellulaire
Le cytosquelette s’emploie à soutenir les organelles : c’est le rôle qui nous intéresse le plus.
III – LES COMPARTIMENTS CELLULAIRES
Baignent dans le cytoplasme. On distingue :
Le Noyau qui renferme presque tout l’ADN et possède une double membrane donc les bicouches fusionnent en pores.
C’est à travers ces pores que se fera le passage des protéines et de l’ADN.
La mitochondrie qui assure la conversion énergétique et le transport d’ATP.
Les peroxysomes, très présents dans les cellules hépatiques et rénales, qui détoxifient à l’aide d’enzymes les
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substances actives produites pas l’oxydation des substances organiques tel le H2O2, l’O2 et l’O2
Le réticulum endoplasmique qui partage sa membrane avec le noyau, et se ramifie dans toute la cellule, occupant 10 %
de celle-ci. C’est le site d’entrée dans la voie de sécrétion, le siège de la réalisation des protéines et des lipides, et le site
de la glycosylation. Il existe le lisse et le rugueux, rendu comme ça par la présence de ribosomes à sa surface.
L’ERGIC, compartiment intermédiaire RE-Golgi
L’appareil de Golgi et le TGN son extension, qui possède une face Cis et une Trans. Le Golgi assure les modifications des
chaines, sulfatation, glycosylation, endoprotéolyses. Plus on avance dans le golgi plus le pH diminue.
Les lysosomes, compartiments de digestion qui comprend des hydrolases acides
Les vésicules, une des voies de sécrétion à la sortie du TGN.
IV – LA SÉCRÉTION
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Il existe, en plus de la voie lysosomiale, l’endocytose par voie de sécrétion constitutive via des vésicules qui quittent le TGN pour
aller alimenter la membrane. Les protéines peuvent aussi rester dans le RE ou le Golgi.
La sécrétion peut-être :
Endocrine : d’un organe à l’autre via voie sanguine.
Paracrine : cellule cible se trouvant directement au voisinage de la cellule sécrétrice.
Autocrine : la cellule s’auto-excite.
CHAPITRE II : SYNTHÈSE ET MISE EN CONFORMATION 3D DES PROTÉINES
I – LA SYNTHÈSE PROTÉIQUE PROCARYOTE
Elle suit le code de l’ARN via les ribosomes créant une séquence d’acide aminés, sortant du ribosome en faisant des interactions.
Interviennent alors les NAC (Nascent-polypeptid Associated Complex), qui se lient d’une part au ribosome, de l’autre à la
protéine, empêchant les liaisons entre le ribosome et le RE. Agissent aussi les protéines chaperonnes, qui « isolent » le peptide
et aident, ou replient en formation 3D.
Des séquences signal sont parfois impliquées pour des interactions et redirections : MSF, qui oriente vers la mitochondrie, ou
encore SRP, qui se lie au peptide, en stoppe l’élongation et redirige vers le RE.
II – LES PROTÉINES CHAPERONNES
Ou Hsp pour Heat Shock Protein. Large famille de protéines dont le rôle est de prévenir l’agrégation/déstabilisation des
protéines lors des chocs thermiques, d’où leur nom. Servent aussi au folding (mise en structure 3D) et au contrôle qualité des
protéines.
Les chaperonnes Hsp40 et Hsp70 sont celles qu’on utilise ; elles demandent de l’ATP (échange ADP/ATP via GRP) et en échange,
elles stabilisent les motifs hydrophobes sur les chaines naissantes (en les masquant par exemple). On trouve aussi des
chaperonnines (Hsp60) véritable molécules tonneaux, contribuant à gérer de manière ATP-dépendante l’entrée et la mise en 3D
correcte d’une protéine, dans un environnement isolé.
Plusieurs chaperonnes, parfois, coopèrent, tout comme chaperonnes avec chaperonnines. Elles assurent de temps en temps le
contrôle qualité des protéines glycosylées dans le RE (calnexine et calréticuline lectines).
CHAPITRE III : ADRESSAGE INTRACELLULAIRE DES PROTÉINES
L’adressage peut se faire en cours de synthèse. Trois types : Interactions Lipide/Lipide, Lipide/Protéine, ou Protéine/Protéine.
Adressage cytosolique
Différentes interactions :
Phosphorylation : interférence stérique, changement de conformations, ou création de sites de liaisons. Peut être
favorisée par une interaction Protéine/Protéine.
Modifications lipidiques : myristylation de la glycine N-Term ou farnesylation de la Cystéine C-Term Queue lipidique
libérée, attraction avec la membrane.
Motifs présents sur les protéines : domaine PH, SH2 ou SH3.
Adressage nucléaire
Cela concerne :
Transport de l’ARN in out
Import de protéines à usage génétique (ADN Polymérase, Histones)
Export de protéines (sous-unités des ribosomes)
Navettes (protéines signal)
Diffusions d’ions et de nucléotides
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Tout cela circule par le pore nucléaire, complexe protéique (400 Protéines – 125 MDa) d’une trentaine de nucléoporines
(protéines caractérisées par la très forte répétition des motifs FxFG avec forte concentration au centre). Il se trouve à l’endroit
ou les deux bicouches fusionnent.
Ce pore laisse passer les solutés de faible taille, 5 à 20 kDa. Au dessus, on a besoin de transports actifs, facilités par interactions
spécifiques, consommant de l’énergie. Ce phénomène de taille minimum s’appelle le cut of.
Les signaux servant de reconnaissance sont le NLS (pour l’import) et le NES (pour l’export). Les NLS sont basiques et très chargés
(nucléoplasmine, antigène T du SV40) mais pas prédéterminés. Les molécules qui possèdent ce signal sont prises en charge par
des récepteurs/transporteurs, tels les importines β ou karyophérines qui :
Se lient au cargo par le domaine C-Term via le NLS.
Régulent l’association avec une interaction avec une protéine G (RAN) par le domaine N-Term.
Interagissent avec les nucléoporines (croissance de concentration attirant la protéine).
Les protéines G suivent un cycle : elle se lie avec le GTP pour s’activer et le GDP l’inactive. G passe en forme GDP-liée par l’action
de Ran-GAP, a l’extérieur du noyau, y rentre avant de passer en forme active GTP-liée par l’action de Ran-GEF et ainsi de suite.
Le transport nucléaire est donc régulé par des mécanismes, aboutissant à la libération de points d’ancrages ou à la mise en
évidence d’un signal masqué.
o Cascade de Phosphorylation (kinase phosphoryle le cargo puis interaction avec la molécule qui contient le NLS)
o Ancrage (protéines retenues provisoirement dans le cytoplasme)
I – LA VOIE DE SÉCRÉTION
Les machineries de translocations sont soumises à diverses contraintes.
- Elles doivent sélectionner les polypeptides portant les signaux adéquats.
- Assurer le transport à travers la membrane, sans nuire à l’intégrité du compartiment.
- Assurer leur folding/maturation dans le lumen
A – TRANSPORT VERS LA MITOCHONDRIE
Les polypetides doivent être d’accord maintenus dans un état compatible avec la translocation (à l’aide des protéines
chaperonnes). Elles passent ensuite à travers deux complexes, un de chaque membrane : TOM et TIM.
Il existe deux types de protéines signal : Signal MSF qui reconnait Tom70, ou signal direct N-Term avec accrochage en Tom20. On
passe ensuite le pore avec de l’ATP, sachant qu’une toute petite entrée suffit pour que le peptide, attiré par les charges
négatives, avance, et, par agitation moléculaire, se retrouve assez loin pour que les Hsp, qui le reconnaissent à la sortie,
bloquent les motifs hydrophobes, et empêchent le recul.
Le peptide peut également stopper à TIM et rester entre les deux membranes, ou dans la membrane interne.
B – VERS LE RÉTICULUM ENDOPLASMIQUE
Cette fois il va nous falloir diriger les ribosomes en cours de synthèse vers la membrane du RE, assurer le transport à travers
cette membrane, et couper la séquence signal qui a servi à diriger. Comme pour la mitochondrie, cette séquence fait 20 à 30
résidus.
Ce signal se présente ainsi :
La translocation est parfois post-traductionnelle (via des chaperonnes) mais dans la plupart des cas elle est co-traductionnelle.
Le complexe de cette translocation est nommé le translocon, composé de Sec61p, qui contrôle le transfert de la chaîne vers le
translocon et est composé de 3 unités (a, b et g) et de TRAM.
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Est associé à ce complexe des oligosaccharyltransférase (OST) qui vont servir à la glycosylation protéique.
Au niveau du ribosome il existe une protéine, la SRP, qui va venir reconnaitre le peptide signal, se coller à celui-ci et au
ribosome, stoppant la traduction. Il y a ensuite entrée en action du récepteur de la SRP, la SR, composée de deux sous-unités : β
ancrée dans la membrane, et α attaché à β.
Tant que le ribosome n’arrive pas, la protéine BiP bloque le pore du translocon. Le ribosome arrive, SRP se lie à SR provoquant
par hydrolyse de GTP la libération du ribosome. La chaine se place alors dans le pore, qui s’ouvre alors que BiP se déplace. Le
peptide signal est clivé.
BiP jouera aussi parfois le rôle de chaperon.
II – L’EXOCYTOSE
Lorsqu’une protéine est destinée à l’exocytose, il faut qu’elle emprunte un chemin prédéterminé.
Dans le RE, une protéine nommée PDI va catalyser la formation de ponts disulfures dans la protéine en oxydant les SH
des cystéines. Les arrangements tridimensionnels et des sous-unités peuvent alors se faire.
La glycosylation peut démarrer dans le RE (addition, maturation des oligosaccharides) mais aura essentiellement lieu dans le
golgi. Le N-Glycosylation se fait à l’aide d’un Dolicholphosphate qui va faire subir à notre protéine un flip-flop qui l’envoie de
l’autre côté de la membrane. C’est ensuite OST qui agira, avant que les protéines de la classe des lectines comme la calnexine
membranaire et la calréticuline, résidentes du RE, ne se chargent de contrôler si les protéines ont été correctement glycosylées
ou pas (grâce à leur forte affinité avec le sucre).
Après ces multiples actions, d’abord de le PDI, puis du Dolicholphosphate, puis de l’OST et des lectines, notre protéine part pour
la suite du voyage dans le Golgi.
Avant même de sortir du RE, il faut vérifier que la protéine est fonctionnelle. Si elle ne l’est pas, elle est
polyubiquitinylée (un peptide de 9 kDa est greffé sur une de ses lysines) et sera reconnue par un protéasome qui la
détruira. Si en revanche elle est bonne elle pourra partir pour le trafic vésiculaire.
La formation de vésicule est induite par le recrutement de petites protéines G RAB, déclencheur, elles-mêmes conduisant au
recrutement de protéines du manteau : COP I ou COP II entre RE et le Golgi. En prenant place, ces protéines provoquent un
bourgeonnement de vésicules, qui ainsi, auront à peu près la même taille et un contenu spécifiquement choisi. C’est la
spécificité du packaging. La vésicule est tirée et détachée par ces protéines, aidée par un moteur de dynamine. Le manteau s’en
va, et notre vésicule, parfois un peu tubulaire, est complète.
Reste à l’orienter correctement : pour cela, on aura action de la spécificité d’adressage contrôlée par les SNAREs, des protéines
membranaires. Sur la vésicule on retrouve les v-SNARE et sur la cible, les t-SNARE. Le branchement des deux déclenche la fusion
de la vésicule, avec, dans ce cas, le Golgi, et donc libération du fret protéique contenu.
En résumé on a :
Les protéines devant rester dans le RE partent quand même dans le Golgi, car elles doivent finir leur maturation, mais
sont rappelées ensuite. Ce signal est orchestré par des séquences présentes sur les protéines. C’est le cas du motif KDEL
qu’on retrouve par exemple sur la calréticuline, qui interagit de façon pH-dépendante avec un récepteur au KDEL
provoquant un retour de la protéine vers le RE. Un autre motif est le motif KKXXX.
On arrive enfin dans le Golgi. On a vu que certaines protéines repartaient vers le RE, mais les autres elles, restent soit
dans la membrane du Golgi, si c'est leur place, soit continuera leur chemin. Quoi qu’il en soit, Golgi est une étape
essentielle. Plus on avance dans la voie de sécrétion, plus le pH diminue, et le taux en Calcium et sphingolipides
augmente, rendant les membranes plus épaisses : c’est ce qui empêche les protéines destinées au Golgi, qui possèdent
des petites zones transmembranaires, de progresser plus loin.
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Golgi est le siège de la glycosylation : maturation des N-glycosylations (sur les Asn des Asn-X-Ser avec X différent de Proline suivi
d’un passage par glycosydase et glycosyltransférase qui vont régler la taille et tout) et formation des O-glycosylation, sur les
sérines et les thréonines. Mais Golgi est également un lieu de maturation des hormones par PROTEOLYSE permettant d’activer
les précurseurs inactifs. Cette opération se fait par action de pro-hormones convertases comme la furine endoprotéase.
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