La Cellule : Introduction et Exploration

La cellule est l'unité morphologique et fonctionnelle fondamentale des êtres vivants. Ce module vise à comprendre son fonctionnement normal, les anomalies associées aux pathologies génétiques et acquises, et les bases cellulaires du diagnostic et du traitement de ces maladies.

PARTIE A : Origine et Importance de la Théorie Cellulaire

L'étude de la matière vivante a évolué grâce aux scientifiques, aux instruments (comme le microscope), à la validation d'expériences, et à la diffusion rapide des connaissances.

Avant le XVIIIème Siècle

La vision était celle d'une "simple juxtaposition d'entités totalement indépendantes", sans analogie entre animaux et végétaux.

À Partir du XVIIIème Siècle

Des scientifiques pionniers tels que Robert Hooke (qui a proposé le terme « cellule » en 1665) et Antonie Van Leeuwenhoek, ainsi que le perfectionnement des microscopes, ont révolutionné la compréhension du vivant.

Émergence de la Théorie Cellulaire

À la fin du XIXe siècle, des figures comme Virchow (1858) ont énoncé des principes fondamentaux, dont "omni cellula e cellula" (toute cellule provient d'une cellule), définissant la continuité de la vie. La cellule est ainsi reconnue comme la plus petite portion de matière vivante pouvant vivre isolément et se reproduire par mitose, donnant naissance à des cellules filles génétiquement identiques.

La théorie cellulaire a permis de classer les êtres vivants en :

• Unicellulaires :

  • Protophytes (végétaux réalisant la photosynthèse)

  • Protozoaires (animaux)

• Pluricellulaires :

  • Métaphytes (végétaux réalisant la photosynthèse)

  • Métazoaires (animaux)

Les cellules peuvent s'associer, allant de la simple juxtaposition (algues) à la différenciation et l'organisation en tissus.

PARTIE B : La Biologie Cellulaire

La cytologie (étude de la cellule) a connu un essor important dès la fin du XIXe siècle avec des découvertes capitales (chromosomes en 1888, hérédité mendélienne). Elle se distingue de l'histologie (étude des tissus).

Des avancées technologiques comme la microscopie électronique et les méthodes de fractionnement cellulaire ont permis de lier structure et fonction, introduisant le concept de macromolécules (ADN, protéines).

Lwoff, Jacob et Monod (Prix Nobel 1965) ont identifié trois unités cellulaires :

• Unité de plan : noyau, cytoplasme

• Unité de fonction : métabolisme

• Unité de composition : molécules de base

La découverte de la structure de l'ADN en 1953 par Watson, Crick et Wilkins (avec les contributions cruciales mais non récompensées de Rosalind Elsie Franklin) a marqué une révolution.

Le séquençage du génome depuis les années 1990 a permis des avancées considérables, notamment dans la compréhension des pathologies comme le cancer.

La biologie cellulaire est une discipline carrefour qui étudie les relations entre la structure et la fonction cellulaire, la régulation de son fonctionnement, et ses dysfonctionnements. Selon Virchow, "toutes les affections pathologiques sont dues à des altérations cellulaires".

PARTIE C : Aperçu Général sur l'Architecture et les Fonctions Cellulaires

I. La Cellule Eucaryote Animale

Figure 1, Chapitre 1 : organisation d'une cellule eucaryote animale

Toutes les cellules d'un organisme humain partagent une architecture commune avec :

• Deux compartiments : le noyau et le cytoplasme (seule l'hématie adulte ne possède pas de noyau).

• Une interdépendance fonctionnelle.

• Une membrane plasmique : structure frontière, mais également interface de communication.

• Une organisation architecturale stable : toute perturbation peut entraîner une altération fonctionnelle.

A. Le Noyau

Le noyau, situé au centre de la cellule, contient l'information génétique (ADN) sous forme de 46 chromosomes chez l'homme. Cette information est transmise au cytoplasme via les ARNm pour la synthèse des protéines. Le noyau disparaît puis se reforme lors de la mitose, contrôlant toutes les activités cellulaires.

Un courant d'information bidirectionnel existe :

• Du noyau vers le cytoplasme : transcription (ADN ARN) et transport (ARNm cytoplasme).

• Dans le cytoplasme : traduction (ARN protéines) par les ribosomes.

• Du cytoplasme vers le noyau : protéines régulatrices (facteurs de transcription) retournent au noyau.

Les cellules communiquent via des signaux intercellulaires (récepteurs membranaires) qui peuvent influencer la prolifération cellulaire.

Figure 2, Chapitre 1 : Flux bidirectionnel d'informations

B. Le Cytoplasme

Le cytoplasme comprend :

• Le système endomembranaire : Réticulum Endoplasmique (RE), Appareil de Golgi, lysosomes.

• Les mitochondries et les peroxysomes.

• Le cytosol : milieu gélatineux où se déroulent les réactions biochimiques.

• Le cytosquelette : structure la cellule et participe à son fonctionnement (microtubules, filaments intermédiaires, filaments d'actine).

C. La Membrane Plasmique

La membrane plasmique est une interface dynamique entre le cytoplasme et l'environnement cellulaire, caractérisée par des échanges permanents via l'endo/exocytose et la communication intercellulaire.

II. De la Cellule Eucaryote aux Tissus et aux Organes

Il existe plus de 200 types cellulaires, dont la coordination est assurée par la communication intercellulaire. L'association de types cellulaires forme les tissus (5 catégories principales). Un organe est une entité anatomique et fonctionnelle formée de plusieurs tissus.

Figure 3, Chapitre 1 : Organisation cellulaire

Des cellules de formes différentes (pavimenteuses, cylindriques) s'organisent en épithéliums (unistratifiés, pluristratifiés) reposant sur une lame basale et du tissu conjonctif, montrant une grande diversité de spécialisations.

III. Cellule Procaryote

Figure 4, Chapitre 1 : Cellule procaryote

Les cellules procaryotes (ex: bactéries) ne possèdent pas de noyau délimité. Leur ADN circulaire (nucléoïde) et le cytosquelette baignent dans le cytoplasme. Elles ont des ribosomes et sont entourées d'une membrane plasmique, parfois d'une paroi (Gram+ ou Gram-). Elles ne possèdent ni système endomembranaire, ni mitochondries, ni peroxysomes.

Leur division est très rapide (moins de 20 min) par scissiparité. Elles sont autonomes, pouvant être aérobies ou anaérobies, et certaines sont pathogènes.

IV. Archaebactéries

Les archaea (archébactéries) ont une séquence nucléotidique spécifique et vivent dans des environnements extrêmes (température, pH, sel). Elles sont dites "extrêmophiles" et certaines de leurs enzymes sont utilisées en biologie moléculaire (ex: Taq polymérase pour PCR). Elles partagent des similitudes avec les eucaryotes.

V. Virus : Acaryote

Figure 5, Chapitre 1 : Virus

Les virus sont plus petits que les bactéries et visibles seulement au microscope électronique. Ils n'ont pas de noyau et leur génome est composé d'ADN ou d'ARN. Incapables de se reproduire seuls (parasitisme obligatoire), ils utilisent les ressources de la cellule hôte, pouvant inhiber sa production de protéines. Ils sont responsables de diverses maladies virales (grippe, SIDA, COVID) et de cancers.

Issue d'une infection virale :

• Lyse Cellulaire : Le virus se réplique et détruit la cellule, libérant de nouvelles particules virales.

• Cohabitation Silencieuse (Phase de Latence) : Le virus reste inactif dans la cellule (ex: VIH), pouvant se réactiver plus tard.

• Intégration dans le Génome de la Cellule Hôte : Le matériel génétique viral s'intègre à celui de l'hôte, parfois entraînant la mort cellulaire ou la cancérisation (ex: HPV, causant 98% des cancers du col utérin).

VI. Les Agents Pathogènes

Les agents pathogènes sont très divers :

• Organisme unicellulaire :

  • Procaryote : Bactérie (ex: Listeria)

  • Eucaryote : Trichomonas vaginalis

• Organisme pluricellulaire : Anguillule (larve)

• Virus : Papillomavirus humain

• Protéines : Protéine prion (capable de devenir pathogène selon sa conformation)

ATTENTION À BIEN RETENIR LA DIFFÉRENCE CYTOPLASME/CYTOSOL :
- Le cytosol est un gel.
- Le cytoplasme comprend tous les organites, cytosquelette, et cytosol.

PARTIE D : Prolifération et Mort Cellulaire : Cycle Cellulaire, Chronobiologie et Mort Cellulaire

I. Introduction

La prolifération et la mort cellulaire programmée (apoptose) sont deux processus régulés de manière complexe. L'apoptose peut être physiologique ou pathologique.

II. Vie de la Plupart des Cellules : Phases Successives, Cycle Cellulaire

• Chez les unicellulaires : la division cellulaire est le principal mécanisme de reproduction.

• Chez les multicellulaires : essentielle pour l'intégrité de l'organisme (remplacement de cellules, croissance, développement, régénération).

• Importance pour la survie de l'espèce.

Figure 6, Chapitre 1 : Cycle cellulaire

Le cycle cellulaire comprend deux phases principales :

1. La phase M : mitose (division cellulaire), la plus courte.

2. L'interphase : phases G1, S et G2.

A. Interphase

L'interphase est la phase la plus longue, se subdivisant en :

• G1 (première phase de croissance) : préparation à la réplication de l'ADN.

• S (synthèse) : réplication de l'ADN.

• G2 (deuxième phase de croissance) : préparation à la mitose.

Les phases "G" (GAP) sont des périodes d'activité métabolique intense (transcription, synthèse protéique, réparation de l'ADN).

1. Phase G1

Sa durée est très variable selon le type cellulaire, et détermine la durée totale du cycle cellulaire.

• Kératinocytes : G1 très longue (87h).

• Érythroblastes : G1 très brève (1h).

2. Phase G2

Activité métabolique intense et réparation de l'ADN, durée comparable entre types cellulaires.

3. Phase G0

Phase de sortie du cycle cellulaire. Peut être :

• Définitive (ex: neurones).

• Temporaire (retour en G1 possible, ex: foie).

4. Phase S

Synthèse de l'ADN nucléaire (doublement de la quantité d'ADN). Réplication asynchrone, mécanismes de correction d'erreurs (correction "sur épreuve"). La transcription et la synthèse protéique peuvent se poursuivre.

B. La Mitose

La mitose (phase M) est la plus courte et se déroule en prophase, prométaphase, métaphase, anaphase, télophase, suivie de la cytocinèse. L'enveloppe nucléaire disparaît, l'ADN se condense en chromosomes. L'activité métabolique est limitée pendant cette phase.

L'ADN est organisé en chromosomes dans le nucléoplasme, compacté par les histones en nucléosomes avec différents niveaux de condensation (hétérochromatine).

1. Les étapes de la mitose (phase M)

1. Durant l'interphase, le centrosome et ses centrioles (9 triplets de microtubules) ainsi que les chromosomes se répliquent.

2. 

   
   Centrosome (centre cellulaire) constitué de 2 centrioles perpendiculaires.

3. Prophase :

   • La chromatine se condense en chromosomes.

   • Les nucléoles disparaissent.

   • Le fuseau de division s'installe, les centrosomes s'éloignent.

   

4. Prométaphase :

   • L'enveloppe nucléaire se fragmente et disparaît.

   • Les fibres du fuseau envahissent la cellule, s'accrochent aux kinétochores des chromosomes et/ou se chevauchent (fibres polaires).

   

   Le kinétochore est constitué de protéines et de certaines portions d'ADN du centromère.

5. Métaphase : Les chromosomes s'alignent à la plaque équatoriale.

   

6. Anaphase :

   • Les centromères se répliquent, libérant les chromatides sœurs.

   • Chaque chromatide migre vers son pôle par raccourcissement des microtubules.

   • La cellule s'allonge.

   

7. Télophase : Les noyaux se reforment, les chromosomes se décondensent.

   

8. Cytocinèse : Le cytoplasme et les organites se divisent grâce à un anneau contractile.

   

Les cellules ont un nombre limité de divisions. Les télomères, des "horloges biologiques" sans gènes, raccourcissent à chaque division. Un raccourcissement excessif entraîne la sénescence (arrêt irréversible) suivie de la mort cellulaire. Les télomérases (enzymes) luttent contre ce raccourcissement.

Cycle cellulaire et cancer :

La durée du cycle et l'activité métabolique varient.

Figure 8, Chapitre 1 : Durée du cycle cellulaire

Il existe trois types de cellules dans un organisme supérieur :

• Cellules spécialisées en phase G0 : ne se divisent plus (ex: neurones adultes).

• Cellules différenciées avec phase G0 prolongée : peuvent reprendre le cycle (ex: hépatocytes).

• Cellules souches : prolifèrent indéfiniment et peuvent se différencier.

Le cycle cellulaire est strictement contrôlé par :

• Des signaux externes (facteurs de croissance).

• Des points de contrôle (checkpoints) : assurent la conformité avant de passer à la phase suivante.

• Les cyclines et Cdk (protéines kinases cycline-dépendantes) : régulent la progression.

• Les facteurs de croissance et gènes suppresseurs de tumeur (ex: pRB, p53) : détectent les anomalies et peuvent déclencher la mort cellulaire.

Figure 10, Chapitre 1 : Schéma simplifié du contrôle du cycle cellulaire et exemples de paramètres analysés aux points de contrôle.

La cellule cancéreuse :

La formation de tumeurs implique une multiplication cellulaire incontrôlée due à :

• L'échappement aux contrôles du cycle cellulaire après agressions successives.

• Le raccourcissement de la phase G1, accélérant le cycle.

Les traitements anticancéreux (chimiothérapie) ciblent souvent la phase S (bloque la réplication de l'ADN) ou la phase M (perturbe le fuseau mitotique).

III. La Vie Cellulaire Obéit à des Rythmes : La Chronobiologie ou Rythme Circadien

L'activité rythmique de la matière vivante est régie par des horloges biologiques internes (rythmes circadiens de 24h) et influencée par l'environnement (lumière). Plus de 150 rythmes circadiens sont connus chez l'homme.

IV. La Mort Cellulaire

Figure 11, Chapitre 1 : Mort cellulaire

Deux types principaux de mort cellulaire :

A. La Nécrose

Forme pathologique, causée par des agressions mécaniques ou toxiques. Elle entraîne un gonflement, l'éclatement de la membrane et une réaction inflammatoire due à la libération du contenu cellulaire.

B. L'Apoptose "Mort Programmée"

Phénomène physiologique, qui peut devenir pathologique. La cellule reçoit un "message de mort" (ex: anomalies de l'ADN). Si la réparation est impossible, elle subit :

• Isolement cellulaire.

• Condensation de la chromatine et fragmentation de l'ADN.

• Formation de corps apoptotiques (vésicules membrane plasmique intacte).

• Phagocytose par les macrophages ("mort élégante") sans réaction inflammatoire.

L'apoptose est indispensable pour :

• Le développement embryonnaire (ex: élimination des motoneurones non connectés).

• Le maintien de l'homéostasie tissulaire (remplacement des cellules vieilles).

Un dérèglement peut causer des pathologies :

• Excès d'apoptose : maladies neurodégénératives (Alzheimer, Parkinson).

• Inactivation : prolifération cellulaire incontrôlée (tumeurs, cancers).

L'apoptose est un phénomène actif, initié par les procaspases qui sont activées en caspases par les cytochromes C (libérés par les mitochondries). Les gènes anti-apoptotiques et pro-apoptotiques régulent ce processus.

La Cellule : Introduction et Méthodes d'Étude

I. Introduction

Les avancées en biologie cellulaire sont étroitement liées à l'évolution des méthodes et techniques, nécessitant une approche combinée pour la progression des connaissances. Les cellules ne sont pas observables à l'œil nu, d'où la nécessité de technologies sophistiquées.

II. La Microscopie

Les cellules sont incolores et translucides, leur préparation est donc essentielle (fixation, coloration/contraste).

A. Microscopie Optique (Champ Clair)

Elle permet de distinguer des points séparés de 0,2 µm utilisant la lumière (photons). Le contraste de phase permet de mieux visualiser les cellules vivantes et non colorées.

La microscopie optique, après coloration (ex: MGG pour cellules sanguines, Papanicolaou pour cellules épithéliales), permet d'observer l'ADN (décondensé en interphase, condensé en métaphase) et de classer les chromosomes.

B. Microscope à Fluorescence

Principe : Une molécule émet un rayonnement (d'une longueur d'onde différente, ) après excitation par un rayonnement .

Molécules fluorescentes intrinsèques :

• GFP (Green Fluorescent Protein) : Protéine isolée d'une méduse marine (Prix Nobel de Chimie 2008).

• DAPI : Molécule fluorescente qui se lie aux bases A et T de l'ADN, colorant le noyau.

Les fluorochromes sont excités par un laser spécifique (longueur d'onde d'absorption) et émettent à une autre longueur d'onde (spectre d'émission), qui est isolée par des filtres. Une cellule peut être marquée par plusieurs fluorochromes pour analyser plusieurs antigènes simultanément. L'immunofluorescence permet de localiser et quantifier des protéines.

La microscopie confocale est une fluorescence numérique qui permet des coupes et des reconstitutions 3D (ex: FISH - Hybridation Fluorescente in situ).

Pouvoir de résolution : optique < fluorescence < électronique.

C. Microscope Électronique à Transmission (MET)

Inventé par Ernest Ruska (1940), il permet de distinguer 2 points séparés de 2 nm. Il utilise un faisceau d'électrons et fonctionne sous vide. L'image est en noir et blanc.

• Cryofracture : Technique de préparation pour étudier les membranes (séparation des feuillets lipidiques), a révélé les protéines transmembranaires.

• Coloration négative : Contraste l'espace autour de la structure.

D. Microscopie Électronique à Balayage (MEB)

Utilisée pour des échantillons massifs. Le faisceau d'électrons balaie la surface de l'échantillon, permettant une observation en trois dimensions.

PARTIE C : La Biochimie

I. La Cytoenzymologie

Analyse, détection et localisation des enzymes grâce à leur activité dans une cellule.

II. Principe du Western Blot

Technique de quantification des protéines dans un extrait cellulaire ou tissulaire :

1. Extraction des protéines.

2. Dénaturation et migration par électrophorèse (séparation par poids moléculaire).

3. Transfert sur membrane de nitrocellulose.

4. Révélation par anticorps spécifiques. Un témoin de charge est essentiel pour comparer les quantités.

Le Western Blot peut diagnostiquer des anomalies quantitatives (ex: laminopathie).

III. Exemples d'Application des Méthodes Biochimiques

• Synthèse de peptides par voie chimique : Pour produire des anticorps polyclonaux ou monoclonaux.

  

• Synthèse d'anticorps : Outil performant pour l'immunocytochimie (cellules) et l'immunohistochimie (tissus).

  

  L'immunohistochimie utilise un anticorps primaire (fixé sur l'antigène à détecter) puis un secondaire (fixé sur le primaire) pour révélation. Un contrôle négatif est indispensable.

• Marquage radioactif de molécules : Visualisation de protéines radiomarquées (ex: iode 125I).

  

• Immunohistochimie : Phénotypage de cellules cancéreuses.

  

  Typage des cancers par marquage de cytokératine (carcinome), EMA (carcinome), EpCAM (adénocarcinome), ACE (adénocarcinome), TTF1 (poumon).

L'importance du contrôle : Les interactions des anticorps doivent être validées pour éviter les signaux non spécifiques.

PARTIE D : Les Outils de Biologie Moléculaire

Extraction et purification des acides nucléiques pour déterminer les séquences. Utilisation d'enzymes pour couper (restriction), copier (PCR, transcription), coller (ligation).

I. Hybridation Moléculaire

Technique basée sur la complémentarité des bases. Utilise des sondes nucléotidiques marquées pour détecter des séquences spécifiques (ex: ARN viral). Le FISH (Fluorescence In Situ Hybridization) utilise des sondes fluorescentes pour l'ADN (identification de réarrangements chromosomiques). La "peinture chromosomique" utilise des sondes reconnaissant des chromosomes entiers.

II. La PCR (Polymerase Chain Reaction)

Révolutionnaire pour l'amplification d'une séquence d'ADN. Peut être qualitative ou quantitative. Nécessite la connaissance de la séquence (amorces/primers). Pour l'ARN, on utilise la RT-PCR (transcriptase inverse puis PCR). Utile pour le diagnostic (COVID-19) ou la recherche (VIH).

III. Séquençage à Haut Débit : NGS (Next Generation Sequencing)

Génération et lecture parallèles de millions de fragments d'ADN pour reconstituer le génome. Analyse des variations (mutations, gènes sur/sous-exprimés). Utilisée en recherche et pour les mutations tumorales.

IV. Les Outils Bio-Informatiques

Essentiels pour le traitement des données biologiques générées par les nouvelles techniques (NGS). Banques de données (GenBank, ExPasy), programmes d'analyse et de prédiction (génomique, transcriptomique, protéomique).

V. Les Applications

• Protéines chimères : Protéines étiquetées ("taguées", ex: GFP) pour étudier leur localisation et fonction.

  

  La transfection consiste à introduire un gène d'intérêt dans une cellule via un vecteur (plasmide) pour étudier son expression. Un témoin (plasmide non modifié) est crucial.

  

• Fragments antisens (ADN ou ARN) : Utilisation de petits ARN interférents (siRNA) pour inhiber l'expression d'un gène spécifique (ex: anti-lamine A).

• CRISPR-Cas9 ("Genome editing") : Technique simple, rapide et efficace pour modifier la séquence d'ADN à un endroit précis du génome. Récompensée par un Prix Nobel.

PARTIE E : Les Modèles

I. Les Cellules = Modèle In Vitro

A. Les Cellules Primaires

Extraites d'un organisme (humain, animal) et cultivées. Non modifiées, elles subissent la sénescence réplicative (durée de vie limitée). Ex: fibroblastes dermiques.

B. Lignées Cellulaires

Dérivées de tumeurs (animales ou humaines), elles peuvent être cultivées indéfiniment (cellules immortalisées). Ex: cellules tumorales, HEK, CHO, HeLa. Permettent des études prolongées et des manipulations génétiques.

C. Cellules Pluripotentes Induites (iPSc)

Cellules différenciées reprogrammées par vecteurs viraux pour acquérir une pluripotence. Elles peuvent s'auto-renouveler et se différencier en divers types cellulaires (neurones, cardiomyocytes), très utiles en recherche.

Exemple de test cellulaire : **Scratch test** (test de la blessure) pour étudier la migration cellulaire.

Exemple de test cellulaire : **Chambre de Boyden** pour étudier la migration et l'invasion cellulaire (notamment pour les cellules cancéreuses).

II. Culture d'Explants

Des morceaux de tissu sont prélevés de l'organisme et cultivés, conservant leur architecture.

III. Culture d'Organoïdes

Structures multicellulaires 3D qui reproduisent la micro-anatomie d'un organe (mini-organes). Obtenues à partir de cellules souches embryonnaires ou d'iPS.

IV. Modèles Animaux = In Vivo

Utilisés après validation in vitro (drosophile, souris, C. elegans).

• Animaux transgéniques : Production d'animaux avec inactivation (KO - Knock Out) ou remplacement d'un gène (KI - Knock In). Ex: modèles murins pour la Progéria.

  

PARTIE F : Autres Techniques

I. Électrophysiologie

• Patch-clamp : Étude des canaux ioniques et de la perméabilité membranaire (ex: enregistrement des flux ioniques à travers un seul canal).

  

  La mesure de la résistance électrique transépithéliale évalue l'étanchéité des couches cellulaires.

II. Immunoprécipitation

Technique pour séparer une molécule d'intérêt d'un mélange, en utilisant un support (bille) couplé à un anticorps et un aimant.

III. Co-Immunoprécipitation

Similaire à l'immunoprécipitation, mais pour détecter des protéines associées à une protéine d'intérêt (souvent suivie d'un Western Blot).

IV. Pulse-Chase

Technique pour suivre le destin de molécules nouvellement synthétisées en les marquant puis en observant leur localisation au cours du temps (ex: flux membranaire vectoriel permanent).

PARTIE G : La Démarche Expérimentale

I. Le Principe

La progression des connaissances en biologie cellulaire repose sur la démarche expérimentale :

1. Formuler une hypothèse.

2. Tester l'hypothèse par des méthodes d'étude adaptées.

3. Confronter l'hypothèse aux résultats obtenus.

II. Un Exemple

Hypothèse : Une modification d'expression de la lamine A est-elle présente dans les cellules d'adénocarcinome bronchique ?

• Modèle de choix : lignées cellulaires cancéreuses, biopsies de patients.

• Techniques : Western Blot, cytométrie en flux, immunofluorescence.

• Résultats : Diminution de l'expression de la lamine A chez 1/3 des patients, corrélée à un pronostic péjoratif.

• Suite : Comprendre les mécanismes physiopathologiques, rechercher de nouveaux modèles, diffuser les connaissances (publications).

Membrane Plasmique

I. Introduction

La membrane plasmique (MP) est la frontière entre la cellule et son environnement, essentielle pour maintenir les différences de concentrations ioniques. Elle assure la communication intercellulaire via des molécules d'adhérence et sert de plateforme de signalisation (transduction mécano-chimique).

5 caractéristiques essentielles :

• Bicouche lipidique.

• Présence de glycoprotéines insérées.

• Asymétrie dans la composition des deux feuillets.

• Hétérogénéité selon le type cellulaire et les domaines (apical vs basal).

• Relation avec le système endomembranaire (SEM) par endo/exocytose.

II. Composition

A. Les Lipides (environ 50% du poids sec)

Les lipides sont amphiphiles (tête hydrophile, queue hydrophobe). Ils s'organisent en bicouche lipidique en milieu aqueux.

2 grandes catégories :

• Phospholipides :

  • Phosphoglycérides (dérivés du glycérol)

  • Sphingomyéline (dérivée de la sphingosine, dans les neurones)

  • Dérivés de l'inositol (ex: GPI, associé à un sucre sur le feuillet extracellulaire)

  

• Cholestérol : Composant essentiel des radeaux lipidiques, il module la fluidité et la stabilité de la membrane. Plus il y en a, plus la membrane est rigide.

B. Les Protéines (environ 50% du poids sec)

Elles sont de 3 classes :

• Protéines Intégrales (ou insérées) :

  • Traversent ($<strong>Transmembranaires</strong><span data-latex=") ou sont partiellement insérées (" data-type="inline-math"></span><strong>En épingle à cheveux</strong>$ comme la cavéoline).

  • Nécessitent des détergents ou solvants pour être détachées.

  • Synthétisées dans le RE (Réticulum Endoplasmique) puis acheminées via le flux membranaire vectoriel permanent (FMVP).

• Protéines Ancrées : Fixées temporairement par un ou plusieurs acides gras (côté cytosolique, ex: protéines G) ou via un GPI (côté extracellulaire). Synthétisées dans le cytosol.

• Protéines Périphériques : Pas de contact direct avec la MP, se lient à une protéine intégrale.

  • Cytosoliques : jamais N-glycosylées, synthèse cytosolique.

  • Extracellulaires : peuvent être N-glycosylées.

Le domaine TransMembranaiRe (TMR) est souvent une hélice (20 AA hydrophobes).

C. Les Sucres (moins de 5-10% du poids sec)

Jamais libres, toujours liés à des protéines (glycoprotéines) ou des lipides (glycolipides). Situés uniquement sur le versant extracellulaire (glycocalyx), participant à l'asymétrie de la MP.

Rôles des sucres :

• Confèrent des charges électriques (ex: acide sialique, gangliosides).

• Constituent des sites de reconnaissance (antigènes des groupes sanguins, molécules d'adhérence comme intégrines, cadhérines).

• Sont abondants dans les protéoglycanes (partie protéique + sucrée) de la MEC.

III. Architecture Fonctionnelle de la MP

A. Les Lipides en Bicouche et les Protéines

La MP est décrite comme une "mosaïque fluide" (Singer et Nicolson, 1972) : fluide (mouvement des lipides et protéines) et mosaïque (éléments hétérogènes).

B. La Membrane Plasmique est Asymétrique

L'asymétrie est fondamentale pour sa fonction :

• Composition lipidique différente des deux hémicouches.

• Sucres uniquement sur le versant extracellulaire.

• Ponts disulfures (PDS) uniquement sur le versant extracellulaire (milieu oxydant).

• Hétérogénéité des protéines périphériques cytosoliques (ex: clathrine) et des domaines lipidiques (ex: radeaux lipidiques riches en cholestérol et protéines spécifiques).

Les glycosylations des protéines :

• N-glycosylation (chaîne latérale de l'asparagine) : dans le RE.

• C-glycosylation (chaîne latérale du tryptophane) : dans le RE.

• O-glycosylation (chaîne latérale de la sérine ou thréonine) : dans le Golgi et le cytosol.

C. Les Mouvements des Constituants à l'Échelle Moléculaire

La MP est une structure mobile essentielle pour ses fonctions.

1. Mouvement des Lipides

• Diffusion latérale.

• Flip-flop : Passage d'un feuillet à l'autre (nécessite des protéines et de l'énergie).

• Rotation sur elle-même.

La fluidité membranaire dépend de :

• La température.

• La concentration en cholestérol.

• La nature des phospholipides (acides gras saturés/insaturés).

2. Mouvement des Protéines

• Diffusion latérale et rotation.

• Pas de flip-flop. Mise en évidence par des études sur les lymphocytes ("capping").

D. Modifications de la Composition Chimique de la MP par Clivage Enzymatique ou Disparition

La MP peut être modifiée par :

• Clivage par les protéases (extracellulaires : ADAM, MMP ; cytosoliques ; intramembranaires) : modifie la composition et peut générer des signaux.

• Clivage par phospholipases : génère des seconds messagers (ex: IP3, DAG).

• Détachement de protéines de la face cytosolique (ex: protéines G).

E. Régions de la MP qui Augmentent la Surface d'Échange avec le Milieu Extracellulaire

• Microvillosités (cytosquelette d'actine) et stéréocils (oreille interne) : augmentent la surface d'absorption ou de détection.

• Cils (microtubules) : mobiles ou immobiles.

• Replis du pôle basal (glomérule rénal) : pour filtration et réabsorption.

La MP joue 4 rôles majeurs :

• Motilité cellulaire.

• Communication intercellulaire.

• Adhérence (avec CAM, SAM).

• Transports (sans ou avec mouvement de la MP).

IV. Adhérences Intercellulaires ou entre Cellule et MEC

A. Généralités

Les molécules d'adhérence sont des glycoprotéines de la MP :

• CAM (Cell Adhesion Molecule) : adhérence intercellulaire.

• SAM (Substrate Adhesion Molecule) : adhérence à la MEC ou lame basale.

4 principales superfamilles :

• Immunoglobulines (Ig) : Ca2+ indépendantes.

• Cadhérines : Ca2+ dépendantes.

• Sélectines : Ca2+ dépendantes.

• Intégrines : signal d'activation, Ca2+ dépendantes.

La transduction mécano-chimique (modification du cytosquelette, du métabolisme) est déclenchée par l'activation des molécules d'adhérence.

B. CAM de la Superfamille des Ig

Ex: NCAM (Neural Cell Adhesion Molecule). Possèdent des domaines Ig stabilisés par des ponts disulfures. Interactions indirectes (avec intégrines via Ca2+) ou directes (Ig-Ig). Impliquées dans le SNC, certains cancers (petites cellules du poumon), et comme récepteurs viraux (CD4 pour VIH).

C. Les CAM de la Superfamille des Cadhérines

Importantes dans les cellules épithéliales (ex: E-cadhérine). Adhérence Ca2+ dépendante. Leur diminution favorise la dissémination tumorale (métastases). Interagissent avec d'autres cadhérines ou SAM, et avec le cytosquelette via des plaques denses.

D. Les Sélectines : 3ème Famille de CAM

Exprimées dans les leucocytes, plaquettes, cellules endothéliales. Adhérence Ca2+ dépendante. Insertion dans la MP par exocytose en réponse à des signaux. Essentielles dans l'inflammation, le cancer et comme récepteurs viraux (H. pylori).

E. Les Intégrines : Rôle de CAM et SAM

Fonctionnent comme SAM (adhérence à MEC/lame basale, ex: fibronectine) et CAM (adhérence à Ig). Dépendent du Ca2+. Présentes dans de nombreux types cellulaires. Impliquées dans maladies congénitales, cancer, et comme récepteurs viraux. Composées de deux chaînes ( et ).

F. Les Jonctions Intercellulaires

Domaines spécialisés de la membrane pour l'adhérence. 4 caractéristiques :

• Présentes dans toutes les cellules.

• Présence de CAM (long ou court domaine extracellulaire).

• Interaction entre MP et cytosquelette (actine ou FI).

• Importance pour la transduction mécano-chimique.

2 critères de classement :

1. Morphologie : Bande complète (Zonula), Tâche (Macula), Bande incomplète (Fascia).

2. Largeur de l'espace intercellulaire : Étroit (jonctions serrées, communicantes) ou Large (jonctions intermédiaires, desmosomes, hémidesmosomes).

1. La Jonction Serrée - Tight Junction (Zonula Occludens)

Bande continue, espace étroit. Contient des CAM à 4 TMR (claudines, occludines) et des protéines cytosoliques (ZO1, protéines G). Délimite les radeaux lipidiques et le pôle apical du basolatéral. Fonction d'étanchéité relative (contrôlée par claudines) et de barrière pour le transport paracellulaire.

2. Jonction Communicante - Gap Junction (Macula)

Forme arrondie (Macula), espace étroit. Contient des CAM à 4 TMR formant des connexons (6 connexines). Dépend du calcium. Permet le transport de petites molécules/ions et la communication intercellulaire (couplage métabolique).

3. Jonction Intermédiaire - Zonula Adherens (Jonction Adhérente)

Située sous les jonctions serrées, espace large. Contient des CAM à long domaine extracellulaire (Ig, cadhérines) et une "plaque" cytosolique avec des microfilaments d'actine. Rôle dans la morphogenèse embryonnaire.

4. Desmosome - Macula Adherens

Forme arrondie, espace large. Contient des CAM à long domaine extracellulaire (Ig, cadhérines) et une "plaque" cytosolique avec des filaments intermédiaires (cytokératine, vimentine, desmine). Agit comme un rivet, renforçant la cohésion cellulaire et la forme des cellules.

5. Les Hémidesmosomes (au contact de la lame basale)

Forme arrondie, face basale. Molécules d'adhérence principales : intégrines. Assurent l'adhérence des cellules épithéliales à la lame basale. Leur élimination ou défaut entraîne une perte d'architecture cellulaire.

Un "complexe de jonction" est l'association de jonction serrée, intermédiaire et parfois desmosome.

V. Transport sans Mouvement de la MP

Classé selon la consommation d'énergie et la présence de perméase. 3 types de transport :

• Passif sans perméase : Diffusion simple selon le gradient de concentration (O2, CO2).

  

• Passif avec perméases : Canaux (ioniques potentiel/ligand-dépendants), transporteurs (glucose, AA), aquaporines.

  

• Actif avec perméase : Nécessite énergie (hydrolyse ATP). Pompes ( ATPase), antiports, symports.

  

VI. Transport avec Mouvement de MP

Implique des mouvements de la MP, l'implication du SEM et de l'énergie. Transport de macromolécules ou d'organismes entiers.

• Endocytose : Entrée de matériaux.

• Exocytose : Sortie de matériaux (renouvellement de la MP). Il existe un équilibre entre ces deux phénomènes.

A. Les 5 Types d'Endocytose

Les vésicules peuvent être recouvertes (clathrine, cavéoline) ou non. La dynamine (protéine G monomérique) est cruciale pour le détachement des vésicules.

• Clathrine : Recouvre les vésicules endocytiques (ex: récepteurs LDL). Retirée par HSP70.

  

  Le cholestérol est transporté par les LDL, qui sont capturées par leurs récepteurs et internalisées dans des vésicules endocytiques.

  

  Les endosomes acides dissocient les LDL de leurs récepteurs.

  

  L'inhibition de la dynamine bloque l'endocytose des LDL. La cavéoline en revanche ne peut être retirée sans détruire la vésicule.
  

  

  Les 5 destinations du matériel endocyté : cytosol, lysosomes, Golgi, RE, MP.

  

B. Exocytose

Expulsion de matériel vers l'extérieur. 2 grands types :

• Constitutive : Renouvellement permanent des composants membranaires et matriciels.

  

• Provoquée : Déclenchée par un signal (ex: augmentation du Ca2+ intracellulaire, ex: sécrétion d'insuline par le pancréas, histamine par les mastocytes).

VII. Biosynthèse et Renouvellement de la MP

Renouvellement continu de la MP via un flux membranaire vectoriel et permanent. Les constituants proviennent du RE et sont acheminés via le Golgi et des vésicules d'exocytose. La dysferline et la dystrophine sont des protéines réparatrices de la MP.

Compartiment Cytosolique

I. Généralités

A. Les Deux Compartiments dans le Cytoplasme (Cellule Eucaryote)

Le cytoplasme est composé de :

• Organites délimités par une membrane (système endomembranaire, mitochondries, peroxysomes).

• Le cytosol : 50% du volume cellulaire. Ces deux compartiments se mélangent durant la mitose.

B. Le Cytosol : Composition

Le cytosol est ce qui reste après l'élimination des composants membranaires. Il inclut le nucléoplasme (région du cytosol dans le noyau). C'est un carrefour métabolique (85% d'eau), riche en enzymes (anabolisme/catabolisme) et lieu de passage de molécules. Il contient des ribosomes libres, le cytosquelette, inclusions lipidiques, ribonucléoprotéines, protéasomes, glycogène, ions, métabolites.

II. Cytosol : Siège du Métabolisme du Glucose

Siège de la glycolyse anaérobie.

III. Cytosol et Métabolisme Lipidique

Le cytosol est le lieu de stockage des lipides dans les **inclusions lipidiques**. Ces inclusions (monocouche de lipides, protéines comme la cavéoline) contribuent à l'homéostasie des lipides. * Tissu adipeux blanc : une grande gouttelette lipidique (majoritaire chez l'homme). * Tissu adipeux brun : plusieurs petites gouttelettes (chez les mammifères hibernants). Pathologie : **stéatose hépatique non alcoolique** ("foie gras").

IV. Cytosol : Site de Synthèse et de Modification des Protéines

A. La Synthèse de Toutes les Protéines Codées par le Génome Nucléaire Débute dans le Cytosol

• Environ la moitié des protéines (dites "cytosoliques") sont synthétisées par des ribosomes cytosoliques libres et restent dans le cytosol ou sont adressées vers la MP, organites, ou noyau.

• L'autre moitié débute dans le cytosol, puis se poursuit sur des ribosomes fixés au RE, pour être adressées au SEM, MP ou sécrétées (signal d'adressage au RE).

B. L'Adressage des Protéines Dépend d'un Signal Défini dans leur Séquence Peptidique

• Peptide signal : Adressage au RE.

• NLS (Nuclear Localization Signal) : Adressage au noyau.

• PTS1 : Adressage au peroxysome. Il existe aussi des signaux de rétention (ex: KDEL pour le RE). Des facteurs cytosoliques (SRP, importine) reconnaissent ces signaux.

C. Les Protéines Subissent des Modifications "Post-Traductionnelles"

Ces modifications (souvent réversibles) ont lieu pendant et après la traduction, et sont indispensables aux fonctions biologiques, augmentant la diversité des protéines :

• Phosphorylation/Déphosphorylation (par kinases et phosphatases) : sur Sérine, Thréonine, Tyrosine. Souvent réversible.

• Méthylation, Carboxylation, Acétylation, Sulfatation, modification de l'extrémité N-terminale.

• O-glycosylation : ajout d'un sucre sur Sérine/Thréonine (réversible).

• Fixation d'une chaîne carbonée d'acides gras (acylation) : ancrage réversible ou non de la protéine à la face cytosolique de membranes.

• Fixation covalente de protéines spécialisées à d'autres protéines.

V. Cytosol : Site de Dégradation des Protéines

A. La Protéolyse : Fonction Essentielle de la Vie Cellulaire

Renouvellement permanent des protéines (turnover) assuré par des protéases :

• pH acide (lysosomes, vacuoles autophagiques).

• pH neutre (cytosol, nucléoplasme : protéases AAA, calpaïnes, caspases).

• Protéases mitochondriales, signal peptidases.

B. Protéasome : Biosynthèse et Renouvellement des Protéines Cytosoliques Normales

Le protéasome (cytosol, nucléoplasme) dégrade les protéines poly-ubiquitinylées via un processus ATP-dépendant et génère des peptides qui seront adressés aux lysosomes, au cytosol (dégradés en AA), ou au REG (présentés par le CMH). Le protéasome dégrade également les protéines cytosoliques anormales ou celles adressées au REG et qui ne passent pas le "contrôle qualité du RE" (ex: protéine CFTR mutée dans la mucoviscidose).

VI. Cytosol et Défense Immunitaire

A. Protéasome et Réponse Immunitaire

• Première ligne de défense de l'immunité innée : activation de l'inflammasome (complexe protéique cytosolique) pour produire des cytokines pro-inflammatoires.

  

• Coopération cytosol/organites : détection de génomes microbiens (ARN viral) via RIG-1 (cytosolique), MAVS (mitochondrial), STING (RE) et TLR (endosomes, MP), activant la transcription des gènes anti-microbiens (interférons) et pro-inflammatoires (ex: NFB).

B. Protéasome et Facteur de Régulation de la Transcription NF-B

Le protéasome intervient dans la synthèse et l'activation de **NF-B** (dimère p50+p65) en dégradant son inhibiteur (IB) après phosphorylation. NF-B activé régule la transcription de gènes impliqués dans l'immunité et l'inflammation.

C. Le Protéasome Intervient dans les 1ères Étapes de l'Immunité Adaptative

Le protéasome hydrolyse les protéines (codées par le génome cellulaire ou étranger) en peptides antigéniques. Ces peptides sont présentés par le CMH-I (Complexe Majeur d'Histocompatibilité I) à la surface cellulaire, pour activer les lymphocytes T CD8.

VII. Les Quatre Acteurs Principaux du Cytosol

L'ubiquitine, les protéines G, le calcium, et les protéines chaperons.

A. Chaperons Moléculaires

Protéines omniprésentes (cytosol, nucléoplasme, organites), essentielles pour l'acquisition et le maintien de la structure 3D des protéines. Fixent l'ATP/ADP, ont une activité ATPasique, et fonctionnent avec des co-chaperons.

• Réponses au choc thermique : prise en charge de protéines dénaturées, augmentation de l'expression de chaperons.

• Participent à l'acquisition de la conformation des protéines néo-synthétisées.

• Interviennent dans l'importation des protéines dans les mitochondries (Hsp cytosoliques et matricielles) et le RE (BIP).

• Essentielles pour le désassemblage de la clathrine (Hsp70).

• Protègent les récepteurs nucléaires aux hormones stéroïdes (Hsp90, Hsp70).

B. Ubiquitine

Petite molécule qui s'attache de manière covalente à des protéines. La **poly-ubiquitinylation** des protéines les oriente vers la protéolyse par le protéasome. La **mono-ubiquitinylation** des protéines membranaires peut signaler l'endocytose. Le phénomène est réversible.

C. Protéines G

Interagissent avec les nucléotides guanine (GTP/GDP), possèdent une activité GTPasique. 2 grandes familles :

• Protéines G hétérotrimériques ($3<span data-latex=" sous-unités " data-type="inline-math"></span>\alpha, \beta, \gamma<span data-latex=") : Rôle dans la transduction des signaux chimiques hydrosolubles via les RCPG (Récepteurs Couplés aux Protéines G). L'activation du RCPG et l'échange GDP/GTP provoquent la dissociation des sous-unités ( " data-type="inline-math"></span>\alpha<span data-latex="-GTP et " data-type="inline-math"></span>\beta\gamma$ ), qui activent d'autres protéines. Les toxines du choléra et de la coqueluche bloquent l'activité GTPasique, entraînant une augmentation de l'AMPc.

• Protéines G monomériques ($1$ sous-unité) : Ex: familles RAS et dynamine. Contrôlent le cytosquelette, le flux membranaire, la prolifération cellulaire, et les échanges nucléo-cytoplasmiques.

  

D. Calcium et Protéines Associées

Le calcium est un signal cytosolique crucial.

• Entrée : canaux calciques (potentiel/ligand-dépendants, TRP), récepteurs IP3.

• Sortie : échangeurs , pompes calcium ATPase.

• Stockage : mitochondries, RE, Golgi, enveloppe nucléaire.

Rôle du calcium :

• Direct : systèmes contractiles, déplacement cellulaire, flux membranaires, exocytose.

• Indirect : par l'intermédiaire de la calmoduline (fixe 4 ions calcium) qui active de nombreuses protéines.

Les immunophilines (cyclophilines, FKBP) fixent les médicaments immunosuppresseurs (bloquent la calcineurine, empêchant l'activation de NF-AT et la transcription des gènes de réponse immunitaire).

Matrice Extracellulaire

I. Introduction

La matrice extracellulaire (MEC) est un réseau complexe qui entoure et supporte les cellules dans les organismes pluricellulaires. Elle est synthétisée par des cellules spécialisées (fibroblastes, ostéocytes, chondrocytes) et remodelée en permanence par des protéases (MMP, ADAM). Elle est composée d'eau et de sels minéraux (60-65%), et de macromolécules :

• Protéines/glycoprotéines fibreuses (collagène, fibres élastiques).

• Glycoprotéines d'adhérence (fibronectine, laminine).

• Polysaccharides (GAG, protéoglycanes) formant un gel hydraté.

La lame basale est une zone différenciée de la MEC à l'interface avec certains types de cellules (épithéliales, endothéliales) qui participent à sa synthèse. Les cellules en contact avec la lame basale possèdent des SAM (Substrate Adhesion Molecule).

II. Les Trois Composants de la MEC

A. Les Fibres

1. Collagène de type I

La protéine la plus abondante du corps (25% des protéines totales). 28 types différents. C'est une fibre inextensible conférant une résistance mécanique à l'étirement. Organisé en faisceaux avec une striation périodique visible au ME.

Synthèse par les fibroblastes dans le REG (chaînes alpha), modifications post-traductionnelles (hydroxylation, glycosylation), association en superhélices, puis exocytose et maturation dans la MEC. L'assemblage est enzymatique et régulé par des polysaccharides. Dégradé par les collagénases. La vitamine C est essentielle pour l'hydroxylation (carence scorbut).

2. Fibres Élastiques

Elles confèrent une grande élasticité aux organes (peau, poumons, artères) et sont organisées en réseau. Composées d'élastine non glycosylée (riche en proline et glycine) entourée de microfibrilles de fibrilline. Synthétisées par les fibroblastes. Leur élasticité est limitée par l'association avec le collagène. Dégradées par l'élastase.

B. Les Glycoprotéines

Fibronectine

Dimère en forme de V (2 bras, 2 ponts disulfures). Possède des sites de liaison pour les intégrines (séquence RGD(S)), le collagène et l'héparan-sulfate protéoglycane. Double origine : synthèse locale par fibroblastes et cellules de la LB, et circulating (hépatocytes). Dégradée par MMP.

• Rôle : migration cellulaire embryonnaire, organisation de la matrice (adhérence cellule-matrice, interactions entre constituants), transduction mécano-chimique (via intégrines).

C. Les Polysaccharides

1. Glycosaminoglycanes (GAG)

Polymères de disaccharides, non ramifiés, capables d'absorber beaucoup d'eau. Ex: héparine, acide hyaluronique, acide chondroïtine sulfurique.

2. Protéoglycanes

Association de GAG à un axe protéique. Forment des agrégats volumineux avec une grande capacité de rétention d'eau (ex: acide hyaluronique). Synthétisés par le SE. Dégradés par MMP et ADAM.

• Rôles : remplissage de la MEC, adhérence cellulaire, résistance aux forces de compression, contrôle de la perméabilité, migration cellulaire, SAM si insérés dans la MP.

III. Lame Basale

A. Distribution et Morphologie

Zone différenciée de la MEC au contact des cellules épithéliales, endothéliales, adipeuses, musculaires et nerveuses. Elle peut servir de support (épithéliums) ou envelopper les cellules (muscles, nerfs). Son épaisseur varie. Révélée par colorations spécifiques (PAS, Trichrome de Masson) ou immunohistochimie.

B. Composition

Constituants similaires à la MEC, mais avec deux spécifiques :

1. Collagène de type IV : Forme un réseau plan 3D (pas de fibres/faisceaux). Spécifique de la lame basale.

2. Laminine : Grande glycoprotéine en forme de croix (3 chaînes ). Sites de liaison aux protéoglycanes, collagène IV et récepteurs membranaires (intégrines).

C. Récepteurs pour la Matrice : SAM

Les cellules en contact avec la LB possèdent des SAM spécifiques pour ses constituants. Les intégrines reconnaissent la séquence RGD(S) de la fibronectine et le site d'interaction de la laminine.

D. Fonctions de la Lame Basale

• Développement embryonnaire (migration neuronale).

• Interface entre tissus (non vascularisé/vascularisé).

• Filtre mécanique (glomérule rénal).

• Migration cellulaire (renouvellement épithélium intestinal).

• Support des cellules souches (épiderme).

• Culture in vitro (matrigel).

• Organisation des cellules épithéliales (polarité).

IV. Polarité Cellulaire

Propriété des cellules de présenter une orientation et une organisation préférentielle (structure asymétrique, fonctionnement orienté des organites, organisation moléculaire de la MP, réactions avec cellules voisines/MEC). Toutes les cellules sont polarisées à des degrés divers (++ pour épithéliales, nerveuses).

A. Polarité des Fibroblastes

L'orientation du cytosquelette et de la matrice est contrôlée par les SAM (intégrines) qui transmettent au fibroblaste l'orientation des macromolécules de la matrice.

B. Les Cellules des Épithéliums Stratifiés : Modèles de Polarité

• MP divisée en domaine apical et baso-latéral.

• Distribution asymétrique des macromolécules membranaires (récepteurs, enzymes, transporteurs).

• Jonctions intercellulaires spécifiques (serrées, intermédiaires, desmosomes, hémidesmosomes).

• Orientation verticale des échanges cellulaires.

La MEC contrôle le rétablissement de la polarité (ex: cellules thyroïdiennes).

C. Conséquences Fonctionnelles de la Polarité

Sécrétion :

• Exocrine (milieu extérieur, pôle apical).

• Endocrine (sang, pôle basal).

• Paracrine (cellules adjacentes).

• Autocrine (cellule elle-même).

Mécanismes : exocytose, apocrinie (bourgeonnement de la MP), traversée par perméases (ABC), diffusion (gaz, ex: NO). Transcytose : Passage de substances à travers la cellule (ex: immunoglobulines vers le lait maternel).

D. Mécanismes de Mise en Place de la Polarité et Signaux d'Adressage

• Signaux d'adressage directs (glycolipides des radeaux lipidiques au pôle apical).

• Signaux d'adressage indirects (glycoprotéines ancrées par GPI, transitent par transcytose). Ex: Glycoprotéines des virus (grippe, stomatite) s'adressent spécifiquement aux pôles apicaux ou basolatéraux des cellules hôtes.

V. Remodelage de la MEC et Cancer

Le remodelage de la MEC (par MMP, ADAM) est essentiel mais peut être pathologique.

• Rôle : mobilité cellulaire, libération de signaux de communication.

• Cancer : la perte de polarité (dysplasie) et le franchissement de la lame basale par les cellules tumorales (carcinome invasif) sont facilités par l'hyperactivité des MMP/ADAM, entraînant métastases et angiogenèse.

Mitochondries

I. Généralités

Les mitochondries sont des organites propres aux eucaryotes, possédant une double membrane et leur propre génome (ADNmt). Elles sont essentielles pour la production d'ATP et de nombreuses autres fonctions. Elles forment un réseau dynamique qui interagit avec le cytosquelette.

II. Morphologie et Composition Chimique

Possèdent deux membranes d'enveloppe : une externe et une interne, délimitant l'espace intermembranaire et la matrice mitochondriale.

A. La Membrane Mitochondriale Externe

En interaction avec le cytosol, perméable grâce à des porines (perméases) pour le transport passif de métabolites (ADP, ATP, pyruvate, acides gras, phosphate). Imperméable aux ions H et au NADH cytosolique. Contient des protéines impliquées dans les zones d'accolement, la signalisation (MAVS) et la dynamique mitochondriale.

B. Espace Intermembranaire

Lieu de transit et d'accumulation de protons H. Contient aussi des molécules comme le cytochrome C et les procaspases (impliqués dans l'apoptose).

C. Membrane Interne

Riche en crêtes (invaginations augmentant la surface). Le nombre et la surface des crêtes sont corrélés à la demande en ATP. Impermeable aux petits ions et molécules polaires ; contient de nombreuses protéines insérées :

• Perméases : cotransport actif de métabolites (ADP, pyruvate, acides gras, phosphate) ; symports/antiports couplés au gradient de protons H.

• ATP synthase : utilise le gradient de protons pour produire de l'ATP.

• Canaux ioniques (Na, K, Ca).

• Protéases, Ubiquinone, Cytochrome C.

• Cytochromes P450 (cellules spécialisées) : synthèse d'hormones stéroïdes.

• Protéines G : fusion/fragmentation.

Les transports ioniques maintiennent une différence de potentiel transmembranaire.

D. Les Zones d'Accolement Transitoire entre les 2 Membranes d'Enveloppe

Sites d'importation/exportation entre cytosol et mitochondrie. Elles contiennent les complexes **TIM** (Membrane Interne) et **TOM** (Membrane Externe) pour l'importation de protéines. Un "mégacanal" fermé en conditions physiologiques peut s'ouvrir lors de l'apoptose.

E. La Matrice Mitochondriale

Contient des granules denses (Ca, Mg), des ribosomes mitochondriaux (synthèse des protéines codées par ADNmt), et l'ADN mitochondrial (circulaire). C'est le lieu de la -oxydation des acides gras, du cycle de l'acide citrique et de la synthèse de l'hème.

III. L'ADN Mitochondrial

L'ADNmt est un chromosome circulaire sans intron, présent en plusieurs copies par mitochondrie. Code pour 13 protéines mitochondriales. Le code génétique est spécifique. Transmission maternelle chez l'homme par l'élimination des mitochondries du spermatozoïde après fécondation (autophagie).

IV. Formation du Réseau Mitochondrial

Processus dynamique de fusion et fragmentation (fission) sous le contrôle de protéines G monomériques (mitofusines, OPA1, DRP1). Les mitofusines fusionnent les membranes externes, OPA1 les membranes internes. DRP1 fragmente le réseau.

• Mutation OPA1 atrophie optique de type 1.

La cellule hôte contrôle ses mitochondries (nombre, volume) en fonction des besoins énergétiques. Les mitochondries interagissent avec le cytosquelette pour le transport.

B. Synthèse des Phospholipides Membranaires de la Mitochondrie

À partir du feuillet cytosolique du RE.

C. Renouvellement et Mort des Mitochondries

Turnover important (10-15% des protéines/jour). Destruction des protéines par ubiquitinylation et protéasome. Les mitochondries altérées sont détruites par autophagie (après fragmentation, ubiquitinylation et séquestration).

V. Importation des Protéines

A. Importation dans la Mitochondrie des Protéines Synthétisées dans le Cytosol sous le Contrôle du Génome Nucléaire

Le génome nucléaire code pour la majorité des protéines mitochondriales. Ces protéines sont synthétisées dans le cytosol, prises en charge par les Hsp (chaperons) et possèdent un signal d'adressage (N-terminal ou C-terminal).

Elles traversent les complexes d'importation TOM et TIM au niveau des zones d'accolement. L'énergie nécessaire est fournie par la différence de potentiel transmembranaire et l'ATP (Hsp70 matricielle). Une fois dans la matrice, le signal N-terminal peut être clivé.

B. Les Protéines Synthétisées sous le Contrôle du Génome Mitochondrial sont Insérées dans la Membrane Interne au Cours de leur Biosynthèse

L'ADNmt est transcrit, puis traduit par les ribosomes mitochondriaux situés dans la matrice. Ceux-ci s'associent à la membrane interne pour insérer les 13 protéines mitochondriales via une translocase.

VI. Principales Fonctions

• Production d'ATP / phosphorylation oxydative.

• Respiration cellulaire ( consommation, production).

• Métabolisme des lipides, synthèse de l'hème.

• Synthèse des hormones stéroïdes (cellules endocrines) : coopération REL/mitochondrie via cytochromes P450, hydroxylation du cholestérol.

  

• Contrôle du cytosolique (sites de stockage).

• Production de ROS (espèces réactives de l'oxygène) : source et cible.

• Défense antivirale/antibactérienne : coopération avec le RE dans les MAM (Mitochondria-Associated endoplasmic reticulum Membrane).

  

• Rôle majeur dans le déclenchement et la régulation de la mort cellulaire (apoptose) : ouverture des mégacanaux, libération de cytochrome C et procaspases.

Les **pathologies mitochondriales** (anomalies ADNmt ou nucléaire) ciblent les cellules très consommatrices d'énergie (neurones, muscles).

E. Points Clefs

• 2 membranes d'enveloppe distinctes (externe : transports passifs ; interne : transports actifs ioniques).

• Propre génome (13 prot.), autres importées.

• Réseau dynamique (fragmentation/fusion).

• Production ATP, phosphorylation oxydative, stockage Ca++, apoptose, etc.

Cytosquelette

I. Généralités

Le cytosquelette est un réseau de polymères fibreux et de protéines associées, offrant structure et dynamique à la cellule. Il se compose de trois types de filaments :

1. Microfilaments (MF) : Actine, protéines globulaires.

2. Microtubules (MT) : Tubuline, protéines globulaires.

3. Filaments intermédiaires (FI) : Protéines fibreuses.

A. Synthèse et Localisation

1. Synthèse et Dégradation dans le Cytosol

Site exclusif de biosynthèse des monomères. Dégradation via le protéasome.

2. Localisation

• Cytosol (dont cortex cellulaire).

• Nucléoplasme (lamines, actine, tubuline monomérique).

3. Cellule Épithéliale Polarisée

MF au cortex cellulaire et dans les microvillosités ; MT rayonnent du centre ; FI partent des jonctions et dans le nucléoplasme.

4. Les 3 États Possibles

• Monomères libres : synthétisés ou issus de dépolymérisation.

• Polymères "instables" : fréquents polymérisation/dépolymérisation (MF, MT), mouvements cellulaires et intracellulaires.

• Polymères "stables" : structures durables (MF, MT, FI) pour la forme cellulaire, expansions membranaires (cils, microvillosités), forme des organites, contraction musculaire.

5. Les Fonctions du Cytosquelette

Rôle essentiel dans la forme, la motilité, le transport intracellulaire et la division cellulaire. Les monomères subissent des modifications post-traductionnelles (farnésylation, phosphorylation, glycosylation). L'actine se lie à l'ATP/ADP, la tubuline au GTP/GDP.

6. Les Protéines Associées

Interagissent avec monomères et polymères pour la polymérisation, dépolymérisation, stabilisation, organisation (faisceaux, réseau), clivage, motricité (myosines, kinésines, dynéines) et interaction avec membranes.

II. Microfilaments d'Actine (5-8 nm)

A. Caractéristiques

1. Actine : Protéine Globulaire

L'une des protéines les plus abondantes. Constitue les MF, les plus fins et moins résistants. Les polymères sont polarisés (+ : rapide, - : lent).

2. Polymérisation

ATP/ADP dépendant. Le monomère d'actine lié à l'ATP se polymérise. L'hydrolyse de l'ATP en ADP favorise la dépolymérisation.

• Drogues : cytochalasines, latrunculines (bloquent polymérisation) ; phalloïdines (bloquent dépolymérisation).

3. Les Protéines Associées à l'Actine

Régulent la nucléation, l'élongation, la coiffe des extrémités, l'organisation en réseau (filamine, ARP2/3) ou en faisceaux (fimbrine), le clivage (gelsoline) et la fixation aux membranes.

4. Localisations

• Polymères instables (mouvements cellulaires) : cortex cellulaire, filopodes, lamellipodes, contacts focaux.

• Polymères stabilisés (squelette cellulaire) : microvillosités, interaction avec protéines membranaires.

Le **cortex cellulaire** supporte la MP, permet la forme, la force et le déplacement. L'organisation des MF varie selon la fonction (filopodes: faisceaux étroits pour pousser ; lamellipodes: réseau lâche pour l'avancée).

Le filopode avance par polymérisation continue des MF.

Le lamellipode est une extension large et aplatie, les MF d'actine en réseau permettent de pousser la MP.

Les microvillosités sont des replis de la MP avec une armature de MF stabilisés (faisceaux étroits de villine). La spectrine maintient la forme biconcave des globules rouges (mutation elliptocytose). La dystrophine relie les MF du cortex cellulaire à la MP dans les cellules musculaires.

B. Fonctions

1. Endocytose, Exocytose et Déplacement Cellulaire

• Endocytose/phagocytose : Déformation de la MP et remaniement du cortex d'actine. Polymérisation des MF d'actine autour de la vésicule (ex: queue d'actine propulsant la vésicule).

La phagocytose implique l'émission de **voiles hyaloplasmiques** par polymérisation d'actine et myosine de type I. * Exocytose : Désagrégation locale du cortex d'actine (par gelsoline en présence de ) et mouvement de la vésicule par myosine de type I.

Détournement par des bactéries (Listeria) : polymérisation de l'actine de la cellule hôte pour créer une "queue de comète" et se déplacer.

Déplacement cellulaire : flux de monomères d'actine de l'arrière vers l'avant pour pousser la MP, combiné à l'endocytose arrière et exocytose avant.

2. Interaction des MF avec CAM, SAM et la MEC ou Lame Basale

Les MF s'organisent en faisceaux aux contacts focaux grâce à l'-actinine. Les intégrines, fixées à la MEC, agrègent les MF via des protéines d'association et des protéines G monomériques Rho. Les MF sont présents aux jonctions serrées et intermédiaires des cellules épithéliales.

3. MF dans les Cellules Musculaires Squelettiques ou Cardiaques

La cellule musculaire est multinucléée, avec un sarcolemme (MP) et une lame basale. Les myofibrilles contiennent des sarcomères, unités contractiles.

• Disques sombres : myosines II (filaments épais).

• Demi-disques clairs : MF d'actine (filaments fins).

• Disques Z : -actinine (extrémités + des MF).

La phosphorylation de la myosine II permet la constitution du filament bipolaire de myosine. Le mouvement de balancier des têtes de myosine (ATP dépendant) permet le glissement des MF d'actine. La **tropomyosine** bloque la fixation de la myosine sur l'actine, régulé par le (libéré par le réticulum sarcoplasmique, via tubules T). La contraction est un raccourcissement du sarcomère.

4. MF dans les Cellules Musculaires Lisses

Absence de striation périodique. Présents dans le tube digestif, utérus, vaisseaux sanguins. Myosine et MF d'actine interagissent avec des filaments intermédiaires pour la contraction, régulée par le .

III. Les Microtubules et leurs Protéines Associées

A. Caractéristiques

1. Formation des Microtubules

Structures creuses, composées de tubuline ( et ). La tubuline β se lie au GDP qui s'échange avec le GTP. Les dimères -tubuline-GTP forment des protofilaments (13 par MT), qui s'assemblent en MT (diamètre 25 nm). Les MT sont polarisés (+ vers MP, - vers centrosome).

La polymérisation/dépolymérisation est constante. L'hydrolyse du GTP par tubuline β facilite la dépolymérisation.

• Drogues : colchicine, vinblastine (bloquent polymérisation) ; taxol (stabilise MT).

2. Localisation

• Polymères instables (mouvements intracellulaires) : cytosol (transport de vésicules), fuseau mitotique (demi-vie 10 min).

• Polymères stabilisés (squelette cellulaire) : centrosome, cils et flagelles.

B. Fonctions des MT

1. Transport Intracellulaire de Vésicules

Grâce aux protéines associées aux MT (MAP). Les plus importantes sont les dynéines et kinésines.

• Kinésine : transporte vers l'extrémité + (périphérie).

• Dynéine : transporte vers l'extrémité - (centre cellulaire). Elles se déplacent sur les MT en consommant de l'ATP.

2. Transport Intracellulaire d'Organites

Les MT servent de rails pour le déplacement d'organites (RE, mitochondries) et vésicules du Golgi vers la MP.

3. Les MT et leurs MAP dans les Neurones

Les MT sont fondamentaux dans les neurones. Associés à MAP2 (corps cellulaire, dendrites) et Tau (axones). Transport axonal : kinésine vers la périphérie, dynéine vers le corps cellulaire. La phosphorylation anormale de Tau est impliquée dans la maladie d'Alzheimer.

4. Le Centrosome : Centre Cellulaire

Le centrosome est un centre organisateur des MT, situé dans l'aire périnucléaire. Composer de 2 centrioles perpendiculaires (triplets de MT stables) et d'une matrice de MAP (tubuline ). C'est le site de nucléation des MT.

5. MT et MAP Motrices Participent aux Flux Membranaires

Coopération MF-MT. Les MF effectuent les transports courts près de la MP ; les MT (avec dynéine/kinésine) assurent les transports longue distance.

6. Les MT Sont Essentiels lors de la Mitose

Constituent le fuseau mitotique. S'attachent aux chromosomes pour séparer les chromatides sœurs par dépolymérisation. L'inhibition des MT bloque la mitose (ex: chimiothérapie avec vinblastine, taxol).

7. Cils et Flagelles : Formes Stabilisées de MT

Les MT sont stables dans les cils et flagelles (squelette/support).

• Cils 9+0 immobile (9 paires de MT périphériques, pas de dynéine).

• Cils 9+0 mobile (avec dynéine, ex: nœud de Hensen).

• Cils 9+2 mobile (9 paires + 2 MT centraux, avec dynéine, ex: cils bronchiques, flagelle du spermatozoïde).

Les **dyskinésies ciliaires primitives** (maladies génétiques) entraînent des anomalies de l'ultrastructure ciliaire et immobilité des cils (mucus stagne, situs inversus).

IV. Les Filaments Intermédiaires

A. Caractéristiques

1. Généralités

Monomères de protéines fibreuses. Confèrent rigidité mécanique (les plus rigides). Uniquement sous forme stabilisée. Retrouvés dans le noyau.

2. Polymérisation des FI

2 monomères en dimère 2 dimères en tétramère association de tétramères en protofilament 8 protofilaments en FI.

3. Localisation

4. Protéines Associées

Moins de protéines associées que MF/MT. Pas de liaison à des ribonucléotides. 4 familles.

B. Les 4 Familles de FI et Leurs Fonctions

1. Lamines : Nucléoplasme de toutes les cellules. Constituent la matrice nucléaire (interaction avec ADN, contrôle réplication). Phosphorylation des lamines fragmente l'enveloppe nucléaire en mitose. Les laminopathies (ex: progéria) sont des pathologies des lamines.

2. Famille de la vimentine :

   • Desmine : Caractéristique des cellules musculaires striées (relie sarcomère, sarcolemme et enveloppe nucléaire).

   • Vimentine : Cellules d'origine mésoblastique (fibroblastes, leucocytes). Rôle de soutien des organites, maintien de l'intégrité cellulaire.

3. Cytokératines : Caractéristiques des cellules épithéliales. Confèrent résistance mécanique et imperméabilité (via desmosomes dans l'épiderme). Mutation épidermolyse bulleuse.

4. Neurofilaments : Présents dans les neurones. Conditionnent le diamètre des axones, apportent résistance et stabilité.

5. Les Filaments Intermédiaires Sont Utilisés en Oncologie comme Outils Diagnostiques

Certains FI sont spécifiques de types cellulaires et permettent de typer les cancers (ex: cytokératine pour carcinome, desmine pour sarcome, GFAP pour glioblastome).

V. Interaction entre les 3 Types de Cytosquelette

A. Le Transport d'une Nucléocapside

Après entrée dans le cytosol (fusion MP ou endocytose), la nucléocapside virale est transportée : 1. Par les MF et protéines associées dans le cortex cellulaire (queue d'actine). 2. Prise en charge par les MT et dynéines vers le centre cellulaire (proximité centrosome). 3. Transport par les MF vers la région périnucléaire, interaction NLS et importation nucléaire.

B. La Cellule Musculaire

Interaction complexe entre MEC, lame basale, récepteurs membranaires, MP, cortex cellulaire, lamines (FI) via desmines. Les myopathies (ex: maladie de Duchenne, dystrophine) sont dues à des anomalies de ces protéines, perturbant le continuum MP-sarcomère et entraînant la dégénérescence musculaire.