Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 Plan : Caractères distinctifs des cellules Eucaryotes par rapport aux procaryotes 1.1. compartimentation 1.2. cytosquelette 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 Les organites semi autonomes 3.1.la mitochondrie 3.2.le chloroplaste

Le cytosquelette de cellules fixées colorées au bleu de Coomassie Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Le cytosquelette de cellules fixées colorées au bleu de Coomassie

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette

1.2. Le cytosquelette Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 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

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette 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

Trafic des organites (eg vésicules) 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 …

Trois familles de protéines Trois types de filaments 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

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  filament liaison filament  autres composants de la cellule contrôle des filaments comprennent les moteurs filament  filament filament  autres composants de la cellule

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

1.2. Le cytosquelette Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 Propriétés Microfilaments (filaments d’Actine) Filaments intermédiaires Microtubules Structure Deux filaments d’actines jumelés Protéines filamenteuses super-enroulées 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

Filaments d'actine (=microfilaments) Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 Filaments d'actine (=microfilaments) 1.2. Le cytosquelette Lamellipodes, filipodes (dynamiques) Stéréocils (statiques) Anneau contractile Forme de la surface de la cellule Locomotion

Filaments d'actine :structure Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Filaments d'actine :structure

Mécanisme de la nucléation 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)

Actin Related Proteins (ARPs) 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 -TuRC 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

Fig16-28(AB) Filaments d'actine :structure Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Filaments d'actine :structure Rôle du complexe ARP dans la nucléation de l'actine Fig16-28(AB)

Fig16-28(C) Filaments d'actine :structure 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 Fig16-28(C) #3p932 16

Filaments d'actine :structure Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Filaments d'actine :structure Microscopie électronique de complexes Arp2/3 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 Arp2/3 complex (A) and complex mixed with gelsolin-capped actin filaments (B-D). In the presence of Arp2/3, 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 Arp2/3 complex. (E) Globular masses associated with filament pointed ends in the presence of Arp2/3 complex. Conditions: buffer same as Fig. 1 Fig. 3. Electron micrographs of quick-frozen, deep-etched, and rotary-shadowed samples of Arp2/3 complex (A) and complex mixed with gelsolin-capped actin filaments (B-D). In the presence of Arp2/3, 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 Arp2/3 complex. (E) Globular masses associated with filament pointed ends in the presence of Arp2/3 complex. Conditions: buffer same as Fig. 1 Mullins,RD1998 17

Filaments d'actine :formation Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Filaments d'actine :formation

Filaments d'actine :formation Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Filaments d'actine :formation

Filaments d'actine : arrangement Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Filaments d'actine : arrangement

Filaments intermédiaires Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 Filaments intermédiaires 1.2. Le cytosquelette Tapissent la face interne de l'enveloppe nucléaire Force mécanique Maintien des épithéliums Protection des neurones

Filaments intermédiaires : structure Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Filaments intermédiaires : structure

Filaments intermédiaires : structure Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Filaments intermédiaires : structure

Dynamique des filaments intermédiaires 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 p925#10

Filaments intermédiaires : structure 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

Principaux types de protéines des filaments intermédiaires 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 Desmine Protéine gliale fibrillaire acide Périphérine Nombreuse cellules d’origines mésenchymateuses Muscle Cellules gliales (astrocytes cellules de Schwann) Neurones épithélial Kératine type I (acide) Kératine type II (basique) Cellules épithéliales et dérivées (ongles, cheveux) axonal Protéines des neurofilaments p925#11 Expression différente en fonction du type cellulaire

Filaments intermédiaires : mécanique 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

Filaments intermédiaires : les kératines 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 p925#11

Filaments intermédiaires : les kératines Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Filaments intermédiaires : les kératines Filaments de kératine Limites des cellules p925#11

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Filaments intermédiaires : les neurofilaments 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

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En étoile à partir du centre de la cellule Fuseau, cils, flagelles Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Microtubules En étoile à partir du centre de la cellule Fuseau, cils, flagelles Position des organites à membrane Transport intra cellulaire (axones … )

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Pendant la division cellulaire les centrioles se répliquent. 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.

Nucléation des microtubules Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Nucléation des microtubules Centre Organisateur des MicroTubules (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 (-TuRC) = COMT très puissant #1p930

Nucléation des microtubules par la -tubuline 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 #1p930

Fig16-22 Nucléation d'un microtubule par -TuRC Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Fig16-22 Nucléation d'un microtubule par -TuRC Présence des deux protéines plus des protéines accessoires pour aider à la création de l’anneau -tubuline ring complexes en microscopie électronique MT nucléés à partir de -tubuline ring complexes purifiés

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Moritz,M2001(fig1) Modèles de nucléation des microtubules Fig. 1. Models of microtubule nucleation. (a) A microtubule nucleated spontaneously from pure /-tubulin. The microtubule is polar:  -tubulin is minus-end proximal and  -tubulin is plus-end proximal. Note the three-start helix and the `seam'. (b) The “template” model predicts that the -tubulins of the TuRC interact with each other laterally and contact -tubulins longitudinally at the minus end of the microtubule. This results in the stabilization of a small number of tubulin subunits, so that elongation is favored. The TuRC determines the number of protofilaments in the microtubule. (c) The `protofilament' model proposes that the -tubulins in the TuRC interact with each other longitudinally and with /-tubulins primarily laterally. The TuRC unwinds to form the first protofilament of the microtubule, promoting formation of a small sheet that then grows into a microtubule. Microtubule nucléé spontanément à partir de tubuline / pure Modèle avec matrice Modèle protofilament

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Cas particuliers de COMT 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 COMT répartis tout autour de l'enveloppe nucléaire Présence de -tubuline dans tous les cas #2p931

Le centrosome : principal centre organisateur des microtubules 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 -TuRC dans sa matrice Contient une paire de centrioles #2p930

Positionnement du centrosome au centre de la cellule Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Positionnement du centrosome au centre de la cellule Fig16-25 #2p931 Centrosome isolé + tubuline dans une chambre artificielle en plastique (image toutes les 3 minutes)

Fig16-23 Le centrosome 1.2. Le cytosquelette Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Le centrosome Fig16-23 #2p930

id corpuscules basaux des cils et des flagelles 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 #2p931

Structure des centrioles Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 Structure des centrioles 1.2. Le cytosquelette Cylindre de microtubules + protéines accessoires Un centriole dans un centrosome Matrice centrosomale fibreuse #2p931

Orientation des microtubules 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…

Données évolutives -tubuline et ARP 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

Protéines associées 1.2. Le cytosquelette Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 Protéines associées 1.2. Le cytosquelette extrémités Liaisons latérales Actine Thymosine profiline Tropomyosine cofiline Protéines cappantes tubuline stathmine MAP g- tubulin ring complexe (g-TuRC) Catastrophine

Propriétés mécaniques de actine, tubuline, filaments intermédiaires Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Propriétés mécaniques de actine, tubuline, filaments intermédiaires Force de cisaillement 52

Filaments intermédiaires = ligaments de la cellule Microtubules = os 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

Le cytosquelette joue un rôle majeur dans la motilité cellulaire. 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 les protéines moteurs tirent les composants du cytosquelette Ceci est aussi vrai dans les muscles Fig. 7.21a

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. 7.21b

1.2. Le cytosquelette : moteurs moléculaires 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 Toutes impliquées dans le transport vésiculaire

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Un flagelle a un mouvement ondulatoire. 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. 7.23a

Les cils bougent par alternance. 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. 7.23b

Les cils sont généralement nombreux à la surface des cellules. 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.

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.

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1.2. Le cytosquelette Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 Fig. 7.24

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alternativement tirent, se déplacent et relachent 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

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 1.2. Le cytosquelette Dans les cellules musculaires, des millier de filaments d’actine sont arrangés en parallèles les 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.

La contraction localisée dirige également les mouvement amaeboïdes. 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.

Ceci crée un flux circulaire dans le cytoplasme. 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.

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

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques

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

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques Perméabilité sélective entre compartiment cytoplasmique et nucléaire

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques Structure et assemblage de la lamina nucléaire

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques Structure et assemblage de la lamina nucléaire

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques Topologie de l'enveloppe nucléaire

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques Topologie de l'enveloppe nucléaire

Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 Une structure complexe (plus de 450 protéines de 30 types différents chez la levure par ex)

Complexe protéique des pores nucléaires Biologie Cellulaire Licence Bio-Math 2011 Complexe protéique des pores nucléaires http://sites.google.com/site/sspatel/nuclearporecomplex

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