Système endomembranaire et transports vésiculaires

Le Système Endomembranaire : Fiche de Cours n°6

I. Présentation Générale de la Cellule et du Système Endomembranaire

• Compartimentation Eucaryote : Contrairement aux bactéries, les cellules eucaryotes sont organisées en compartiments distincts, limités par des membranes.

• Rôle des Protéines : Elles catalysent les réactions et servent de marqueurs spécifiques pour chaque organite.

• Début de Synthèse Protéique : Toujours dans le cytosol, avant d'être adressées au compartiment adéquat.

• Constituants du SE :

  • Réticulum Endoplasmique Rugueux (REG)

  • Réticulum Endoplasmique Lisse (REL)

  • Appareil de Golgi (AG)

  • Lysosomes

  • Endosomes

  • Enveloppe nucléaire

• Communication : Ces constituants communiquent entre eux, avec la membrane plasmique et échangent des molécules avec le cytosol.

• Contenu des Compartiments : Composés d'une membrane d'enveloppe et d'une lumière contenant des solutés (ions, protéines, nucléotides).

• Vésicules : Servent de transporteurs entre organites et communiquent avec la membrane plasmique via endocytose ou exocytose.

• Origine des Solutés : Peuvent provenir du milieu extracellulaire (endocytose/phagocytose) ou y être déversés (exocytose).

II. Le Cytosol : Un Acteur Clé

• Description : Gel liquide où flottent les organites, représente ~50% du volume cellulaire.

• A ne pas confondre avec le cytoplasme : qui inclut le cytosol et les organites.

• Synthèse Protéique & Trafic : Bien que ne faisant pas partie du SE, le cytosol est le site initial de la synthèse protéique et du trafic intracellulaire.

• Composition : 85% d'eau, riche en sucres, acides aminés, acides gras. Les protéines (20% du poids) donnent sa consistance variable.

• Fonctions :

  • Stockage : Glycogène, inclusions lipidiques.

  • Lien avec le Cytosquelette : Donne la forme cellulaire et permet les mouvements. Le transport actif par protéines motrices est essentiel pour les grosses particules.

  • Activité Métabolique : Siège de la glycolyse, voie des pentoses, synthèse de glycogène, métabolisme lipidique. Production d'ATP (avec les mitochondries).

• Lieu de Tri des Protéines :

  • Toutes les protéines nucléaires commencent leur synthèse dans le cytosol sur des polysomes (plusieurs ribosomes sur un même ARNm).

  • Signaux de tri : Des facteurs cytosoliques reconnaissent les signaux pour orienter les protéines.

    • SRP (Signal Recognition Particle) : Pour 50% des protéines destinées au REG (RE). La synthèse se poursuit sur les ribosomes attachés au RE.

    • NLSBP (Nuclear Localization Signal Binding Protein) : Pour les protéines destinées au noyau, permettant la traversée des pores nucléaires.

    • D'autres vont vers les peroxysomes ou mitochondries.

    • Celles sans signal de tri restent dans le cytosol.

III. Le Réticulum Endoplasmique (RE)

1. Généralités sur le RE

• Structure : Espace labyrinthique (lumière du RE ou citerne du RE) délimité par une membrane, s'étendant dans tout le cytoplasme (50% de la surface membranaire totale).

• 2 Régions distinctes :

  • REG (Rugueux ou Granulaire) : Possède des ribosomes, en continuité avec l'enveloppe nucléaire externe. Synthèse de protéines membranaires, solubles d'organites et sécrétées.

  • REL (Lisse) : Dépourvu de ribosomes.

• Rôle Essentiel : Biosynthèse des protéines (via ribosomes attachés au REG) et des lipides.

• Réticulum Transitionnel : Partiellement rugueux-partiellement lisse, lieu de bourgeonnement des vésicules de transport vers l'AG.

• Fonctions Spécialisées du REL (quand abondant) :

  • Synthèse d'hormones stéroïdiennes (cholestérol) dans certaines cellules.

  • Réticulum Sarcoplasmique dans le muscle strié : stockage et libération de pour la contraction.

  • Hépatocytes : synthèse de lipoprotéines pour l'exportation ; métabolisme des médicaments (cytochrome P450) pour les rendre hydrosolubles.

• Rapport RER/REL : Varie selon le type cellulaire et les besoins (ex: cellules pancréatiques riches en RER, hépatocytes avec augmentation du REL après intoxication).

2. Le RE : Site de Synthèse

• Synthèse Protéique (REG) :

  • Importation sélective et co-traductionnelle de 2 types de protéines :

    • Transmembranaires : destinées aux membranes du RE, AG, lysosomes ou membrane plasmique.

    • Solubles : transloquées entièrement dans la lumière du RE, puis destinées à d'autres organites ou le milieu extracellulaire.

  • Les ribosomes liés au RE et les ribosomes libres sont identiques.

• Synthèse Lipidique : La membrane du RE produit presque tous les lipides membranaires.

  • Phospholipides : Synthétisés sur le versant cytosolique de la membrane du RE.

    • La scramblase (toujours active dans le RE) transfère les phospholipides vers la monocouche luminale, assurant une distribution égale.

    • La flippase de la membrane plasmique maintient l'asymétrie (transfert de phosphatidylsérine et phosphatidyléthanolamine vers la monocouche interne). La scramblase membranaire n'est active que lors de l'apoptose.

  • Céramide et Cholestérol : Le céramide est exporté vers l'AG pour la synthèse de glycolipides et de sphingomyéline.

3. Renouvellement de la Membrane du RE

• Transport Vésiculaire : Lipides et protéines transmembranaires entrent dans un flux vectoriel permanent RE Golgi Lysosomes Membrane Plasm.

• Transport Direct : Possible transfert direct de phospholipides entre RE et AG ou système endosome/lysosome.

• Différences avec Mitochondries et Peroxysomes :

  • Leur croissance membranaire utilise des protéines membranaires du cytosol et des lipides acheminés par des protéines de transfert des phospholipides (pas toujours par vésicules), notamment aux points de contact étroit.

IV. L'Appareil de Golgi (AG)

1. Notion de Dictyosome et Organisation

• Structure : Empilement de 4 ou 5 citernes aplaties (saccules), formant un dictyosome. L'AG peut contenir un ou plusieurs dictyosomes.

• Localisation : Généralement près du noyau et du centrosome.

• 3 Zones fonctionnelles :

  • Face cis (côté RE) : Reçoit les protéines du RE (face d'entrée).

  • Compartiment médian

  • Face trans (côté membrane plasmique/lysosomes) : Face de sortie, site de maturation des protéines et lipides.

• Fonction Globale : Reçoit, modifie, trie et exporte les protéines et lipides.

2. Fonctions Spécifiques de l'AG

• O-glycosylation des Protéines :

  • Fixation de sucres (synthétisés dans le cytosol) sur le groupement OH de sérines et thréonines. Concerne les protéines transmembranaires luminales et les protéines solubles du Golgi.

  • Se déroule dans les compartiments médian et trans.

  • Participation à la synthèse des protéoglycanes (chaînes protéiques + glycosaminoglycanes) composant la matrice extracellulaire ou la surface membranaire.

• Modification des N-glycosylations :

  • Les chaînes oligosaccharidiques N-glycosylées dans le RE peuvent être modifiées dans l'AG.

  • Phosphorylation des résidus mannoses : Dans le compartiment

cis (essentiel pour les enzymes lysosomales).

• Élagage de mannoses (cis et médian) et addition de nouveaux sucres (N-acétylglucosamine en médian, galactose, acide sialique en trans).

• Ces réactions sont séquentielles et ordonnées, dépendant du pH, formant des oligosaccharides complexes.

• Rôles des chaînes glycosylées : Protection des protéines, adhésion intercellulaire (via sélectines).

• Maturation Protéolytique des Protéines :

  • Conversion de précurseurs inactifs (pro-hormones, neuropeptides) en molécules actives par clivage protéolytique.

  • Débute dans le compartiment trans de l'AG, continue dans les vésicules de sécrétion et parfois le milieu extracellulaire.

  • Exemple de l'insuline : Préproinsuline Proinsuline (après clivage du peptide signal) Insuline mature (après clivage de la chaîne C par endopeptidases).

• Bilan AG : Reçoit, modifie, trie, adresse et exporte les protéines et lipides.

V. Les Lysosomes

1. Présentation

• Structure : Vésicules limitées par une membrane, de forme et taille variées, présentes dans toutes les cellules eucaryotes.

• Ne pas confondre avec peroxysomes : similaires morphologiquement mais différents par leur contenu enzymatique et fonctions.

• 2 Types :

  • Lysosomes primaires : Contiennent des hydrolases.

  • Lysosomes secondaires : Vacuoles hétérogènes contenant hydrolases et substrats en digestion.

• Abondance : Hépacytes, macrophages, granulocytes.

• Composition Caractéristique :

  • pH acide (~5) dans leur lumière.

  • Riches en hydrolases acides (protéases, nucléases, lipases...), activées à pH 5.

  • Pompe à protons membranaire pour maintenir le pH acide.

  • Protéines membranaires fortement glycosylées (protection contre protéolyse).

  • Perméases membranaires pour exporter produits de catabolisme et importer matériaux à hydrolyser.

• Origine des Hydrolases : Proviennent du réseau trans de l'AG, libérées via transport vésiculaire vers l'endosome précoce, puis deviennent actives dans l'endolysosome.

2. Fonction Digestive des Lysosomes

• Digestion Intracellulaire : Surnommés "l'estomac de la cellule". Dégradent toutes les molécules biologiques en métabolites élémentaires (protéines acides aminés, polysaccharides monosaccharides, lipides acides gras).

• Les produits de dégradation sont réutilisés dans le cytosol.

• 3 Origines des Matériaux à Dégrader :

  • Voie de l'Endocytose : Pinocytose et phagocytose (matériaux du milieu extracellulaire).

  • Voie de l'Autophagie : Élimine les organites hors d'usage (ex: mitochondries) ou des portions du cytosol (en cas de carence nutritive). L'organite est capturé dans un autophagosome qui fusionne avec un lysosome.

  • Passage Direct : Peptides cytosoliques peuvent entrer directement dans les lysosomes via perméases.

VI. Les Transports Vésiculaires

1. Flux de Matière dans la Cellule

• Flux Vector

iel Permanent : RE AG Membrane Plasmique (exocytose).

• Flux Membranaires Rétrogrades : AG RE ; Membrane Cellulaire AG.

• Flux Centré sur les Endosomes.

• Destin des protéines codées par le génome nucléaire : Toutes démarrent dans le cytosol.

  • 1er Embranchement : Restent dans le cytosol ou sont exportées vers mitochondries, noyau, peroxysomes.

  • 2ème Embranchement : Transférées au RE (après fixation des ribosomes), puis peuvent :

    • Rester dans le RE.

    • Être dirigées vers l'AG (puis lysosomes ou membrane plasmique).

    • Être dirigées vers les peroxysomes.

2. Transport des Protéines par Vésicules

• Mécanisme Général : Transfert des protéines du RE vers les autres organites et la membrane plasmique via des vésicules de transport. De même entre saccules golgiens.

• Processus : Vésicules bourgeonnent du compartiment donneur, capturent du matériel, puis fusionnent avec le compartiment cible pour libérer leur contenu.

• Concerne Protéines Solubles et Membranaires :

  • Protéines solubles : De la lumière du RE vers d'autres lumières (Golgi, lysosomes) ou le milieu extracellulaire.

  • Protéines membranaires : Ancrées dans la membrane du RE, puis intégrées aux membranes d'autres organites ou à la membrane plasmique.

3. Transports entre RE et Golgi

• RE AG (Sélection des protéines à transporter) :

  • Vésicules recouvertes de COP-II (Coat Protein II) bourgeonnent du RE transitionnel.

  • Processus sélectif : protéines transmembranaires à exporter ont un signal de sortie pour se fixer aux complexes COP-II.

  • Protéines solubles à exporter se fixent à des récepteurs membranaires sur les complexes COP-II. Ces récepteurs retournent au RE par transport rétrograde.

  • Des protéines résidentes du RE incorporées par erreur sont aussi réacheminées au RE.

• Compartiment vésiculo-tubulaire intermédiaire :

  • Après bourgeonnement et perte du manteau COP-II, les vésicules fusionnent (fusion homotypique).

  • Ce compartiment se dirige vers la face cis de l'AG et fusionne avec elle.

• AG RE (Transport rétrograde des protéines) :

  • Vésicules recouvertes de COP-I bourgeonnent du compartiment vésiculo-tubulaire et de l'AG pour ramener les récepteurs et les protéines résidentes du RE.

  • Ces protéines portent un signal d'adressage (ou de rétention) spécifique.

• Rôle des protéines coat :

  • COP II (rouge) : Transport du RE vers le Golgi.

  • COP I (bleu) : Transport rétrograde du Golgi vers le RE.

  • Clathrine (vert) : Impliquée dans l'endocytose (MP Endosomes) et le transport AG MP.

4. Cas des Protéines Résidentes du RE

• Peptide signal KDEL : Signal spécifique de rétention dans le RE.

• Récepteur KDEL : Récepteurs membranaires dans les structures vésiculo-tubulaires et les compartiments de l'AG.

• Ces récepteurs se

fixent aux complexes COP-I pour réacheminer les protéines vers le RE. Les récepteurs KDEL circulent entre RE et AG.

• Affinité : Faible affinité pour les récepteurs KDEL dans le RE (pH neutre) ; forte affinité dans l'AG (pH faiblement acide). Cette variation de pH permet le détachement des protéines dans le RE.

5. Exocytose : Constitutive ou Contrôlée

• Définition : Transport du compartiment trans de l'AG vers la surface cellulaire (exportation et fusion des vésicules avec la membrane plasmique).

• Renouvelle la membrane plasmique et sécrète les protéines solubles dans le milieu extracellulaire.

• Exocytose Constitutive :

  • Continue et présente dans toutes les cellules.

  • Processus par défaut pour les protéines sans destination spécifique.

  • Vésicules bourgeonnent du réseau trans de l'AG et fusionnent avec la membrane plasmique.

• Exocytose Contrôlée :

  • Spécifique à certains types cellulaires (sécrétion d'hormones, neurotransmetteurs, enzymes digestives).

  • Les protéines s'agrègent dans la lumière du réseau trans de l'AG (signal de région commune).

  • Vésicules à manteau de clathrine se forment (vésicules sécrétoires immatures).

  • Maturation des vésicules :

    • Condensation du contenu due à l'acidification (pompe à protons) et au bourgeonnement de vésicules à clathrine qui retournent à l'AG.

    • Maturation protéolytique (début dans l'AG trans) se poursuit dans les vésicules.

6. Exocytose : Devenir des Vésicules de Sécrétion

• Transport et Accumulation :

  • Acheminement des vésicules jusqu'au site de sécrétion (via microtubules et protéines motrices).

  • Accumulation près de la membrane plasmique.

  • Libération du contenu : en réponse à un signal extracellulaire spécifique (hormonal, électrique).

• Recyclage des Composants Membranaires :

  • L'augmentation de surface membranaire due à la fusion vésiculaire est compensée par l'endocytose.

7. Endocytose : Généralités

• Définition : Transport vésiculaire de la membrane plasmique vers le système endosomal, internalisant des molécules.

• 2 Types :

  • Phagocytose : Spécifique à certains types cellulaires (immunitaire).

  • Pinocytose : Observée dans tous les types cellulaires, avec ou sans clathrine.

8. Endocytose : La Phagocytose

• Fonction : Internalisation et destruction de grandes particules (micro-organismes, débris cellulaires).

• Cellules Phagocytaires : Polunucléaires et monocytes/macrophages chez les mammifères.

• Phagosome : Vésicule de grande taille formée lors de l'ingestion, fusionne avec les lysosomes pour former un phagolysosome où la dégradation a lieu. Les produits sont réutilisés ou éliminés.

• Mise en jeu de Récepteurs : Déclenchée par la liaison de la particule à la membrane.

  • Exemple : Anticorps fixés aux micro-organismes se lient aux récepteurs-Fc de la cellule phagocytaire, induisant l'émission de pseudopodes (par polymérisation de l'actine) qui entourent la particule.

• Phagocytose des cellules en apoptose : Les macrophages reconnaissent les phosphatidylsérines exposées sur la face extracellulaire des cellules apoptotiques.

9. Endocytose : La Pinocytose

• Non-dépendante de la clathrine : Non détaillée.

• Dépendante de la clathrine :

  • Bourgeonnement : Dans des régions spécialisées de la membrane plasmique, formant une vésicule à manteau de clathrine.

  • Perte du manteau : Les vésicules lisses fusionnent avec les endosomes précoces. La clathrine se réassemble.

  • Fusion avec endosome précoce :

    • Le destin du ligand et du récepteur peut varier.

    • Dissociation ligand-récepteur : Due au pH acide de l'endosome précoce (pompe H+), réduisant l'affinité du récepteur.

    • Les ligands dissociés sont transférés vers l'endosome tardif.

  • Migration des endosomes : Les endosomes précoces migrent le long des microtubules, se transformant en corps multivésiculaires qui fusionnent pour former l'endosome tardif (pH ~6).

  • Fusion avec les lysosomes : Les vésicules de l'endosome tardif fusionnent avec des lysosomes pour former des endolysosomes, qui deviennent des lysosomes après acidification supplémentaire (pH 5). Dégradation des ligands par les hydrolases acides.

  • Bilan : Les ligands dissociés sont dégradés ; les récepteurs sont recyclés vers la membrane plasmique. Les ligands fixés partagent le sort du récepteur (recyclage, dégradation ou transcytose).