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CHAPITRE 5 : Ultrastructure de la cellule animale I - Mise en évidence expérimentale ! Expérience de Palade : Objectif : Déterminer le trajet cellulaire des protéines sécrétées dans le milieu extracellulaire par des cellules pancréatiques.! Travail sur cellule du pancréas exocrine.! Le pancréas est une glande exocrine et endocrine.! Une glande dite :! Exocrine :Libère des enzymes dans le milieu extérieur de l’organisme.! Endocrine : Libère des hormones dans le milieu intérieur (sang).! Le travail est sur ses cellules car elles produisent des enzymes en quantité abondante et elles sont orientées dans l’espace. C’est donc plus facile de retracer le trajet d’une protéine dans une cellule orientée que dans une cellule qui ne l’est pas.! Le protocole utilisé est celui du Pulse Chase:! 1. Incubation d’un échantillon de cellule pancréatique dans un milieu radioactif. C’est un milieu! composé de beaucoup d’acides aminées, qui sont les précurseurs des protéines. Ils travaillent sur la leucine qu’ils ont marqué par radioactivité.! Pendant cette période les cellules vont synthétiser des protéines. Donc toutes les protéines synthétisées pendant la période du pulse sont marquées par radioactivité. ! 2. Lavage de l’échantillon avec de l’eau. Sert à éliminer toute la leucine radioactive non fixé non! intégrée dans un peptide. Pour avoir un signal plus précis.! 3. Transfert de l’échantillon dans un milieu non radioactif. Les protéines synthétisées ne seront plus! radioactives pendant le chase. On a donc deux types de protéines dans la cellule.! 4. Prélèvement de quelques cellules de l’échantillon à intervalle de temps réguliers (3/20/90).! Fixation, observation et autoradiographie, pour révéler la localisation de la radioactivité , comme! des tâches noires(=radioactif).! Faible temps dans un milieu radioactif permet une localisation plus précise.! On a donc une visualisation de la progression au cours du temps des protéines marques dans la! cellule.!

II - Structure du noyau interphasique ! 1) L’enveloppe nucléaire! L’enveloppe nucléaire est une double membrane, elle est constituée de 2 bicouches lipidiques, l’espace périnucléaire ainsi délimité est en continuité avec la lumière du RE et comme lui peut être parsemé de ribosome. De plus, la membrane interne est recouverte d’un réseau de protéines constituant la lamina, celle ci assure une role de soutient et intervient dans les mouvements de la chromatine lors des différentes phases du cycle cellulaire. ! L’enveloppe nucléaire contrôle les échanges entre le cytoplasme et le compartiment intra-nucléaire, plus particulièrement, les échanges sont assurés par une structure particulière : le pore nucléaire. Ce complexe est constitué de plus d’une trentaine de protéines et se trouve à plus de 2000 copies par noyau dans les cellules des vertébrés. Ces pores assurent un transport bidirectionnel : sortie des ARNm vers cytoplasme et entrée de nucléotides et protéines dans le noyau. Seul les molécules de très petite taille peuvent y passer, les autres sont transportées par transport actif. !

2) La chromatine! Dans les cellules eucaryote, l’ADN est fortement replié au cours du cycle cellulaire de façon à pouvoir être contenu dans le noyau. Cette condensation est assuré par l’interaction de l’ADN avec des protéines structurales, constituant ainsi la chromatine.! Le 1er niveau de repliement résulte de l’enroulement de l’ADN autour d’un noyau protéique d’histones consistant le nucléosome. Cette association forme des fibres de 10nm de diamètre et prend l’aspect d’un collier de perles en microscope électronique. ! Dans un 2e temps, les nucléosomes s’associent entre eux par l’intermédiaire de l’histone H1 et forment un solénoïde, contenant 6 nucléosomes par tour, l’ensemble constitue une fibre de 30nm de diamètre. Lors de l’interphase, ces éléments se replient à leur tour en fibres de 100 à 300nm de diamètre, constituant des domaines en boucles de 15000 à 16000 pb. Ces domaines s’associent à une charpente protéique, le nucléosquelette, formant les chromosomes interphasiques. Lors de la mitose le degré d’agregation des domaines en boucle augmente conduisant à un compactage maximum sous formes de chromosome mitotiques. !

Le noyau renferme l’ADN sous forme de chromatine. La chromatine peut se retrouver sous 2 formes : ! - l’Euchromatine: forme la moins compacte de l’ADN. Les portions d’ADN la constituant contiennent des gènes qui son fréquemment exprimés par la cellule. Elle se trouve principalement au centre du noyau.! - l’Hétérochromatine: situé principalement en périphérie du noyau, présente un ADN plus compact. Les régions qui la constitue contiennent soit des gènes qui ne sont pas exprimés par la cellule (hétérochromatine facultative), soit qui fabriquent les télomères et centromères des chromosomes (hétérochromatine constitutive). !

3) Fonctions du noyau! A) Lieu de synthèse des ARN La transcription correspond à la synthèse d’un brin d’ARN à partir d’un brin d’ADN matrice. L’ARN synthétisé est complémentaire au brin matrice et identique au codant (à partir les thymines remplacées en Uraciles). Cette synthèse se déroule au niveau des segments d’ADN non appariés, nommés boucle de transcription. La transcription est effectué par l’ARN polymérase (avec sites d’initiation et de terminaisons), mais celle ci est dépourvues d’activité correctrice, ce qui conduit à l’introduction d’une erreur pour 10 000 à 100 000 bases. Ce taux d’erreur est acceptable car les erreurs ne sont pas transmises à la descendance et chaque gène est transcrit de nombreuses fois. ! La transcription est un phénomène cyclique séparé en trois étapes: initiation, élongation et terminaison, ce qui aboutit à la production de différents ARN:! - ARNm (ARN polymérase 2) - ARNt - ARNr! - ARNsn - ARNinterferant !

B) Lieu de synthèse de l’ADN La réplication est un processus selon lequel un nouveau brin d’ADN est synthétisé à partir d’un brin matrice d’ADN dont il est complémentaire. Elle se déroule au sein d’unités appelées réplicons, il s’agit de régions des chromosomes délimités par une origine de réplication et une terminaison. Les origines de réplication sont des régions sur l’ADN constituant les sites d’assemblage de complexe protéiques permettant l’ouverture de la double hélice d’ADN puis la synthèse de nouveaux brins par l’ADN polymérase. ! La réplication est semi conservative, après ouverture de la double hélice d’ADN, chacun des 2 brins est utilisé comme matrice pour la synthèse d’un nouveau brin. Les molécules d’ADN ainsi constitué possèdent un brin d’origine et un brin néoformé. ! !

III - Le cytosol! 1) Les rôles ! Le cytosol est la phase liquide où baignent les orgnanites et les éléments du cytosqueulette. Il possède différents roles: ! -> Reserve de matériaux : - régulation des pH intra et extracellulaire grace à la grande quantité d’eau et d’ions! - réserve énergétique grace aux vacuoles lipidiques et glycogénique ! - transit des protéines et macromolécules ! -> Carrefour de voies métaboliques : - anabolisme et catabolisme des acides aminés, des glucides, des acides gras et nucléotides! - synthèse des protéines! -> Transduction des signaux de la membrane vers les organites et le noyau -> Géométrie et mouvement des cellules

2) Lieu de synthèse des protéines: la traduction ! La traduction est réalisé par les ribosomes selon des mécanismes très conservées chez tous les êtres vivants. La traduction repose sur la lecture de la séquence des ARNm, par triplet de nucléotides, chaque triplet, appelé codon, spécifiant un acide aminé déterminé. Elle comprend trois étapes et fait intervenir de nombreux facteurs protéiques et nécessite de l’énergie:! - l’initiation débute toujours par le meme codon, ou codon initiateur (AUG).! - l’élongation se réalise par fixation séquentielle d’ARNt sur trois sites des ribosomes et création de liaisons peptiques entre les acides aminés portés par les ARNt fixés. L’élongation se poursuit de manière répétitive, avec remplacement des ARNt dans les sites au fur et à mesure de la lecture de l’ARNm dans le sens 5’-3’.! - la terminaison se produit lorsque le ribosome parvient sur l’un des codons stop. ! Remarque: Un meme ARNm peut être traduit simultanément par plusieurs ribosomes. !

3) Le cytosquelette ! Le cytosquelette cellulaire est un réseau de filaments ou tubules protéiques qui s’étend dans tout le cytoplasme. C’est une structure dynamique qui se réorganise continuellement au cours des différents événements cellulaires (migration, division,…). Il existe trois types principaux de structures protéiques constituant le cytosquelette : ! - les filaments d’active (microfilaments)! - les microtubules! - les filaments intermédiaires ! A) Les microtubules On trouve les microtubules du centre de la cellule vers la périphérie et également dans les cils et flagelles. Ces microtubules sont formés d’assemblage de molécule de tubulaire pour former une fibre creuse avec une extrémité négative et positive (phénomènes différents à ces deux extrémités). ! Les microtubules sont associées à des protéines, il peut s’agir soit de protéines structurales car elles associent les microtubules les uns avec les autres pour former des faisceaux ou des réseaux de microtubules (par exemple, protéine TAU), soit de protéines dites motrices, elles sont capables de bouger sur le microtubule et elles ont pour mission de transporté des molécules, des petites vésicules, des organistes le long des microtubules à l’intérieur de la cellule. ! Les microtubules jouent aussi un role important au moment de la division cellulaire par la formation du fuseau mitotique qui permet la séparation des chromosomes.! Dans les cils et flagelle , les microtubules sont extrêmement stables car ils ne subissent aucun phénomène d’assemblage et désassemblage. De plus, ils sont associé de façon étroite les uns avec les autres grace aux protéines structurale.!

B) Les filaments d’actine Ce sont les filaments les plus fins et les moins résistants. Comme pour les microtubules, il en existe des stables (ceux qui forme l’armature des microvillosité) et des instables. Les instables permettent de pousser sur la membrane afin de faire des prolongements membranaires permettant le déplacement, on les trouve principalement en sous membranaire. De plus, ces filaments permettent également d’effectuer l’endocytose et l’exocytose. ! C) Les filaments intermédiaires Ces filaments sont les plus stables et les plus rigides, ils se situent autour et dans le noyau ainsi que dans le cytoplasme. C’est autour des filaments à l’intérieur du noyau que se condense la chromatine. ! Dans le cytoplasme, c’est plus compliqué car selon l’origine de la cellule en question, les filaments la composant n’auront pas la meme forme. C’est donc un moyen de trouver l’origine cellulaire dans les cas de cancer par exemple. !

IV - Le réseau endobiomembranaire! La dimension des cellules eucaryotes a conduit les cellules à évoluer de façon a assurer leur homéostasie et a communiquer avec l’environnement tissulaire. Ainsi, ces cellules sont caractérisées par le développement d’un réseau important de membranes délimitant des compartiments ayant des fonctions spécialisées différentes. ! Le système endomembranaire est constitué de 4 compartiments majeurs:! - Le reticulum endoplasmique (rugeux/granuleux ou lisse) ! - L’appareil de Golgi! - Les lysosomes! - Les endosomes! Ce système endomembranaire sert l’adressage des protéines.! Après transcription de l'ADN en ARNm, ce dernier sort du noyau et est traduit en protéines dans le cytoplasme (traduction ARNm en protéines). Les protéines sont orientées, ensuite vers différents organites cellulaires.# Il existe deux types de traductions:# - Traduction sur des ribosomes libres (voie cytosolique)# - Traduction sur des ribosomes fixés au réticulum endoplasmique (voie sécretoire -> réseau endobiomembranaire) ! A) Voie cytosolique! La traduction se fait dans le cytosol (protéines dirigées vers le noyau, mitochondries, plastes et peroxysomes). Les protéines seront ensuite introduites dans les différents organites par translocation post-traductionnelle.! B) Voie sécrétoire! La traduction se fait dans des ribosomes fixés au RE, puis les protéines produites sont transportés par les différents organises constituant le réseau endomembranaire, dans ce cas on parle de translocation co-traductionnelle. ! $

1) Le reticulum endoplasmique !

Le reticulum endoplasmique est un réseau de tubules connectées, de plus sa membrane est connectée avec l’enveloppe nucléaire. ! Le réticulum endoplasmique peut être :! • granuleux (REG), c'est-à-dire associé à des ribosomes qui constituent les « granules » ;! • ou lisse (REL)!

Rôles du REL : ! - Synthèse des lipides (phosopholipides membranaires, stéroïdes) ! - Détoxification des cellules! - Stockage du calcium! - Production de glucose à partir des stocks de glycogène! Rôles du REG :! - Synthèse et translocation des protéines! - Modification co et post-traductionnelles! - Controle qualité des protéines !

2) L’appareil de Golgi! Il s’agit d’un réseau de citernes et de vésicules ayant pour fonctions :! - la modification post traductionneles ! - la coupure protéolytiques! - la synthèse des sphingolipides! - le tri, l’adressage et l’exportation des protéines et lipides!

3) Les lysosomes ! Les lysosomes sont des vésicules riches en enzyme et assurant la digestion des nutriments, ils assurent donc la nutrition cellulaire mais également le renouvellement cellulaire. Il s’agit aussi d’un mécanisme de défense contre les agents pathogènes.! La dégradation est assurée par les hydrobases dont le maximum d’efficacité est atteint à pH 3 à 5. !

4) Le transport vésiculaire ! Il existe 3 types de manteaux des vésicules recouvertes :! - le manteau de clathrine ! - le manteau COP I! - le manteau COP II ! Les vésicules naissent par bourgeonnement....