COMPARTIMENTS DE LA CELLULE ET TRI DES PROTÉINES Lundi 24 septembre 2007 COMPARTIMENTS DE LA CELLULE ET TRI DES PROTÉINES

Notion de compartiment Procaryote : 1 compartiment et une seule membrane Eucaryote : des compartiments limités par une membrane (compartiments sans membrane) Un compartiment : ses enzymes  ses propriétés  Voiries entre les compartiments

Connaissance de l'eucaryote = Ce qui se passe dans chaque compartiment (enzymes) Échange des molécules d'un compartiment à l'autre Création et genèse du compartiment

Le compartiment Une membrane Une lumière Les entrées et les sorties Rôles des protéines

Les protéines  10 000 protéines différentes dans une cellule La synthèse débute toujours dans le cytosol  puis direction dans un compartiment spécifique  trafic des protéines

COMPARTIMENTS DE LA CELLULE ET TRI DES PROTÉINES I - Compartimentation des cellules

Les membranes intra-cellulaires ne font pas que augmenter la surface de membrane Sur les membranes Métabolisme des lipides (une partie) Phosphorylation oxydative Photosynthèse Et Maintien de compartiments

Fig 12-1 Les compartiments Lundi 24 septembre 2007 Cytosolique en gris Fig 12-1 Les compartiments Non cytosolique en blanc

Liste des compartiments Noyau (génome, ADN) Cytoplasme (cytosol + organites) Cytosol (synthèse des protéines + dégradation + métabolisme intermédiaire) Mitochondries Peroxysomes Reticulum endoplasmique ( ribosomes, synthèse des lipides, stockage de Ca++) Golgi Lysosomes Endosomes (intermédiaire entre extérieur et lysosome) Vésicules organite  organite sécrétion, endocytose

Cytosol  50 % Compartiment intra-membranaire  50 % Lundi 24 septembre 2007 Volumes relatifs occupés par les principaux compartiments intra cellulaires d’un hépatocyte Table 12-1 TABLE 12–1 Relative Volumes Occupied by the Major Intracellular Compartments in a Liver Cell (Hepatocyte) Cytosol  50 % Compartiment intra-membranaire  50 %

Lundi 24 septembre 2007 Table 12-2 Relative Amounts of Membrane Types in Two Kinds of Eucaryotic Cells TABLE 12–2 Relative Amounts of Membrane Types in Two Kinds of Eucaryotic Cells

Hépatocyte : surfaces relatives des organites

Hépatocyte : surfaces relatives des organites

Hépatocyte : surfaces relatives des organites

Hépatocyte : surfaces relatives des organites

Lundi 24 septembre 2007 Hépatocyte La membrane plasmique ne représente qu'une infime partie des membranes (en surface) Fig 12-2

Explication phylogénique des membranes intra-cellulaires Bactérie = ancêtre de la cellule eucaryote Chez procaryote : Toutes les membranes sont de la membrane plasmique rapport surface/volume : grand Chez eucaryote : Taille beaucoup plus grande (X 10-30) volume 1000 - 10 000 fois plus rapport surface/volume : petit

2 explications de la formation des membranes Exemple (1) actuel : formation des vésicules thylakoïdes (lieu de la photosynthèse) dans les chloroplastes Exemple (2) phylogénique : origine des organites

Exemple 1 : génération des vésicules thylakoïdes dans les chloroplastes Vésicules thylakoïdes proviennent de proplastides (feuilles des plantes vertes) Proplastides : petits organites précurseurs présents dans toutes les cellules végétales immatures limités par une double membrane se développent en stockage de amidon, graisse, pigments chromoplast (pigments des fleurs) chloroplastes (photosynthèse des feuilles)

Lundi 24 septembre 2007 Bourgeonnement de la membrane interne Fig 12-3

Exemple 2 : schémas hypothétiques de l'origine des organites (approche évolutive) Lundi 24 septembre 2007 Fig 12-4A

Arguments en faveur de cette hypothèse du schéma précédent : formation de l'enveloppe nucléaire et du RE Molécule d'ADN attachée à une invagination de la membrane plasmique chez certains procaryotes ADN en continuité avec le cytosol Création des pores 2 membranes Topologie équivalente au cytosol (mitose …) Continuité avec le réticulum endoplasmique

Autres organites Voie endocytaire Voie sécrétrice Endosomes Voie sécrétrice Golgi Lysosomes Vésicules de transport entre les deux Appartiennent à la même famille

Exemple 2 : schémas hypothétiques de l'origine des organites : mitochondries (approche évolutive) Lundi 24 septembre 2007 Fig 12-4B

Mitochondries et plastides Membrane interne de la mitochondrie  membrane plasmique de la bactérie englobée Membrane interne du plastide  membrane plasmique de la bactérie englobée Membrane double Modes de transports particuliers

Conséquences Organites avec une lumière interne topologiquement équivalente au milieu extra-cellulaire. Applications : endocytose, sécrétion chambre externe de la mitochondrie

Rapports topologiques des compartiments des voies sécrétoire et endocytaire d'une cellule eucaryote Toutes les lumières peuvent communiquer entre elles et avec l'extérieur (par bourgeonnement fusion) Trafic (mitochondries exclues) Lundi 24 septembre 2007 Fig 12-5

Topologie des compartiments (4 familles de compartiments) Noyau et cytosol (pores pour communiquer) Voies sécrétoire et endocytaire : RE, Golgi, endosomes, lysosomes, vésicules de transport, peroxysomes Mitochondries, (Chloroplastes que dans les plantes)

Finalement : 2 compartiments Cytosol noyau  intra-cellulaire Lumière des organites  extra-cellulaire Toute membrane a 2 faces cytosolique (topologiquement équivalent au cytosol) non cytosolique (topologiquement équivalent au milieu extra-cellulaire)

Changement de compartiments des protéines Cytosol (lieu de synthèse de toutes les protéines)  Signal de tri non (la plupart)  restent dans le cytosol oui (les autres)  autre direction 3 modes de transport portillon transmembranaire (translocateurs) Vésicules

Les compartiments et les voies Fig 12-6

1 - Transport par portillon Trafic entre deux compartiments topologiquement identiques A travers les pores Transport actif sélectif pour les grosses molécules Diffusion libre des petites molécules

2 - Transport transmembranaire Transport entre deux compartiments topologiquement différents Nécessité d'un transporteur protéique Passage à travers une membrane Nécessité d'un déroulement de la protéine eg : cytosol  lumière du RE cytosol  mitochondrie

3 - Transport vésiculaire Transport entre deux compartiments topologiquement identiques (pas de membrane traversée) Existence d'un intermédiaire (de taille et de forme variable) Compartiment donneur et accepteur Pas de membrane à traverser

Fig 12-6 Les modes de transport entre les compartiments Transport par portillon Transport transmembranaire Transport vésiculaire Fig 12-6

Les deux types de signaux de tri 1 - Séquence continue de 15 à 60 acides aminés appelée "séquence signal" souvent retirée de la protéine par une signal peptidase est le plus souvent à l'extrémité de la chaîne 2 - Arrangement 3-D d'atomes qui se forme à la surface de la protéine quand elle se replie appelée "signal patch" peuvent être à distance les uns des autres

Fig 12-8 Les deux types de signaux de tri dans une protéine (A) Séquence signal (B) Signal patch Fig 12-8

Les signaux de tri Signal peptide Signal patch cytosol  reticulum endoplasmique cytosol  mitochondrie (chloroplaste) cytosol  peroxysomes cytosol  noyau * noyau  cytosol Golgi  reticulum endoplasmique Signal patch Golgi  Lysosomes cytosol  Lysosomes

Exemples de séquences signal cytosol  réticulum endoplasmique : 5 à 6 acides aminés hydrophobes à l'extrémité -N  iront dans le Golgi sauf si 4 acides aminés en -C terminal  retournent dans le RE cytosol  mitochondrie : alternance d'acides aminés hydrophiles et hydrophobes cytosol  peroxysomes : 3 acides aminés caractéristiques en -C terminal

Table 12-3 Quelques séquences signal acides aminés chargés positivement acides aminés chargés négativement Table 12-3

1 - Séquence signal Signal RE sur une protéine cytosolique  la protéine va dans le RE La séquence est nécessaire et suffisante pour un bon ciblage Un signal pour une localisation donnée est interchangeable : l'hydro-phobicité/philie est plus importante que la nature des acides aminés

Méthodes d'étude des séquences signal pour la translocation des protéines à travers les membranes 1 - Approche cellulaire Panel 12-1A

Méthodes d'étude des séquences signal pour la translocation des protéines à travers les membranes 2 - Approche biochimique Panel 12-1B

Méthodes d'étude des séquences signal pour la translocation des protéines à travers les membranes 3 - Approche génétique Panel 12-1C

2 - Signal patch Difficile à étudier Ne peut pas être transféré d'une protéine à une autre

Récepteurs de tri Reconnaissent le signal de tri Ont un fonctionnement catalytique effectuent un tour puis retournent à leur point d'origine Reconnaissent des classes de protéine plutôt que un type de protéine Comparables à un système de transport publique

Les cellules ne peuvent pas construire leurs organites limités par une membrane par simple copie : elles ont besoin de l'information contenue dans l'organite lui-même Information génétique Information épigénétique