Le calcium dans les organismes eucaryotes Préparation au CAPES Sciences de la vie et de la terre 2006 Composition sur un sujet de biologie Durée: 6 heures Le calcium dans les organismes eucaryotes En utilisant l’exploitation des documents et vos connaissances personnelles, vous présenterez l’importance du calcium dans les organismes eucaryotes. Remarques importantes - Le sujet comprend 20 documents - Seront prises en compte dans la notation: la clarté de la présentation, la précision et la rigueur de l’analyse des documents, les illustrations personnelles.

Document 2: injection dans un œuf de poisson medaka de l’aequorine Document 1: spectres de fluorescence du fura-2 (A) et fluo-3 (B), sensibles au calcium.Le fura-2 montre un changement de spectre d’excitation. La quantité de fluorescence émise après excitation à 2 longueurs d’onde (340 et 380 nm) est unique pour chaque concentration calcique. Le fluo-3, ne montre pas de changement de spectre. (D’après Buchanan, 2000) Document 2: injection dans un œuf de poisson medaka de l’aequorine qui a diffusé à travers le cytosol. L’œuf a ensuite été fécondé par un spermatozoïde. Les quatre clichés de droite ont été pris toutes les 10 secondes en regardant le site de pénétration du spermatozoïde. (D’après J.C. Gilkey, J. Cell. Biol.,1978) Document 3: l’arbre ramifié des dendrites d’une cellule de Purkinje individuelle du cervelet (cochon d’inde) vu en utilisant du fura-2. (D’après D.W. Tank, 1996) Non mesurées Non mesurées Non mesurées Non mesurées Document 4: concentrations ioniques moyennes dans des racines de pois (Pisum sativum). Les valeurs mesurées résultent du dosage des contenus ioniques moyens des tissus, sans envisager les différents compartiments cellulaires (ions cytoplasmiques, vacuolaires ou contenus dans les parois) (D’après Grignon)

Document 5 A: entrée du calcium dans des vésicules tonoplasmiques isolées (vacuoles isolées de racine d’avoine) (d’après Schumaker et Sze, 1987) Document 5 B: représentation schématique de la structure moléculairede la Ca2+ ATPase vacuolaire, régulée par la fixation de calmoduline au domaine N-terminal (D’après Buchanan, 2000) Document 6 A: cinétique d’activation des canaux ca2+ potentiel dépendants membranaires cardiaque, squelettique et d’un canal chimère À droite de la figure: courant ca2+ observé à la suite de l’activation (d’après Nakai, 1994) Document 6 B: Inactivation de canaux Ca2+ potentiel dépendants (L1 et L2) et de canaux chimères. Le chimère 1 est constitué de L2 à l’exception de la boucle reliant les domaines III et IV de L1. La chimère 2 est constituée de L2 à l’exception du segment S6 du domaine I provenant de L1. (D’après Zhang, Nature , 1994)

Document 7: voies de signalisation conduisant à l’ouverture de canaux calciques R: récepteur H: ligand Eff: effecteur PK: protéine kinase (D’après Y. Combarnous, 2004) Document 8: cinétique d’influx de Ca2+ dans des protéoliposomes reconstitués avec le récepteur de l’IP3 (inositol-3-phosphate) Au temps t=0, du 45Ca2+ est ajouté à la suspension de protéoliposomes en présence (+ IP3) ou en absence (- IP3) d’IP3. On détermine en fonction du temps la quantité de calcium intraliposome. (D’après Ferris, Nature, 1989) Document 9: réponse d’un photorécepteur de type bâtonnet à la lumière. Les canaux Na+ sont également perméables au calcium donc quand ils sont fermés il y a chute de la concentration cellulaire en calcium. (D’après Alberts) Document 10: modèle proposé montrant comment les canaux des jonctions gap pourraient se fermer en réponse à une augmentation de calcium ou une baisse de pH dans le cytosol. (D’après P.N.T. Unwin, Nature, 1984)

A B A B Document 11: exocytose de glutamate à partir de cellules du système nerveux central de rats. Les cellules sont placées dans un milieu dépourvu de calcium + 50mM KCL puis certaines stimulées avec 5mM de Ca 2+ pendant 2 min. Certaines cultures sont préincubées pendant 24h avec 5µg/ml de toxine tétanique (TnTx, inhibiteur de l’exocytose de neurotransmetteur) ou incubées pendant 75 min avec 1µM de bafilomycin A1 (inhibiteur de l’ATPase des membranes des vésicules de glutamate). (D’après J.M. Pocock, Neurosciences, 1995) A B Document 12: évolution du % de saturation du fura-2 (ligne c) et des concentrations en calcium (ligne d) dans des fibres musculaires squelettiques de rat (A: fibres rapides et B: fibres lentes) après stimulation électrique (ligne e) (D’après S.L. Caroll, J. Physiol. ) Document 13: effets de l’injection d’une solution de calcium sur le mouvement des chromosomes et sur les microtubules kinétochoriaux dans une cellule eucaryote à l’anaphase. A: concentration en calcium cytosolique = 10µM B: concentration cytosolique = 1µM La tubuline est marquée par un fluorochrome spécifique de la tubuline polymérisée ce qui permet de mesurer la fluorescence émise par les microtubules kinétochoriaux. (D’après Buchanan, 2000) A B

Document 14: concentration en calcium dans un tube pollinique, mesurée à l’aide du fura-2. Observation au microscope à fluorescence (D’après Buchanan, 2000) Document 15A: mécanisme d’activation de la protéine kinase C DAG: diaglycérol PS: phosphatidylsérine (D’après Y. Combarnous, 2004) Document 15 B: Isoformes de la protéine kinase C (D’après Y. Combarnous, 2004)

A B Document 16: régulation de la contraction du muscle lisse par le calcium (D’après Alberts) A B Document 17: deux modèles d’interactions (A et B) entre le calcium et les pectines (polyosides ramifiés) dans la paroi végétale (D’après Buchanan, 2000)

Document 18: différenciation des kératinocytes in vitro :  Exemple de culture in vitro en présence de calcium. Des « sphéroides » sont observés dans la boite de Pétri que l’on voit ici en coupe après coloration à l’hématoxyline-éosine. (X100) (D’après Alberts ) Les kératinocytes de la couche basale de la peau sont des cellules indifférenciées. Lorsqu’on les fait pousser sur matrice artificielle dans un milieu très pauvre en Ca2+, les kératinocytes poussent en monocouche dans laquelle s’enchevêtrent des cellules en cours de prolifération et en cours de différenciation. Si la concentration en calcium est ensuite augmentée, l’organisation spatiale des cellules est vite modifiée : la monocouche est transformée en un épithélium à plusieurs couches dans lequel les cellules en cours de prolifération forment la couche basale adhérente au substratum et les cellules en cours de différenciation sont séparées dans les couches supérieures.   Document 19: évolution du temps d’initiation de la coagulation sanguine (r-time en minutes) en fonction de la concentration en calcium ionisé (en mmol/L) chez l’homme. Les lignes horizontales indiquent les valeurs normales du temps de coagulation. Aucune coagulation dans les échantillons de sang avec une concentration en calcium < 0.33 mmol/L et tous les échantillons avec une concentration en calcium > 0.56 mmol/L montrent une coagulation normale. (D’après M. F.M. James, J.C.V.A., 2004) Document 20: concentrations sériques en hormone parathyroïdienne en fonction de la concentration sérique en vitamine D3 (serum 25-hydroxyvitamin) et en calcium. Concentrations évaluées chez 944 personnes participantes (D’après L. Steingrimsdottir, JAMA, 2005)

Sécrétion de PTH (hormone parathyroidienne) En pmol/L Concentrations en calcium (mmol/L)