Microscopes et leurs applications

La Cellule : Unité Fondamentale de la Vie et ses Outils d'Étude

La cellule est définie comme l'unité fonctionnelle vivante, délimitée de son environnement par une membrane plasmique. Ce concept découle de la théorie cellulaire formulée pour la première fois par Schleiden et Schwann en 1833. Cette théorie repose sur plusieurs observations fondamentales :

• Les tissus corporels sont constitués de cellules et de substances extracellulaires produites par les cellules.

• Chaque cellule peut exister de manière indépendante, contrairement à ses composants individuels. La cellule est donc la plus petite unité du vivant.

• La vie se perpétue uniquement par division cellulaire, assurant une continuité ininterrompue de la vie depuis son apparition sur Terre.

Le milieu vital est nécessairement aqueux. La cellule est principalement composée d'eau et vit dans un environnement majoritairement aqueux. Elle est également constituée de macromolécules organiques (protéines, glucides, lipides, acides nucléiques) et de substances inorganiques (ions, sels comme le calcium).

Composition Macromoléculaire et Inorganique de la Cellule

• Protéines : Éléments structurels fondamentaux des cellules et de la matrice extracellulaire. Elles peuvent être seules, ou associées à des lipides (lipoprotéines) ou des glucides (glycoprotéines, protéoglycanes). Les protéines sont aussi des enzymes (catalyseurs des réactions métaboliques) et des produits de sécrétion spécifiques comme les hormones.

• Glucides (hydrates de carbone) et Lipides (graisses) : Sources ou formes de stockage principales de l'énergie cellulaire. Certains participent également à la composition de structures cellulaires et extracellulaires. Les phospholipides, en particulier, sont la base de la structure des membranes biologiques et interagissent avec les protéines membranaires.

• Acides Nucléiques : Supports de l'information génétique. L'ADN (acide désoxyribonucléique) préserve cette information essentielle, qui est ensuite transmise via l'ARN (acide ribonucléique) pour être traduite en protéines, acteurs majeurs des fonctions cellulaires.

• Substances Inorganiques : Se retrouvent dans les cellules, parfois associées à des enzymes. Elles peuvent influencer l'adhésion cellulaire et d'autres propriétés. Le calcium, par exemple, sous forme de sel minéral (phosphate de calcium), contribue à la rigidité osseuse. Sous forme d'ions extracellulaires, il participe à l'ancrage des cellules épithéliales et à l'activation enzymatique. Sous forme d'ions intracellulaires, il déclenche la contraction musculaire.

Catégories de Cellules : Procaryotes et Eucaryotes

On distingue deux catégories fondamentales de cellules :

• Procaryotes (bactéries, algues bleues) :

  • Petite taille (environ 2 µm de diamètre).

  • Structure interne simple, sans noyau.

  • Contiennent un unique compartiment cytoplasmique avec ADN, ARN, protéines et autres petites molécules.

  • Souvent entourées d'une paroi cellulaire protectrice.

• Eucaryotes :

  • Plus grande taille (environ 20 µm de diamètre pour beaucoup).

  • Possèdent un noyau délimité par une enveloppe formée de membranes.

  • Représentées par les protistes (unicellulaires), les cellules de champignons, de plantes et d'animaux.

Ce cours se concentre uniquement sur les cellules animales eucaryotes.

Organisation Générale de la Cellule Eucaryote Animale

Observée au microscope optique, une cellule eucaryote animale révèle :

• Membrane Plasmique : Délimite la cellule de l'extérieur et entoure le protoplasme.

• Protoplasme : Comprend le noyau et le cytoplasme.

  • Noyau : Contient l'ADN cellulaire et des éléments de régulation génique.

  • Cytoplasme : Le reste de la cellule. Le contenu du noyau est appelé nucléoplasme.

Avec un microscope électronique à transmission, qui permet d'observer des structures jusqu'à 0,2 nm, on découvre une série d'autres organites.

Organites des Cellules Eucaryotes Animales

Autour ou à côté du noyau, les autres organites occupent environ la moitié du volume cytoplasmique :

• Réticulum Endoplasmique (RE) :

  • Réseau de structures membranaires aplaties ou tubuleuses.

  • Connecté à l'enveloppe nucléaire.

  • RE rugueux (RER) : Couvert de ribosomes, impliqué dans une partie de la synthèse des protéines.

  • RE lisse (REL) : Participe au métabolisme des lipides, notamment la synthèse des lipides membranaires.

• Appareil de Golgi :

  • Empilements de citernes aplaties.

  • Les molécules synthétisées dans le RE y transitent pour être modifiées (ex: glycosylation).

• Endosomes et Lysosomes :

  • Lysosomes : Organites sphériques délimités par une membrane, hébergeant des enzymes spécialisées dans la digestion intracellulaire.

  • Endosomes : Organites membranaires dont l'une des fonctions est le tri et l'adressage de molécules.

• Vésicules de Transport : Assurent le transfert de matériel à travers la cellule.

  • Des vésicules de sécrétion transportent protéines et lipides du Golgi vers la membrane plasmique.

  • D'autres vésicules du Golgi acheminent du matériel vers les endosomes et lysosomes.

  • Les vésicules d'endocytose transportent des substances capturées à la membrane plasmique vers les endosomes et lysosomes.

• Mitochondries :

  • Possèdent leur propre ADN et synthétisent des protéines.

  • Se reproduisent par division binaire.

  • Entourées d'une double membrane, l'interne formant des crêtes mitochondriales qui abritent les éléments de la respiration cellulaire.

• Peroxysomes : Métabolisent notamment les acides gras et produisent/éliminent le peroxyde d'hydrogène.

• Cytosquelette : Réseaux filamenteux (microfilaments d'actine, filaments intermédiaires, microtubules) essentiels au maintien de la forme cellulaire, au mouvement et au déplacement des organites.

Microscopie et Préparation des Échantillons

L'observation des cellules et de leurs composants repose sur des techniques microscopiques sophistiquées.

Microscopes

Le Microscope Optique

La limite de résolution de l'œil humain est d'environ 0,2 mm. Les cellules eucaryotes (environ 20 µm) et leurs composants ne sont pas visibles à l'œil nu.

• Historique : Le terme "cellule" fut utilisé pour la première fois par Robert Hooke au 17ème siècle.

• Principe : Un rayonnement (photons pour l'optique) traverse un échantillon, son trajet étant modifié par la composition de ce dernier. Le rayonnement modifié est dévié par des lentilles pour former une image agrandie.

• Pouvoir de Résolution : Dépend de la longueur d'onde du rayonnement. Le microscope optique, utilisant la lumière visible, a une résolution d'environ 0,2 µm (200 nm).

• Intérêt Principal : Non pas seulement l'agrandissement, mais surtout la capacité à diminuer la limite de résolution et révéler des détails indiscernables autrement.

• Fonctionnement (Microscope à Fond Clair) :

  • Source lumineuse (lampe halogène ou LED) sous l'objet.

  • Condenseur focalise un cône de rayons lumineux sur l'objet.

  • Diaphragmes contrôlent la quantité de lumière.

  • Platine porte-objet mobile.

  • Objectif (lentille multiple) collecte la lumière, crée une image inversée et agrandie.

  • Oculaire agrandit cette image pour la rétine.

  • Grossissement total = grossissement objectif grossissement oculaire.

  • Facteurs limitant la résolution :

    1. Angle du cône de lumière (système condenseur-objectif).

    2. Indice de réfraction du milieu entre condenseur et objectif (immersion à l'huile augmente la résolution).

    3. Longueur d'onde de la lumière (lumière bleue optimise la résolution).

• Contraste : Les cellules non colorées sont peu visibles car peu pigmentées. Des techniques augmentent le contraste :

  • Microscopie à fond sombre : Les rayons lumineux sont dirigés obliquement. L'image est formée uniquement par les rayons dispersés par l'objet, apparaissant claire sur un fond sombre. Augmente les contrastes sans coloration préalable, utile pour l'observation de cellules vivantes.

  • Microscopie à contraste de phase : Traduit les différences de phase de la lumière traversant l'échantillon en niveaux de contraste, offrant une impression de relief et permettant d'observer des cellules vivantes non colorées.

  • Microscopie à polarisation : Utilise de la lumière polarisée. Permet de visualiser des structures anisotropes (qui dévient le sens de vibration de la lumière, ex: collagène, sarcomères musculaires, membranes cellulaires). Les structures isotropes (sans effet sur la polarisation) apparaissent sombres. La biréfringence (deux indices de réfraction) caractérise ces structures.

  • Microscopie à fluorescence :

    • Les molécules fluorescentes absorbent une longueur d'onde et en réémettent une plus grande.

    • Un microscope à fluorescence utilise une source lumineuse puissante, un filtre d'excitation (laisse passer la longueur d'onde d'absorption), un miroir dichroïque (réfléchit la lumière d'excitation, transmet la lumière d'émission), et un filtre d'émission (ne laisse passer que la longueur d'onde réémise), produisant une lueur sur un fond sombre.

    • Utilisée pour détecter des substances naturellement fluorescentes ou, plus couramment, pour des macromolécules spécifiques via des marqueurs fluorescents couplés (ex: immunofluorescence).

  • Microscopie Confocale :

    • Similaire à la fluorescence mais résout le problème du flou des échantillons épais.

    • Deux diaphragmes à trou d'épingle (devant la source et le détecteur) focalisent la lumière d'excitation sur un seul plan de l'échantillon et ne collectent que la lumière émise par ce plan.

    • Permet un "découpage optique" (observation tranche par tranche) et la reconstruction d'images 3D.

Le Microscope Électronique

Utilise un faisceau d'électrons accélérés, offrant une résolution bien supérieure à celle du microscope optique. La résolution est liée inversement à la longueur d'onde ; les électrons ont une longueur d'onde beaucoup plus courte.

• Pouvoir de Résolution : 0,2 nm (200 pm), soit 200 fois mieux que le microscope optique. Les aberrations des lentilles magnétiques limitent la résolution théorique.

• Conception : Plus volumineuse que l'optique, souvent

inversée.

• Source d'électrons : Filament de tungstène chauffé.

• Accélération : Anode accélère les électrons.

• Vide : Nécessaire dans la colonne pour éviter la collision des électrons avec les molécules d'air.

• Lentilles magnétiques : Bobinages qui dévient électrons, agissant comme condenseur, objectif et système de projection.

• Image : Sur un écran phosphorescent. Les régions denses aux électrons (ayant dévié des électrons) apparaissent sombres.

• Microscopie Électronique à Transmission (MET) :

  • L'observation de matériel biologique en MET a révélé de nombreuses structures cellulaires.

  • Nécessite une préparation spécifique car le matériel vivant ne peut être observé sous vide.

• Microscopie Électronique à Balayage (MEB) :

  • Permet une image 3D des surfaces exposées.

  • Un fin faisceau d'électrons primaires balaye la surface de l'échantillon.

  • L'image est créée en mesurant les électrons secondaires réémis par la surface.

  • Grande profondeur de champ.

  • Les échantillons doivent être fixés, déshydratés et recouverts d'une substance conductrice (souvent de l'or) pour gérer les charges négatives et faciliter l'émission d'électrons secondaires.

Préparation des Échantillons Histologiques pour Microscopie Optique

Pour une observation permanente et colorée :

1. Fixation :

   • Buts : Immobiliser tissus/cellules le plus près possible de l'état vivant, prévenir l'autolyse (destruction par enzymes propres) et la prolifération microbienne.

   • Rapidité : Doit suivre le prélèvement (biopsie ou autopsie). Les tissus sont découpés finement pour une pénétration rapide du fixateur.

   • Chimie : Établit des liens entre macromolécules (surtout protéines), les figeant en place. Un bon fixateur cible les protéines.

   • Fixateurs courants :

     • Aldéhydes (formaldéhyde, glutaraldéhyde) : Forment des liens covalents avec les groupements amines primaires des protéines.

     • Liquide de Bouin : Mélange de solution aqueuse saturée en acide picrique (75%), formol (20%), acide acétique glacial (5%).

   • Méthodes physiques :

     • Chaleur (micro-ondes) : Dénature et coagule les protéines.

     • Congélation rapide : Fige les protéines sans les dénaturer.

   • Limites : Aucun fixateur n'est idéal. Il faut minimiser les "artefacts" (altérations dues au processus).

2. Inclusion et Microtomisation :

   • But : Rendre les tissus suffisamment solides pour être coupés en tranches fines (micromètres).

   • Procédé (ex: paraffine) :

     1. Déshydratation : Bains successifs d'alcool de concentration croissante (jusqu'à alcool absolu).

     2. Pré-inclusion : Remplacement de l'alcool par un solvant de la paraffine (toluène, xylène).

     3. Inclusion : Bains successifs de paraffine liquide (>56°C).

     4. Enrobage : Transfert dans un moule de paraffine, puis refroidissement pour former un bloc solide.

   • Microtome : Machine coupant des sections fines (5-7 µm) qui sont étalées sur des lames de verre.

3. Coloration :

   • But : Rendre les cellules et structures intracellulaires visibles.

   • Étapes préalables : Retirer le milieu de support (paraffine) avec un solvant (xylène), puis réhydrater le tissu avec des bains d'alcool décroissants.

   • Colorations courantes :

     • Hématoxyline et Éosine (HE) :

       • Hémalun (dérivé d'hématoxyline, basique avec agent mordanceur) : Colore en bleu les structures basophiles (chargées négativement comme les acides nucléiques, RER).

       • Érythrosine (acide, chargée négativement) : Colore en rouge/rose les structures acidophiles (chargées positivement comme le cytoplasme, fibres extracellulaires).

     • HES : Variante trichromique avec Hémalun, Érythrosine et Safran (pour les fibres conjonctives).

   • Critique : Ces colorants classiques manquent de spécificité moléculaire.

4. Montage final :

   • Recouvrir l'échantillon d'une lamelle couvre-objet avec un milieu permanent d'indice de réfraction similaire au verre.

   • Avantages : Optimisation optique, conservation des colorants, protection mécanique.

Préparation par Congélation Rapide (Coupes à Congélation)

Alternative à la fixation chimique et l'inclusion en paraffine, utile pour un examen rapide (extemporané) ou pour préserver certaines molécules (lipides, enzymes) sensibles à ces traitements.

• Procédé : Congélation rapide des tissus après prélèvement.

• Cryostat : Microtome intégré dans une enceinte de congélation, permettant de couper des sections très fines (5 µm).

• Avantages : Préserve la structure native des protéines, évite certains artefacts (extraction des lipides, dénaturation par chauffage).

• Inconvénients : Peut créer d'autres artefacts (cristaux de glace qui détruisent la structure fine). Le choix dépend des objectifs de l'étude.

Préparation de Cellules Cultivées

Cellules isolées et cultivées in vitro :

• Peuvent être observées directement vivantes ou fixées.

• Fixateurs courants : paraformaldéhyde, glutaraldéhyde, mélange méthanol-acétone.

• Pas d'inclusion ni de microtomisation.

• Si cultivées sur lamelles de verre, une étape de montage est nécessaire.

Préparation des Échantillons pour Microscopie Électronique

Nécessite des procédures adaptées aux spécificités du MET (vide poussé, faible pouvoir de pénétration des électrons).

1. Fixation : Matériel vivant ne peut être observé.

   • Fixation double :

     • Glutaraldéhyde : Premier fixateur, établit des liens covalents entre protéines, bloque leur position. Pénétration rapide, préserve les structures protéiques fines.

     • Tétraoxyde d'osmium (OsO₄) : Post-fixateur, se lie aux phospholipides, stabilise les membranes et protéines membranaires. Son poids atomique élevé (190) contribue au contraste de l'image.

   • Pour accélérer : Perfusion avec fixateur ou découpe en petits blocs (environ 1 mm) pour réduire le temps de pénétration.

2. Inclusion :

   • Nécessité : Les électrons pénètrent peu, donc coupes extrêmement fines (environ 50 nm). Les tissus sont inclus dans une résine dure.

   • Procédé : Déshydratation (alcools), infiltration par solvant de résine, inclusion dans résine (ex: résine époxy comme l'Epon), polymérisation (chaleur ou UV).

   • Ultramicrotome : Appareil spécialement conçu pour couper des sections de 50 nm avec un couteau de verre ou de diamant.

   • Sections : Recueillies sur une grille métallique.

3. Contraste (Coloration) :

   • But : Augmenter le contraste, car les molécules biologiques (C, O, N, H) sont transparentes aux électrons.

   • Procédé : Imprégnation (avant et/ou après ultramicrotomie) avec des sels de métaux lourds (plomb, uranium).

   • Effet : Les métaux lourds (masses atomiques élevées) dévient fortement les électrons, rendant les zones où ils se fixent plus sombres sur l'image.

Techniques Spécifiques en Microscopie Électronique

• Répliques de Surface : Étudier la surface des échantillons.

  • Procédé : Vaporisation d'un fin film de métal lourd (platine) sur un échantillon séché, souvent sous un angle oblique pour créer un effet d'ombrage et une apparence 3D.

  • Pour échantillons épais : Le matériel biologique est dissous (eau de Javel) et le film de platine est consolidé par un film de carbone.

• Cryofracture : Visualiser l'intérieur des membranes cellulaires.

  • Procédé : Congélation rapide de l'échantillon (-196°C, azote liquide, avec cryoprotecteur) ; fracture sous vide à -100°C avec une lame refroidie.

  • Mécanisme : Le plan de fracture passe préférentiellement par le centre hydrophobe de la bicouche lipidique, exposant l'intérieur des membranes.

  • Analyse : Le plan de fracture est ombré au platine, le matériel organique dissous, et la réplique (consolidée) observée.

  • Apporte des preuves de l'existence de particules intramembranaires (protéines intégrales) enchâssées dans les hémi-membranes. Le feuillet P (protoplasmique) est plus rugueux (plus de particules) que le feuillet E (extracellulaire).

Microscopie Corrélationnelle (CLEM)

Superposition d'images de microscopie optique et électronique.

• But : Localiser des molécules et suivre des processus (optique) puis analyser les propriétés ultrastructurales (électronique) des mêmes éléments.

• Défi : Identifier des points de repère (intrinsèques ou extrinsèques) visibles par les deux techniques pour aligner les images.

Cytochimie et Histochimie

Méthodes de détection visuelle des composés biologiques au microscope.

• Cytochimie : Localisation au niveau cellulaire.

• Histochimie : Localisation au niveau tissulaire.

• Développement Moderne : Avec la biologie moléculaire, l'accent est mis sur la détection sélective des macromolécules.

Méthodes Spécifiques de Détection

• Cytochimie Enzymatique :

  • Principe : Mettre en évidence l'activité catalytique propre d'une enzyme.

  • Procédé : Fournir un substrat spécifique à l'enzyme dans des conditions adéquates. Le produit de réaction est choisi pour être visible (directement ou indirectement) et peu diffusible, permettant ainsi de localiser l'enzyme au microscope.

  • Applications : Détection de la phosphatase acide dans les lysosomes (MET).

• Immunocytochimie (Immuno-marquage) :

  • Principe : Utiliser des anticorps pour reconnaître avec une haute spécificité un antigène (protéine, haptène). L'anticorps se lie à l'antigène, puis le site de liaison est mis en évidence par cytochimie enzymatique ou fluorescence.

  • Exemple (microtubules) : Production d'anticorps anti-tubuline chez un lapin. Liaison aux microtubules de cellules fixées. Visualisation par un anticorps secondaire (produit chez une autre espèce), couplé à une molécule fluorescente ou un enzyme.

  • Applications en MET : L'anticorps secondaire est couplé à un marqueur dense aux électrons (ferritine, or colloïdal).

• Sondes Fluorescentes Spécifiques :

  • Molécules qui marquent des organites spécifiques en se liant à une de leurs constituants ou en détectant une propriété fonctionnelle.

  • Exemples :

    • DAPI et Hoechst : Se lient aux régions adénine-thymine de l'ADN, émettent une lumière bleutée (noyau).

    • BODIPY™-céramide : Cible l'appareil de Golgi.

    • Mitotracker™ : Marque les mitochondries (potentiel de membrane).

    • Lysotracker™ / acridine orange : Bases faibles s'accumulant dans l'environnement acide des lysosomes.

• Protéines de Fusion (Marquage Génétique) :

  • But : Localiser des protéines pour lesquelles il n'existe pas d'anticorps de qualité suffisante.

  • Principe : La séquence d'ADN de la protéine d'intérêt est fusionnée à une séquence codant un marqueur (ex: GFP - green fluorescent protein). L'ADN fusionné est introduit dans la cellule via un vecteur d'expression, produisant une protéine de fusion visualisable par fluorescence.

  • Marqueurs peptidiques : Petites séquences (MYC, FLAG) reconnues par des anticorps spécifiques commerciaux.

Culture Cellulaire

Maintenance d'une population de cellules in vitro (hors de l'organisme).

Principes

• Isolation : Les cellules sont séparées de leur tissu d'origine.

• Substrat & Milieu : Cultivées dans un milieu nutritif (acides aminés, vitamines, sels, glucose), iso-osmotique et tamponné au pH physiologique. Souvent additionné de sérum (5-10%) pour hormones et facteurs de croissance ; des milieux sans sérum existent pour mieux identifier les facteurs endogènes.

• Objectif : Maintenir la viabilité, favoriser la prolifération (si les cellules se divisent) et préserver les caractéristiques structurelles et fonctionnelles in vivo.

Méthodes d'Isolement Cellulaire

• Mécanique :

  • Déchirer l'organe (mortier, cisaillement avec piston).

  • Limité aux tissus lâches (rate, moelle osseuse, ganglions lymphatiques).

  • Souvent, viabilité cellulaire réduite.

• Chimique :

  • Exemple : Dissociation avec l'EDTA, un chélateur de cations divalents (Mg++, Ca++).

  • Ces cations sont essentiels aux interactions protéine-protéine qui lient les cellules. L'EDTA fragilise ces liaisons.

• Enzymatique :

  • Enzymes (collagénase, trypsine, hyaluronidase) séparent les cellules entre elles et de la matrice extracellulaire.

  • Efficace si le choix de l'enzyme et des conditions est bon.

  • Inconvénient : Peut modifier l'expression de protéines de surface, altérant le comportement cellulaire (réponse aux facteurs de croissance, adhésion, détection par immunomarquage).

Types de Cultures Cellulaires

• Culture primaire : Cellules fraîchement isolées d'un tissu.

• Culture secondaire : Cellules d'une culture primaire détachées, diluées et réensemencées.

• Durée de vie : Les cellules saines ont une durée de vie limitée (50-100 divisions). Certains types (neurones matures) ne se divisent pas.

• Cellules cancéreuses : "Immortelles", sans limite de division. Peuvent être isolées de tumeurs ou induites par agents cancérigènes.

Avantages de la Culture Cellulaire

• Simplification : Étudier précisément la physiologie et biochimie d'un type cellulaire spécifique.

• Tests : Tester l'impact de diverses molécules (facteurs de croissance, médicaments) sur un type cellulaire.

• Alternative : Sert d'alternative (partielle) à l'expérimentation animale.

• Production : Produire des molécules en grande quantité à partir de cultures à grande échelle.

• Génétique : Manipuler le génome et étudier les conséquences.

• Thérapeutique : Modifier des cellules de patients (cellules souches, lymphocytes) in vitro pour les réinjecter comme traitement.

Fractionnement Subcellulaire

Méthode permettant de séparer les organites d'une cellule en exploitant leurs propriétés biophysiques distinctes (taille, forme, densité).

Principes de la Centrifugation

• Sédimentation : Dans une suspension, les particules sédimentent (1 g). La centrifugation accélère ce processus.

• Composants de la centrifugeuse : Rotor, axe, moteur.

• Champ centrifuge (RCF) : Force exercée, exprimée en multiples de g (ex: ). Augmente avec les Rotations Par Minute (RPM) et le rayon du rotor.
  RCF = 1.12 * r * (

RPM/1000)^2 (où r = rayon en mm)

• Impact : La force exercée varie selon la position des particules par rapport à l'axe.

• Rotor : Différents types (angle fixe, vertical, swinging) affectent les forces centrifuges.

Centrifugation Différentielle

Séparation basée sur les coefficients de sédimentation des particules (organites).

• Facteurs influençant la vitesse de sédimentation :

  • Taille de la particule.

  • Différence de densité entre la particule et le milieu.

  • Coefficient de friction (forme de la particule, viscosité du milieu).

• Coefficient de sédimentation (s) : Exprimé en Svedberg ( secondes). Les grosses particules (noyaux) ont des s élevés, sédimentent vite avec peu de force centrifuge. Les petites particules peu denses (vésicules du Golgi) ont des s faibles, nécessitent plus de temps et/ou une RCF élevée.

• Méthode de Christian de Duve : Protocole efficace pour le fractionnement subcellulaire du foie de rat.

Procédé de Fractionnement

1. Homogénat cellulaire :

   • Placer les cellules dans un milieu (généralement isotonique) et les soumettre à un traitement pour ouvrir leur membrane plasmique (lyse mécanique, ex: piston de Téflon).

   • Crée une suspension d'organites intacts. La membrane plasmique, RE et Golgi se fragmentent en microsomes.

2. Centrifugations successives :

   • Faible RCF ( pendant 10 min) : Sédimente les cellules non lysées et les noyaux (plus grosses structures).

   • RCF plus élevée ( pendant 20 min) : Sédimente mitochondries, lysosomes, peroxysomes.

   • RCF encore plus élevée ( pendant 40 min) : Sédimente les fragments de membrane plasmique, Golgi et RE (microsomes).

   • Les composants cytosoliques de petite taille restent en suspension.

3. Limites : Variabilité de taille et densité des organites empêche une séparation complète, mais permet d'obtenir des fractions "enrichies".

Centrifugation en Gradient de Densité

Pour augmenter la séparation des organites.

• Principe : Une suspension d'organites est centrifugée dans une solution dont la densité augmente progressivement du haut vers le bas.

• Gradient : Peut être continu (linéaire) ou discontinu (couches successives de densités différentes), formé de saccharose, glucose, billes de Percoll, chlorure de Césium, etc.

• Migration : Les organites migrent jusqu'à ce que leur densité soit identique à celle du milieu qui les entoure (densité d'équilibre).

• Caractéristique : Qualifiée d'isopycnique.

• Important : La densité d'équilibre observée n'est pas toujours le reflet de la densité physiologique, mais celle acquise dans le milieu du gradient.

Organisation Générale des Membranes Biologiques

Les membranes sont essentielles à toutes les cellules. La membrane plasmique délimite la cellule, tandis que les membranes intracellulaires délimitent les organites (RE, Golgi, lysosomes, mitochondries).

Structure Commune

• Toutes les membranes partagent une structure générale : un film moléculaire de lipides et de protéines, unis par liaisons non-covalentes.

• La structure de base est la bicouche lipidique, principalement composée de phospholipides.

Molécules Lipidiques et Bicouche

• Amphipathiques (ou amphiphiles) : Les lipides membranaires ont une extrémité polaire (hydrophile, "aime l'eau") et une extrémité non polaire (hydrophobe, "fuit l'eau").

• Phospholipides : Les plus abondants, de forme cylindrique.

  • Tête hydrophile (glycérol, phosphate, groupement variable comme la choline).

  • Deux chaînes hydroph

obes (acides gras de 14-24 carbones) liées au glycérol. Une chaîne est souvent insaturée (double liaison-cis, coude), l'autre saturée (rectiligne).

• Formation des membranes :

  • Les molécules amphiphiles placées dans l'eau peuvent former spontanément des micelles (forme conique) ou une bicouche lipidique (forme cylindrique des phospholipides) grâce à l'effet hydrophobe.

  • La bicouche se referme sur elle-même pour éviter les bords hydrophobes exposés à l'eau, formant des vésicules sphériques (ex: liposomes).

  • Feuillet E (extérieur) et P (protoplasmique/intérieur).

Propriétés de la Bicouche Lipidique

• Autoréparation : Capacité à se refermer rapidement après une petite lésion.

• Bourgeonnement et fusion : Les membranes peuvent bourgeonner (former de nouveaux compartiments) ou fusionner (rassembler des contenus).

• Réparation en cas de lésion étendue : Recrutement de nouveaux constituants membranaires. Forte entrée de calcium () dans le cytoplasme induit la fusion des lysosomes avec la membrane plasmique (exocytose des lysosomes) ; leurs membranes réparent la lésion.

Fluidité Membranaire

Cruciale, déterminée par les mouvements possibles des phospholipides :

1. Déplacement latéral dans le plan de la bicouche.

2. Rotation sur eux-mêmes (autour de leur grand axe).

3. Flexibilité des chaînes hydrophobes (battements dans la zone hydrophobe).

4. Rarement : Basculement d'un feuillet à l'autre ("flip-flop").

• "Flip-flop" : Plus fréquent au RE et à la membrane plasmique, catalysé par des enzymes (scramblases, flippases, floppases).

• Scramblases (RE) : Essentielles pour équilibrer les deux feuillets lors de la synthèse des phospholipides côté cytosolique.

• Flippases et Floppases (membrane plasmique) : Polarisent la composition des phospholipides. Phosphatidylcholine et sphingomyéline abondantes dans le feuillet externe (E) ; phosphatidylsérine et phosphoéthanolamine enrichies dans le feuillet cytosolique (P).

• Perturbation dans cellules cancéreuses/apoptotiques : Perte de cette asymétrie (phosphoéthanolamine exposée en surface des cellules cancéreuses, utilisée comme cible thérapeutique).

Facteurs influençant la fluidité

• Température : Au-dessous d'une certaine température de transition de phase, les molécules sont rigides. Au-dessus, la bicouche est fluide. À 37°C, les membranes des mammifères sont fluides.

• Composition de la bicouche :

  • Cholestérol : Molécule amphiphile intercallée entre phospholipides. À température corporelle, il diminue la fluidité membranaire (restreint les mouvements des chaînes hydrophobes). À basse température, il augmente la fluidité (perturbe l'organisation rigide).

  • Radeaux lipidiques (lipid rafts) : Zones riches en cholestérol, certains lipides (saturés) et protéines spécifiques dans les membranes plasmiques. Impliqués dans la signalisation cellulaire, et interactions avec pathogènes.

  • Glycolipides : Constituants minoritaires, toujours dans le feuillet externe (E) des membranes plasmiques (distribution asymétrique). Synthétisés dans l'appareil de Golgi.

    • Neutres (glucides non chargés) et gangliosides (acide sialique chargé négativement).

    • Rôle dans l'interaction cellule-cellule et avec la matrice extracellulaire.

    • Gangliosides contribuent à la charge négative de surface et à la reconnaissance cellulaire (ex: récepteur de la toxine cholérique).

Modèles Membranaires

• Observation générale : Les membranes ont une épaisseur d'environ 7 nm et une structure trilaminaire ("membrane unitaire") en MET (deux couches externes denses aux électrons, une couche centrale transparente).

• Modèle de Danielli et Davson (années 1930)

: Protéines attachées à la périphérie des membranes, associées aux têtes polaires des phospholipides.

• Lucy et Glauert : Protéines pouvaient traverser la membrane (pores) pour expliquer la perméabilité aux molécules polaires.

• Modèle de la Mosaïque Fluide (Singer et Nicholson, 1972) :

  • Protéeines intégrales enfouies dans la bicouche lipidique, grâce à des acides aminés aux chaînes latérales hydrophobes interagissant avec la région hydrophobe de la bicouche. Les portions hydrophiles sont exposées aux milieux aqueux (intra- ou extracellulaire).

  • Protéines périphériques : Associées aux surfaces membranaires.

  • Protéines intégrales : Traverses la bicouche (transmembranaires). Possèdent deux domaines hydrophiles (intra- et extracellulaire). Souvent sous forme d'hélice (plus rarement tonneaux ).

  • Mobilité latérale des protéines initialement proposée, mais en réalité variable, voire inexistante pour certaines.

Preuves de la Mobilité Protéique

• Cryofracture : Révèle des particules intramembranaires (7,5 nm, protéines intégrales) enchâssées dans les hémi-membranes. Ces particules sont plus denses dans le feuillet P.

• Rotation : Les protéines membranaires intégrales peuvent tourner sur leur axe, mais ne basculent pas d'un feuillet à l'autre.

• Déplacement latéral :

  • Regrouper les protéines intégrales observées par cryofracture dans des conditions de pH différentes.

  • Expérience de Frye et Edidin (1970) : Fusion de cellules humaines et de souris. Marquage des protéines humaines et murines par immunofluorescence. À 0°C, les protéines restent séparées. À 37°C, elles se mélangent après 40 min, prouvant la fluidité membranaire.

  • "Capping" et agrégation : Regroupement de protéines membranaires en réponse à des ligands multivalents, suggérant une mobilité latérale.

  • FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching) : Mesure quantitative de la diffusion latérale. Une protéine de surface fluorescente est marquée. Une zone est décolorée par laser. La vitesse de récupération de la fluorescence dans cette zone (par diffusion des protéines non décolorées) permet de calculer un coefficient de diffusion.

  • Limitation de la mobilité : Interactions des protéines intégrales avec d'autres structures (ex: cytosquelette sous-membranaire) peuvent freiner ou empêcher ces déplacements.

Déformation Membranaire et Transport Vésiculaire

Les molécules peuvent se déplacer d'un compartiment à l'autre par des processus impliquant la déformation des membranes.

• Invagination : Déformation de la membrane vers le cytosol pour former une vésicule (ex: endocytose).

• Tubule membranaire : Déformation allongée si le détachement n'est pas immédiat.

• Éléments permettant la déformation :

  • Modification locale de la composition lipidique (enrichissement, asymétrie).

  • Forme des segments transmembranaires de certaines protéines.

  • Assemblage de protéines transmembranaires en un complexe courbé.

  • Insertion partielle de protéines périphériques dans un feuillet.

  • Association de protéines périphériques en un complexe courbé se "collant" à la membrane.

  • Action du cytosquelette ("pousser" ou "resserrer" des invaginations).

Glycocalyx

"Cell coat" ou glycocalyx : Zone recouvrant la surface des cellules eucaryotes, enrichie en sucres, protégeant les protéines membranaires.

• Composition :

  • Chaînes oligosaccharidiques liées de façon covalente à des glycoprotéines ou glycolipides membranaires.

  • Chaînes polysaccharidiques (glycosaminoglycanes) liées de façon covalente à des protéines intégrales formant des protéoglycanes membranaires.

  • Protéoglycanes sécrétés "absorbés" peuvent aussi faire partie du glycocalyx.

• Visualisation :

  • Microscopie électronique : Colorants denses aux électrons (ex: rouge de ruthénium).

  • Microscopie optique : Lectines (protéines végétales se liant spécifiquement aux glucides) couplées à des marqueurs fluorescents.

• Variabilité : Épaisseur variable selon les types cellulaires (très développé sur les entérocytes).

• Fonctions :

  • Protection mécanique : Épaississement des membranes plasmiques (ex: cellules endothéliales vasculaires).

  • Protection chimique : Contre les enzymes digestives.

  • Reconnaissance cellule-cellule : Les sélectines (lectines animales) reconnaissent les oligosaccharides du glycocalyx pour des liaisons transitoires (reconnaissance ovocyte-spermatozoïde, coagulation sanguine, recirculation des lymphocytes, inflammation).

  • Charge électrostatique négative : Due à la présence d'acide sialique.

  • Liaison et libération de facteurs de croissance.

  • Hébergement d'enzymes (ex: dans l'intestin grêle, enzymes digestives pancréatiques).

Transport Membranaire

La bicouche lipidique est imperméable à la plupart des molécules polaires et ions, mais perméable aux petites molécules et aux molécules hydrophobes.

Diffusion Simple

• Passage de molécules sans intervention de protéines.

• Quantité transportée directement proportionnelle à la différence de concentration.

Transport Transmembranaire Induit par Protéines

Protéines intégrales permettent le passage de molécules polaires et ions.

• Canaux (ou pores) membranaires :

  • Sélectifs.

  • Exclusivement passifs (dans le sens du gradient).

• Transporteurs (ou perméases) membranaires :

  • Fonctionnent de manière passive (diffusion facilitée, dans le sens du gradient) ou active (contre le gradient).

  • Changement conformationnel : Le site de liaison pour une substance est exposé d'un côté puis de l'autre de la bicouche.

  • Transport actif : Nécessite de l'énergie (ATP ou couplage avec le gradient d'une autre substance).

  • Exemples de transporteurs actifs :

    • Pompe Na⁺/K⁺ : Expulse Na⁺, pompe K⁺. ATPase. Responsable de la balance osmotique et du volume cellulaire.

    • Pompes à calcium : ATPases membranaires.

    • Transporteurs régulant le pH cytosolique via le gradient de Na⁺.

  • Transporteurs ABC ("ATP-binding cassette") : Impliqués dans la mucoviscidose et la résistance des cellules cancéreuses/falciparum aux médicaments.

Phénomènes Associés à la Membrane Plasmique

• Propriétés électriques (potentiels d'action dans neurones/muscles).

• Transmission synaptique (récepteurs aux neuromédiateurs).

• Récepteurs aux hormones, facteurs de croissance, cytokines (protéines transmembranaires recevant des signaux de l'environnement).

• Endocytose et exocytose.

Noyau Cellulaire

La principale différence entre cellules eucaryotes et procaryotes est l'emballage de l'ADN cellulaire dans le noyau. Absent des globules rouges matures et des cellules de la couche cornée épidermique chez les mammifères.

Caractéristiques Morphologiques du Noyau

• Forme : Sphérique dans la plupart des cellules ; ovale dans les cellules allongées (entérocytes) ; discoïde dans les cellules aplaties (endothéliales) ; réniforme (monocytes) ; segmenté (polymorphonucléaires).

• Position : Souvent centrale, mais peut être décentrée (plasmocytes, basale dans épithéliales glandulaires) ou périphérique (adipocytes, myocytes squelettiques).

• Dimensions : Peuvent varier entre types cellulaires. Le rapport nucléocytoplasmique reflète le degré de différenciation cellulaire.

• Nombre : Généralement unique. Globules rouges matures en sont dépourvus. Parfois binucléé (hépatocytes). Plurinucléé (syncytium) résultant de la fusion de cytoplasmes (cellules géantes, musculaires squelettiques).

Fonctions Principales

• Stockage et contrôle du matériel génétique (ADN sous forme de chromosomes).

• Lieu des processus d'interphase.

Structures Nucléaires Principales

1. Enveloppe Nucléaire :

   • Isole le contenu du noyau du cytoplasme pendant l'interphase.

   • Formée de deux membranes :

     • Membrane nucléaire externe : Côté cytoplasme, en continuité avec le réticulum endoplasmique, souvent associée à des ribosomes.

     • Membrane nucléaire interne : En contact direct avec la lamina nucléaire (réseau cortical de filaments intermédiaires) servant de support interne.

   • Espace périnucléaire : Espace d'environ 100 nm entre les deux membranes.

   • Lamina nucléaire :

     • Épaisseur 100 nm, réseau de filaments intermédiaires (10 nm) de lamines.

     • Désorganisée durant la mitose (par phosphorylation), essentielle à la reformation de l'enveloppe nucléaire.

     • Laminopathies (rares maladies génétiques, ex: progéria) : Mutations des lamines A et C, causant une lamina déstructurée, lobulation du noyau, perturbation de l'organisation de la chromatine et du processus mitotique.

2. Pores Nucléaires :

   • Ouvertures spécialisées de l'enveloppe nucléaire pour les échanges entre nucléoplasme et cytoplasme.

   • Structures circulaires hautement organisées en MET.

   • Formées de sous-unités protéiques disposées octogonalement (complexe du pore nucléaire - NPC).

   • Côté nucléoplasme : Prolongé par un panier de protéines (Tpr).

   • Granule central : Obstrue partiellement le passage.

   • Diamètre total du complexe : 100 nm ; canal central de 10 nm de diamètre.

   • Échanges :

     • Molécules <10 nm (protéines <40-60 kDa) : Diffusion passive.

     • Molécules >10 nm : Transport actif, nécessite une séquence signal sur les protéines pour l'ouverture du pore.

     • Nucléoporines (Nup) : Glycoprotéines participant au transport des protéines vers le noyau.

     • Protéines Pom : Empêchent l'échange (protéines, phospholipides) entre membranes interne et externe de l'enveloppe nucléaire.

     • Modèle actuel : Pores fermés par un réseau de Nup (gel partiellement hydrophobe) qui laisse diffuser les petites molécules et laisse passer les transporteurs (NTR) partiellement hydrophobes, accompagnés des protéines à importer/exporter.

3. Chromatine :

   • Complexe ADN-protéines dans le noyau.

   • Protéines :

     • Histones : Petites protéines abondantes, très conservées, riches en arginine et lysine (chargées positivement) qui lient l'ADN (chargé négativement).

       • Quatre types (H2A, H2B, H3, H4) : Deux exemplaires de chaque forment le noyau de chaque nucléosome (unité fondamentale de la fibre de chromatine).

       • Nucleosome : Granule de 11 nm autour duquel l'ADN s'enroule sur deux spires.

       • Histone H1 : Se lie à l'enroulement d'ADN autour du nucléosome, connecte les nucléosomes voisins.

       • Régulation : Les histones sont régulées par phosphorylation, acétylation, méthylation.

     • Non-histones : Polypeptides hétérogènes (rôles structural, régulateur, enzymatique).

   • Fibre de chromatine : Diamètre de 30 nm, peut être étirée en fibre d'ADN de 4 nm décorée par les nucléosomes.

   • États de condensation (noyau en interphase) :

     • Hétérochromatine (dense) : Hautement condensée, régions non transcrites du génome.

     • Euchromatine (diffuse) : Conformation dispersée, lieu de la transcription (gènes actifs).

   • Spécificité cellulaire : La disposition de l'hétérochromatine varie selon les types cellulaires, reflétant leurs activités de synthèse, utile pour l'identification.

4. Nucléole :

   • Structure la plus évidente du noyau en interphase (microscope optique).

   • Role principal : Synthèse des ARN ribosomiques et assemblage des sous-unités des ribosomes.

   • Non limité par une membrane.

   • Structure (microscope électronique) :

     • Centres fibrillaires pâles : Transcription de l'ADN nucléolaire.

     • Composants fibrillaires denses : ARN synthétisé s'accumule.

     • Composant granuleux périphérique : Précurseurs des sous-unités ribosomiques en maturation.

   • Dimension : Reflète l'activité. Varie selon le type cellulaire et l'état d'activité (composant granuleux se modifie).

   • Fonctionnement :

     • Transcription du gène ribosomal dans la région fibrillaire, produisant un précurseur ARN 45S.

     • Le 45S est clivé en ARN 5,8S, 18S, 28S.

     • Assemblage des sous-unités ribosomiques dans la région granulaire :

       • Grande sous-unité 60S : ARN 5,8S et 28S + ARN 5S (transcrit hors du nucléole) + ~40 protéines.

       • Petite sous-unité 40S : ARN 18S + ~30 protéines.

     • Les sous-unités matures quittent le noyau via les pores nucléaires, associées à des systèmes "cargo" qui les empêchent de s'associer aux ARNm dans le noyau.

     • Maturation finale (association 40S/60S sur ARNm) a lieu dans le cytoplasme.

Ribosomes

Organites où les acides aminés sont assemblés lors de la synthèse des protéines dans le cytoplasme des cellules eucaryotes.

• Composition : Sous-unités 40S et 60S (issues principalement du nucléole) s'assemblent pour former un ribosome fonctionnel 80S.

• Morphologie : Corpuscules denses aux électrons, diamètre d'environ 30 nm.

• Localisation :

  • Associés à la face cytoplasmique des membranes du réticulum endoplasmique (RE) ou de la membrane externe de l'enveloppe nucléaire.

  • Libres dans le cytosol.

• Fonctionnement : Essentiellement des complexes d'ARN ribosomique et de plus de 80 protéines. La liaison aux membranes dépend de la séquence de la protéine synthétisée.

• Protéines synthétisées par ribosomes liés au RE :

  • Protéines du RE, de l'appareil de Golgi, des lysosomes.

  • Protéines des vésicules de sécrétion.

  • Protéines intégrales des organites mentionnés et de la membrane plasmique.

• Protéines synthétisées par ribosomes libres :

  • Protéines restant dans le cytosol.

  • Protéines destinées aux fonctions du noyau.

  • Protéines importées dans les mitochondries et les peroxysomes.

• Polysomes (polyribosomes) : Groupes de ribosomes liés par une longue molécule d'ARN messager, formant une courbe.

• Ergastoplasme : Régions fortement basophiles du cytoplasme (riches en ribosomes, souvent liés au RE) visibles au microscope optique. Observé dans les cellules glandulaires (pancréas, parotide), plasmocytes, cellules nerveuses (corps de Nissl).

• Processus : ADN nucléaire ARNm (noyau) maturation ARNm (cytoplasme) association avec ribosomes traduction en séquence d'acides aminés (via ARNt).

Réticulum Endoplasmique (RE)

Système cytomembranaire : Ensemble de compartiments intracellulaires délimités par des membranes, résultant de l'augmentation du volume cellulaire et de la nécessité de maintenir les surfaces d'échange.

• Comprend : Enveloppe nucléaire, RE, appareil de Golgi, lysosomes, vésicules de sécrétion, organites d'endocytose, membrane plasmique.

Caractéristiques Générales du RE

• Présent dans toutes les cellules eucaryotes.

• Constitue souvent plus de la moitié des membranes cellulaires.

• Morphologie : Labyrinthe de tubules anastomosés et de saccules aplatis (citernes) s'étendant dans le cytosol. Tous interconnectés, délimitant un espace interne unique (espace cisternal ou lumière du RE).

• Volume : Environ 10% du volume cellulaire.

Réticulum Endoplasmique Rugueux (RER) vs.

Lisse (REL)

• RER : Associé à des ribosomes sur sa face cytoplasmique. En continuité avec la membrane externe de l'enveloppe nucléaire.

• REL : Dépourvu de ribosomes.

• Microsomes : Fragments de RE obtenus après homogénéisation cellulaire. Le fractionnement permet de séparer les vésicules du RER et du REL pour étudier leurs composants (plus de 20 protéines du RER sont absentes du REL).

Fonctions du RER

• Synthèse de protéines : Produit les protéines destinées au système cytomembranaire (RE, Golgi, endosomes, lysosomes, membrane plasmique) ou à la sécrétion.

• Élément de transition : Région souvent contiguë au REL, où le RE bourgeonne pour former des vésicules de transport vers l'appareil de Golgi.

Fonctions du REL

• Synthèse des lipides membranaires : Phospholipides, cholestérol, céramides (surtout dans le REL).

• Stockage du calcium () : Capte et stocke du cytosol via transporteurs ATP-dépendants. La libération et recapture rapide du est cruciale pour les réponses cellulaires rapides (ex: contraction musculaire dans le réticulum sarcoplasmique).

• Détoxication des médicaments (hépatocytes, via cytochrome P450).

• Formation des acides gras insaturés (hépatocytes, via cytochrome b5).

Synthèse et Incorporation des Protéines dans le RE

• Protéines destinées au système cytomembranaire/sécrétées :

  • Possèdent une séquence signal hydrophobe à leur extrémité amino-terminale.

  • Dès la traduction de l'ARNm, la particule de reconnaissance du signal (PRS) se lie à cette séquence signal et au ribosome, stoppant temporairement la traduction.

  • Le complexe PRS-ribosome-ARNm se lie à un récepteur spécifique de la PRS dans la membrane du RE.

  • Un récepteur du ribosome (ribophorine), associé à un canal transmembranaire (translocon), ancre le ribosome à la membrane du RE. La PRS se détache.

  • La synthèse de la protéine reprend, traversant la membrane du RE via le translocon.

  • Le peptide signal reste ancré dans la membrane et est clivé par une peptidase du signal si la protéine n'est pas transmembranaire.

• Repliement des protéines : Dès l'entrée dans la lumière du RE, des protéines "chaperones" aident au repliement adéquat et à la formation des ponts disulfures.

• Insertion des protéines transmembranaires : La translocation s'arrête si une région hydrophobe fait office de signal. Pour les protéines à segments transmembranaires multiples, la translocation peut reprendre.

• Glycosylation (N-glycosylation) : La plupart des protéines synthétisées au RE sont N-glycosylées (ajout d'hydrates de carbone à l'azote amide des résidus asparagine) lors de leur entrée dans la lumière du RE. La glycosylation se poursuit dans l'appareil de Golgi.

Synthèse des Lipides dans le RE

• La synthèse des phospholipides se déroule sur le feuillet P (cytosolique) de la membrane du RE par des enzymes associées à ce feuillet.

• Les scramblases facilitent le passage de certains phospholipides du feuillet P vers l'autre pour équilibrer la bicouche.

• Les flippases créent l'asymétrie de composition des phospholipides dans la membrane plasmique (ex: plus de phosphatidylcholine dans le feuillet E).

• Le cholestérol et les céramides sont aussi synthétisés dans la membrane du RE. Les céramides sont ensuite modifiés dans le Golgi en sphingomyéline et glycosphingolipide.

Appareil de Golgi

Formé d'une série de sacs aplatis (citernes) dé

limitées par une membrane, situé près du noyau, à proximité du centrosome.

Structure

• Dictyosome : Empilement de 4 à 6 citernes (environ 1 µm de diamètre), dilatées à leurs extrémités.

• Nombre de dictyosomes variable. L'ensemble est l'appareil de Golgi.

• Associé à de petites vésicules (transport entre RE et Golgi, et entre citernes du dictyosome).

Compartiments et Fonctions

Chaque dictyosome a un compartiment médian et deux faces distinctes :

1. Face cis (d'entrée) : Associée au "cis-Golgi network" (réseau de tubules et citernes interconnectés).

   • Reçoit les protéines et lipides du RE (via vésicules bourgeonnant des ERES, Endoplasmic Reticulum Exit Sites où se forme le manteau COPII).

   • Les protéines résidentes du RE y sont récupérées et renvoyées sélectivement au RE grâce à un signal de rétention.

   • Les protéines mal repliées/assemblées sont retenues et dégradées dans le RE.

   • Une phosphotransférase y ajoute un groupement phosphate (mannose-6-phosphate, M6P) sur les mannoses des futures hydrolases acides lysosomales, servant de marqueur pour leur adressage.

2. Compartiment médian :

   • Les protéines N-glycosylées du RE y subissent un remaniement de l'oligosaccharide.

   • Addition de résidus galactose, acide sialique, N-acétyle-glucosamine, fucose par des glycosyltransférases membranaires.

   • Ces modifications conduisent à la formation d'oligosaccharides complexes sur les faces non-cytoplasmiques des membranes.

   • Les précurseurs de sucres (sucres nucléotidylés) sont importés.

   • Sulfatation de résidus tyrosine, modification de chaînes oligosaccharidiques O-liées.

3. Face trans (de sortie ou de maturation) : Associée au "trans-Golgi network" (TGN), ou compartiment d'adressage.

   • Les protéines y sont séparées et adressées vers différentes vésicules de transport pour leur destination finale : membrane plasmique, lysosomes ou vésicules de sécrétion régulée.

   • Clivage protéolytique de certains propeptides (ex: proinsuline en insuline).

Rôle de la Glycosylation

• Processus complexe nécessitant une enzyme différente pour chaque étape.

• Caractéristique des cellules eucaryotes.

• Fonctions supposées :

  • Protéger les glycoprotéines contre la digestion par les protéases.

  • Rôle dans l'adhésion cellule-cellule (via sélectines).

  • Reconnaissance des chaînes oligosaccharidiques des protéines solubles par des récepteurs de transport pour leur internalisation.

• Défauts de glycosylation : Les maladies congénitales de glycosylation (mutations de glycosyltransférases ou transporteurs de précurseurs sucrés) entraînent des retards de développement mental et moteur, convulsions, problèmes gastro-intestinaux et de coagulation.

Transport Vésiculaire

Mécanisme principal de transport entre compartiments membranaires (le second étant la fusion directe des compartiments).

• Processus : Bourgeonnement d'une vésicule à partir d'un compartiment donneur, détachement, puis fusion avec le compartiment cible.

• Contenu : La vésicule empaquette spécifiquement certains éléments du compartiment donneur (composants membranaires ou solubles).

• Manteau protéique : Entoure la vésicule en formation, se détache avant la fusion.

  • Fonctions :

    1. Couche interne (protéines adaptatrices) : Reconnaît et concentre les composants à transporter (cargos). Les protéines adaptatrices reconnaissent des signaux d'adressage (séquences peptidiques) sur les parties cytosoliques des protéines transmembranaires.

    2. Couche externe (grosses protéines formant un réseau) : Contribue à la formation du puits membranaire (première étape du bourgeonnement).

  • Types de manteaux :

    • COPII : Transport du RE vers l'appareil de Golgi. Recruté sur les ERES du RE par protéines adaptatrices (ex: Sec24 qui reconnaît les protéines membranaires et récepteurs liés aux cargos).

    • COPI : Renvoie des cargos (protéines résidentes du RE, protéines mal repliées) du Golgi vers le RE.

    • Clathrine : Endocytose de matériel et ciblage de protéines du TGN vers le système endosomal et lysosomal.

• ERGIC (Endoplasmic Reticulum And Golgi Intermediate Compartment) : Assemblage de vésicules et tubules entre le RE et le cis-Golgi. Sert de relais pour les protéines sortant du RE.

• Système de Reconnaissance Vésicule-Cible (Nobel 2013) :

  • v-SNARE (vésicule) et t-SNARE (cible) : Protéines qui assurent l'amarrage (docking) de la vésicule. Leur enroulement mutuel rapproche les membranes pour la fusion.

  • Famille des Rab et leurs effecteurs : Participent aussi à la reconnaissance et à l'ancrage de la vésicule.

Modèles de Maturation du Golgi

• Maturation des citernes : Les citernes du cis-Golgi se transformeraient progressivement en citernes médianes puis trans, grâce à l'acquisition et perte de composants. La citerne progresse, puis ses composants sont dirigés par des vésicules (clathrine) vers d'autres compartiments. Un transport vésiculaire rétrograde (COPI) renvoie des constituants vers les compartiments précédents pour former de nouveaux trans-Golgi.

• Transport vésiculaire antérograde : Les structures du Golgi sont stables, seuls les cargos voyagent du cis vers le trans par transport vésiculaire antérograde. Le transport rétrograde (COPI) ne ramène que les protéines échappées par erreur.

Lysosomes

Organites de 0,05 à 0,5 µm de diamètre, contenant environ 60 enzymes hydrolytiques (hydrolases acides) responsables de la digestion intracellulaire des macromolécules.

Caractéristiques

• Enzymes : Protéases, nucléases, glycosidases, lipases, phospholipases, sulfatases, phosphatases.

• pH optimal : Nécessitent un environnement acide (pH 4,5-5) pour leur activité.

• Protection du cytosol : La membrane lysosomale isole les hydrolases acides ; le pH cytosolique (>7) est moins favorable à leur activité.

• Fuite d'enzymes : Certaines enzymes lysosomales (cathepsines) peuvent, même à activité réduite, déclencher des réponses cellulaires ou la mort cellulaire en cas de fuite dans le cytosol.

Membrane Lysosomale Spécialisée

• Permet le passage des produits de dégradation (acides aminés, sucres, nucléotides) vers le cytosol pour réutilisation.

• Pompe à protons (vATPase) : Consomme de l'ATP pour maintenir le pH acide dans la lumière.

• Glycosylation des protéines membranaires : Protège contre l'autodigestion par les protéases. En cas de dommage membranaire, l'exposition anormale de ces chaînes oligosaccharidiques vers le cytosol peut déclencher une réparation lysosomale ou son élimination.

Découverte et Hétérogénéité

• Découverts biochimiquement par Christian de Duve (années 1950) via fractionnement subcellulaire.

• Identifiés en MET par cytochimie comme "corps denses péribiliaires" dans le foie.

• Grande hétérogénéité de taille et forme, reflétant leurs diverses fonctions digestives dans le renouvellement cellulaire, la destruction de débris/microorganismes, et la production de nutriments.

Voies d'Arrivée du Matériel aux Lysosomes

Les hydrolases acides arrivent via le RE et le Golgi. Le matériel à digérer arrive par trois voies :

1. Endocytose : Capture de macromolécules extracellulaires par petites vésicules (100-200 nm). La cellule "boit" (pinocytose) des fluides ou ingère des substances spécifiques via récepteurs (endocytose par récepteur).

2. Autophagie : Renouvellement de parties cellulaires inutiles ou endommagées. Les éléments cytoplasmiques sont mis à l'écart puis dégradés.

3. Phagocytose : Propre aux cellules spécialisées (macrophages, polymorphonucléaires neutrophiles). Utilise de grosses vésicules (phagosomes > 1 µm) pour ingérer des particules (microorganismes, débris cellulaires).

• Corps résiduels : Débris non digérés s'accumulent dans les lysosomes, créant un encombrement. Dans les cellules à longue durée de vie, s'accumule le pigment brunâtre lipofuscine (vieillissement).

Endocytose

Mécanisme commun à toutes les cellules eucaryotes pour capter des substances de l'environnement.

• Types :

  • Endocytose fluide (pinocytose) : Capture non spécifique de substances dissoutes dans le liquide extracellulaire lors de l'invagination de la membrane plasmique. Proportionnelle à la concentration extracellulaire.

  • Endocytose par récepteur : Capture spécifique de substances via des récepteurs membranaires, qui concentrent les ligands dans les zones d'invagination ("coated pits").

• Processus général : La membrane plasmique s'invagine, se referme, et se détache en une vésicule de transport. Cette vésicule fusionne avec un endosome précoce, puis le cargo passe par un endosome tardif avant d'atteindre un lysosome.

• Endocytose par Récepteur (Mécanisme détaillé) :

  • Lieux : Les "coated pits" (puits recouverts) : zones de la membrane plasmique avec épaississement sur la surface cytoplasmique, occupant environ 2% de la surface.

  • Clathrine : Protéine formant le "coat" polyédrique caractéristique (triskélion de trois bras).

  • Protéines adaptatrices (ex: AP-2, Dab2) : Recrutées sur les membranes, reconnaissent des séquences spécifiques dans les récepteurs et s'associent à la clathrine.

  • Formation de la "coated vesicle" : Invagination du puits, regroupement des récepteurs liés aux ligands.

  • Une fois dans le cytoplasme, le manteau de clathrine est désassemblé par une enzyme, et la clathrine recyclée.

  • Cavéoles : Invaginations riches en cavéoline, formées à partir de radeaux lipidiques, contribuent aussi à l'endocytose.

  • Macropinocytose : Évaginations de la membrane plasmique ("protrusions") entourent le matériel extracellulaire pour former une grosse vésicule (macropinosome).

• Phagocytose spécialisée : Réservée aux macrophages et polymorphonucléaires neutrophiles (immunité, élimination de cellules sénescentes/endommagées).

  • Les particules (ex: bactéries opsonisées par des anticorps) se lient à la surface du phagocyte via récepteurs (ex: récepteurs Fc).

  • Projection de pseudopodes autour de la particule pour l'engouffrer dans un phagosome (vésicule de grande taille).

  • Le phagosome fusionne avec les lysosomes pour former un phagolysosome où le matériel est digéré. Les membranes internalisées sont recyclées.

Trafic Endosomal

• Endosomes précoces (périphériques) : Reçoivent le contenu des vésicules d'endocytose (1-2 min).

• Endosomes tardifs (périnucléaires) : Localisés près du Golgi/noyau (5-15 min). Souvent des "corps multivésiculaires".

• Acidification : L'intérieur est acidifié (pH ~6) par la vATPase, cruciale pour le décrochage des ligands de leurs récepteurs.

• Recyclage des récepteurs : Vers la surface cellulaire, soit directement depuis un endosome précoce (via un tubule étroit formant une vésicule de recyclage), soit via un endosome de recyclage.

• Matériel non recyclé : Atteint les endosomes tardifs, qui se transforment en lysosomes avec l'apport d'hydrolases acides.

Exemples Cliniques d'Endocytose

• Hypercholestérolémie familiale : Mutation des récepteurs aux LDL (low density lipoprotein) qui transportent le cholestérol. Sans récepteurs fonctionnels ou s'ils ne peuvent rejoindre le "coated pit", l'endocytose des LDL est insuffisante, menant à l'accumulation de cholestérol.

• Récepteur aux LDL : Le complexe LDL-récepteur est dissocié dans l'endosome précoce (pH acide). Le récepteur est recyclé vers la membrane plasmique, et le LDL est transféré aux lysosomes.

• Transferrine : La transferrine (transporteur de fer) et son récepteur sont endocytés. Dans l'endosome acide, le fer est libéré, mais le complexe transferrine-récepteur n'est pas dissocié. Le complexe recyclé vers la surface cellulaire où la transferrine sans fer est relibérée.

• EGF (Epidermal Growth Factor) : Le complexe EGF-récepteur est dégradé dans le lysosome, entraînant une régulation négative du récepteur après stimulation (contrôle de la prolifération cellulaire).

Transcytose

• Voie de transport dans les cellules épithéliales polarisées ou endothéliales.

• Les éléments internalisés ne vont pas aux lysosomes, mais traversent la cellule du pôle apical vers les faces basolatérales, permettant le passage sélectif de substances.

Adressage des Hydrolases Acides aux Lysosomes

• Synthétisées dans le RE, transitent par le Golgi, puis délivrées aux endosomes précoces et tardifs par des vésicules du TGN.

• Marqueur M6P : Dans le cis-Golgi, les hydrolases lysosomales (glycoprotéines) acquièrent des groupements mannose-6-phosphate (M6P).

• Récepteurs du M6P (MPR) : Glycoprotéines transmembranaires dans le TGN (CI-MPR et CD-MPR) et la membrane plasmique (uniquement CI-MPR) qui lient les hydrolases M6P à pH légèrement acide (~6,8).

• Extraction : Dans le TGN, les récepteurs liés aux hydrolases sont extraits par association avec des protéines adaptatrices cytosoliques qui recrutent la clathrine, favorisant le bourgeonnement.

• Trafic : Après désassemblage du manteau de clathrine, les vésicules fusionnent avec les endosomes. Le pH acide des endosomes dissocie les ligands des MPR.

• Recyclage des MPR : Les MPR sont recyclés vers le TGN par le bourgeonnement de vésicules des membranes endosomales (impliquant un complexe protéique, le rétromère). Une phosphatase acide dans les lysosomes retire les signaux M6P des hydrolases, les empêchant de se lier aux MPR.

Exocytose

Sécrétion Constitutive (non régulée)

• Les protéines du TGN sans signal de rétention (Golgi) ni M6P se retrouvent par défaut dans les vésicules qui bourgeonnent continuellement.

• Ces vésicules fusionnent avec la membrane plasmique, libérant leur contenu.

• Concerne les nouvelles protéines et lipides membranaires incorporés à la membrane plasmique, ainsi que de nombreuses protéines sécrétées (ex: matrice extracellulaire).

Sécrétion Régulée

• Hormones (insuline) et neurotransmetteurs.

• Emballés sélectivement et condensés dans des granules de sécrétion immatures qui bourgeonnent du TGN.

• Le précurseur de l'hormone est clivé et stocké dans une vésicule mature.

• Libération du contenu uniquement en réponse à un signal chimique précis (ex: libération d'insuline par les cellules du pancréas).

Exosomes et Microvésicules

• Notion récente de vésicules libérées par les cellules dans le milieu extracellulaire.

• Les exosomes proviennent du bourgeonnement des membranes des corps multivésiculaires (endosomes tardifs).

• Des microvésicules peuvent être libérées par des boursouflures de la surface cellulaire.

• Implication suspectée dans la dissémination métastatique des cellules cancéreuses, ou dans la sécrétion cytocrine de mélanine.

Pathologies Lysosomales

• Maladies de surcharge

lysosomale : Accumulation anormale de matériel dans les lysosomes, menant à leur hypertrophie et altération des fonctions cellulaires.

• Causes :

  • Altérations génétiques affectant une hydrolase lysosomale (ex: syndrome de Hurler, maladie de Tay-Sachs).

  • Inactivation d'un transporteur membranaire (ex: maladie de Salla, accumulation d'acide sialique due à l'inactivation de la sialine).

  • Mutation de la N-acétylglucosamine phosphotransférase (ex: "I-cell disease" ou mucolipidose de type II) : Absence de M6P sur les hydrolases, qui sont sécrétées par défaut, et accumulation de diverses molécules dans les lysosomes.

• Altérations des fonctions lysosomales par structures, substances ou organismes pathogènes :

  • Goutte : Cristaux d'urate de sodium non digérés dans les lysosomes des phagocytes, provoquant leur rupture et une inflammation.

  • Silicose : Particules de silice (non digérables) phagocytées par les macrophages alvéolaires, provoquant leur lyse et la libération d'enzymes lysosomales.

  • Lèpre : Le bacille de Hansen est protégé contre la digestion lysosomale.

  • Tuberculose : Le bacille de Koch bloque la fusion du phagosome avec les lysosomes.

  • Maladies neurodégénératives (Alzheimer, Parkinson) : Accumulation d'agrégats de peptides/protéines mal repliées (peptides amyloïdes , -synucléine) en raison d'un système endolysosomal et d'un processus autophagique déficients.

  • Cancers : Dérégulation du système lysosomal et de l'autophagie favorisant la survie, prolifération et résistance aux traitements des cellules cancéreuses.

Mitochondries

Organites en forme de cylindres allongés, présents dans presque toutes les cellules eucaryotes, occupant une partie substantielle du volume cytoplasmique.

Fonction Principale

• Produire de l'ATP par phosphorylation oxydative.

• Métabolisme du glucose : Au lieu de 2 ATP par glycolyse, l'oxydation du pyruvate dans les mitochondries produit une trentaine d'ATP.

Caractéristiques

• Dimensions : Longueur 1-2 µm, diamètre 0,1-0,5 µm.

• Dynamisme : Organites mobiles, changeant de forme, fusionnant ou se divisant (fission mitochondriale). Chaque mitochondrie double son volume puis se divise.

• Mouvement : Associées aux microtubules, qui déterminent leur direction de mouvement.

• Distribution : Nombreuses entre myofibrilles musculaires, dans les replis membranaires basaux des épithéliums ioniques, autour du flagelle des spermatozoïdes.

Structure

Deux membranes délimitant deux compartiments :

1. Membrane mitochondriale externe :

   • Lisse, en contact avec le cytoplasme.

   • Contient des enzymes et de la porine, une protéine intégrale.

   • Porine : Insérée par les complexes TOM (Translocator of the Outer Membrane) et SAM (Sorting and Assembly Machinery). Forme des canaux hydrophiles laissant passer les molécules <10 kDa.

2. Espace intermembranaire :

   • Entre les deux membranes, étroit.

   • Continu avec le cytoplasme pour les petites molécules (grâce à la porine).

   • Contient des chaperones et des enzymes phosphatases.

3. Membrane mitochondriale interne :

   • Très grande surface due aux multiples replis (crêtes mitochondriales), dont la forme et le nombre varient (lames plates, tubes).

   • Riche en protéines (75%) : Protéines de la chaîne respiratoire, ATP synthase, transporteurs de substrats.

   • Grande proportion de cardiolipine (double phospholipide) rendant la membrane interne imperméable aux ions.

   • Imperméabilité aux ions : Essentielle pour maintenir le gradient électrochimique qui alimente l'ATP synthase.

   • Hérissée sur sa face interne de protrusions ("unités tripartites" ou "particules élémentaires"), responsables de la production d'ATP.

   • ATP synthase : Grand complexe transmembranaire (~500 kDa), formé

d'une tête sphérique (synthèse d'ATP) et d'une base intramembranaire (transport de protons).

• Protéines de la chaîne respiratoire : NADH déshydrogénase, cytochrome b-c1, cytochrome oxydase.

• Transfert d'électrons (par ubiquinone, cytochrome c) le long de la chaîne respiratoire s'accompagne d'un transfert de protons de la matrice vers l'espace intermembranaire, créant un gradient électrochimique.

• Autres protéines : Complexes TIM23, TIM22, OXA (importation de protéines vers la matrice et insertion dans la membrane interne).

• Nombreux transporteurs de métabolites (ATP, phosphate, acides aminés, etc.).

• Matrice mitochondriale :

  • Substance granuleuse avec inclusions.

  • Mélange concentré d'enzymes (oxydation du pyruvate et acides gras, cycle de Krebs).

  • Granules mitochondriaux (50 nm) : Autrefois pensés pour séquestrer le calcium, sont plutôt des phospholipoprotéines.

  • ADN mitochondrial (ADNmt) : Plusieurs copies circulaires double brin, code 13 protéines, 2 ARNr, 22 ARNt. Partiellement autonome.

  • Génome mitochondrial : Structure similaire à celle des bactéries (pas d'histones), code génétique légèrement différent du cytosol.

  • Ribosomes mitochondriaux : Petits corpuscules de 12 nm, spécifiques aux mitochondries.

  • Héritage maternel exclusif de l'ADNmt humain.

Biogenèse des Mitochondries

• Jamais produites de novo, elles résultent de la croissance et division des mitochondries existantes.

• Division : Rapprochement médian de crêtes opposées, fusion des extrémités, étranglement de la membrane externe. Associée à la réplication de l'ADNmt.

• Majorité des protéines : Codées par l'ADN nucléaire, puis importées du cytosol vers l'un des quatre compartiments mitochondriaux par un système d'importation sophistiqué.

• Importance du noyau : Des levures mutantes sans ADNmt fonctionnel ne peuvent pas respirer ("petites" colonies), mais continuent d'importer des protéines nucléaires et de se diviser.

• Fonctions spécialisées : Dépendent de l'importation d'enzymes spécifiques. (ex: cycle de l'urée dans le foie).

• Les mitochondries importent la plupart de leurs phospholipides. Des enzymes mitochondriales peuvent convertir des phospholipides ou produire de la cardiolipine.

Maladies Mitochondriales (Mitochondropathies)

• Causes : Dérégulation d'une ou plusieurs protéines mitochondriales, souvent par mutation génétique (ADNmt ou nucléaire).

• Héritage : Si la mutation est dans l'ADNmt, transmission maternelle.

• Symptômes principaux :

  • Faiblesse musculaire (myopathie, cardiomyopathie) due au besoin énergétique intense des muscles.

  • Neurologiques : Neuropathie héréditaire de Leber, épilepsie, démence, fatigue, troubles spastiques.

  • Diabète (environ 3% des cas).

• Morphologie : Mitochondries gonflées, plus nombreuses ; désorganisation des crêtes (raccourcissement, orientation modifiée, absence).

Peroxysomes

Organites limités par une membrane unique, moins denses aux électrons que les lysosomes, identifiés initialement comme "microbodies". Diamètre entre 0,2 et 1 µm.

Découverte

• Purifiés par de Duve et collaborateurs (1965) à partir de fractions lysosomales.

• Caractérisés par l'absence d'hydrolases acides, la présence d'activités oxydases (ex: urate oxydase) produisant H₂O₂, et d'une catalase capable de détoxifier H₂O₂.

• Nommés "peroxysomes" en raison de l'implication du peroxyde d'hydrogène.

Caractéristiques

• Présents dans presque tous les types cellulaires eucaryotes.

• Composition enzymatique variable selon les types cellulaires.

• Nombre : Centaines dans les cellules métaboliquement actives (hépatocytes du foie). Leur nombre et contenu enzymatique peuvent augmenter (ex: après administration de médicaments hypolipidémiants).

• Cristalloïde : Parfois visible en MET, structure de petits tubules formée par l'urate oxydase (absente chez les primates).

• Contiennent une quarantaine d'enzymes distinctes.

• Ne contiennent ni ADN ni ribosomes.

Fonctions

• -oxydation des acides gras : Fonction partagée avec les mitochondries, mais cruciale pour les acides gras à très longue chaîne dans les peroxysomes. Une déficience (ex: adrénoleukodystrophie) affecte la formation des gaines de myéline.

• Synthèse de plasmalogène : Un phospholipide particulier.

Biogenèse et Importation Protéique

• Importent la plupart de leurs protéines du cytosol via un système sélectif.

• Signal d'importation : Séquence spécifique de trois acides aminés à l'extrémité carboxyle des protéines peroxysomales.

• Peroxine : Protéine dans la membrane du peroxysome qui reconnaît ce signal et transloque les enzymes peroxysomales du cytosol vers la matrice.

• Syndrome de Zellweger : Maladie héréditaire rare due au non-fonctionnement de la peroxine, entraînant des peroxysomes "vides" et de graves anomalies développementales.

• Formation : Les peroxysomes seraient issus de bourgeonnements du RE formant de petites vésicules contenant la protéine de translocation, puis ces vésicules peuvent croître et se diviser comme les mitochondries. Les lipides nécessaires à leur membrane seraient aussi importés.

Hypothèses Évolutives

• Vestige d'un organite ancestral pour le métabolisme de l'oxygène, toxique pour les cellules primitives.

• L'acquisition des mitochondries aurait rendu les peroxysomes en grande partie obsolètes, sauf pour des réactions spécifiques (ex: oxydation des acides gras à très longue chaîne).

Cytosquelette

Système complexe de filaments protéiques disposé en réseau dans le cytoplasme, assurant la forme cellulaire, le mouvement (de la cellule et des organites).

• Triple système : Microfilaments, filaments intermédiaires, microtubules.

• Connexions : Établies entre eux et avec la membrane plasmique par de nombreuses protéines accessoires. Ces protéines contrôlent aussi la polymérisation des sous-unités.

Microfilaments (Actine)

• Diamètre : Environ 7 nm.

• Composition : Polymères d'actine hélicoïdaux en deux brins (actine F, filamenteuse).

• Sous-unités : Actine G (globulaire), protéine de 375 acides aminés avec 4 sites d'attachement et une molécule d'ATP.

• Polarité : Toutes les molécules d'actine sont orientées uniformément, rendant le filament polarisé.

  • Extrémité "moins" (-) : Presque inerte ou croissance lente.

  • Extrémité "plus" (+) : Site de formation rapide du microfilament (polymérisation dynamique).

• Abondance : 10-15% des protéines cellulaires, mais seulement la moitié sous forme d'actine F.

• Visualisation : Pas directement visibles au microscope optique (diamètre trop petit), mais par immunofluorescence.

• Contrôle : La diversité de rôles est contrôlée par de nombreuses protéines de liaison à l'actine, qui régulent la longueur, la stabilité, l'ancrage et la géométrie.

Rôle dans le Mouvement Cellulaire

• Interactions des filaments d'actine avec la myosine (protéine de liaison à l'actine).

• Muscles : Myosine organisée en myofilaments épais interagissant avec les myofilaments fins d'actine.

• Cellules non-musculaires : Moins de myosine, mais interagit avec l'actine pour des mouvements cellulaires spécifiques.

• Régulation de la polymérisation : Protéines comme la thymosine et la profiline séquestrent les sous-unités d'actine G libres.

Cytosquelette Sous-Membranaire

• Composé de protéines comme la spectrine et l'ankyrine (initialement identifiées dans les globules rouges).

• Forme une armature de soutien sur la face cytoplasmique de la membrane plasmique, en lien avec les microfilaments.

• Analogues : Fodrine, dystrophine, occupent le cortex cellulaire.

Protéines de Liaison à l'Actine pour "Cross-linkage"

• -actinine : Attache deux microfilaments voisins en les maintenant à distance (faisceaux contractiles).

• Fimbrine : Solidarise les microfilaments en faisceaux parallèles (microvillosités, filopodes), empêchant l'interaction avec la myosine.

• Filamine : Solidarise deux microfilaments qui se croisent.

Points Focaux et Jonctions Adherens

• Points focaux : Ancrage des cellules à la matrice extracellulaire. Microfilaments en faisceaux connectés aux intégrines (protéines d'adhésion transmembranaires). Protéines d'attachement cytoplasmique : taline, vinculine, -actinine, paxilline.

• Jonctions adherens : Cadhérines (protéines d'adhésion transmembranaires). Protéines d'attachement cytoplasmique : caténines, plakoglobine, -actinine, vinculine.

Inhibiteurs des Microfilaments

• Phalloïdine (toxine d'amanite phalloïde) : Stabilise les microfilaments, empêche leur dépolymérisation.

• Cytochalasines (de moisissures) : Empêchent la polymérisation de l'actine en se liant à l'extrémité plus.

• Effets : Toxiques pour les cellules, perturbent le cytosquelette. Utilisés comme outils expérimentaux : les cytochalasines inhibent la migration cellulaire et la cytokinèse (division du cytoplasme) en télophase, mais pas la division nucléaire (cellules plurinucléées).

Filaments Intermédiaires

• Diamètre : 10 nm (intermédiaire entre microfilaments et microtubules).

• Localisation : Concentrés autour du noyau, se prolongeant vers la périphérie. La lamina nucléaire est formée de filaments intermédiaires.

• Stabilité et Résistance : Structures stables, résistantes, constituant la "charpente" de la cellule. Plus nombreux dans les cellules soumises à des tensions mécaniques.

• Composition : Protéines fibreuses (par opposition aux actine/tubuline globulaires), sans polarité.

  • Kératines : Cellules épithéliales.

  • Protéines des neurofilaments : Cellules nerveuses.

  • Vimentine : Fibroblastes.

  • Protéine fibrillaire acide de la neuroglie : Cellules gliales.

  • Desmine : Cellules musculaires.

  • Lamine : Lamina nucléaire (tous les noyaux).

• Spécificité d'expression : Utilisée en pathologie pour identifier l'origine tissulaire des cellules cancéreuses (métastases) via des anticorps monoclonaux.

Structure

• Protéines fibreuses : Domaine central homologue en bâtonnet.

• Dimérisation : Deux protéines s'enroulent étroitement (coiled-coil).

• Tétramères : Deux dimères s'associent en position antiparallèle.

• Formation du filament : Les tétramères s'alignent pour former le filament en forme de corde (8 tétramères en périphérie).

Domaines Terminaux

• Variables, déterminent la capacité des filaments à s'associer entre eux et avec d'autres composants cellulaires (positionnement, soutien).

• Interactions : Avec les microtubules, la spectrine et le cytosquelette sous-membranaire.

• Cellules épithéliales : Filaments de kératine attachés aux desmosomes (entre cellules) et hémidesmosomes (ancrage à la lame basale).

• Cellules musculaires : Filaments de desmine ancrés sur des jonctions spécialisées.

Particularités

• Pas ubiquistes : Présents seulement chez les animaux pluricellulaires, et pas dans tous les types cellulaires (ex: absents des oligodendrocytes).

• Fonction majeure : Résister aux tensions mécaniques (prouvé par des pathologies cutanées dues à des mutations des kératines, empêchant la formation correcte des filaments).

Microtubules

• Diamètre : 25 nm. Longs cylindres creux.

• Composition : Molécules de tub

uline.

• Tubuline : Hétéro-dimère de tubuline- et tubuline- (chacune ~50 kDa).

• Protofilaments : 13 dimères de tubuline s'alignent en 13 protofilaments formant la paroi.

• Polarité : Les microtubules sont des structures polarisées, avec une alternance de tubulines et le long des protofilaments.

• Dimères : S'associent en doublets ou triplets (partage de 3 protofilaments).

Dynamique des Microtubules

• Structures dynamiques :

  • Extrémité "plus" (+) : Site de croissance rapide.

  • Extrémité "moins" (-) : Perte progressive de sous-unités de tubuline, sauf si stabilisée.

• Stabilité : L'extrémité "moins" est souvent stabilisée par son ancrage au centrosome (centre organisateur des microtubules), près du noyau.

• Instabilité dynamique : Polymérisation et dépolymérisation constantes. Les microtubules ont une demi-vie courte (~10 min) alors que la tubuline a une longue demi-vie.

• Régulation :

  • Hydrolyse du GTP lié à la tubuline-.

  • Stabilisation de l'extrémité "plus" (par "coiffe", ex: kinétochores lors de la mitose).

  • "Maturation" par modifications post-traductionnelles de la tubuline (acétylation, détyrosination de la tubuline-), créant une stabilité accrue par liaison aux PAM.

Protéines Associées aux Microtubules (PAM)

• Rôle double : Stabilisent les microtubules et servent d'intermédiaires pour leurs interactions avec d'autres composants. Grande variété de PAMs.

• Classes :

  • Haut poids moléculaire (200-300 kDa).

  • Protéines tau () (40-60 kDa).

• Structure : Domaine de liaison aux microtubules + second domaine pour interagir avec d'autres composants cellulaires.

• Moteurs : Certaines PAMs sont des "moteurs moléculaires" utilisant l'ATP pour se mouvoir le long des microtubules.

  • Kinésine : Déplace les vésicules de l'extrémité "moins" vers l'extrémité "plus" (ex: du Golgi vers la périphérie cellulaire). Elle "marche" sur les microtubules.

  • Dynéine : Déplace des organites de l'extrémité "plus" vers l'extrémité "moins". Existe sous forme ciliaire et cytoplasmique (dynéine 1).

• Les microtubules sont les "rails", les kinésines et dynéines sont les "locomotives" transportant les organites (mitochondries, lysosomes, vésicules) dans le cytoplasme (important pour les neurones).

• Microtubules stables : Certains microtubules forment des structures cellulaires permanentes.

Centrosome

• Centre organisateur des microtubules (COM). Généralement près du noyau.

• Ultrastructure : Paire de centrioles (orientés à angle droit) et matériel péricentriolaire (amorphe, osmiophile).

• Centrioles : Cylindriques (0,2 x 0,4 µm). Neuf groupes de trois microtubules fusionnés en triplets, orientés obliquement, reliés entre eux.

• Matériel péricentriolaire : Partie fonctionnelle du COM.

• Duplication des centrioles : Séparation des centrioles préexistants, puis formation de nouveaux centrioles perpendiculairement aux originaux. Les nouveaux centrioles maturent.

• Corpuscules basaux (blépharoblastes) : Mêmement structurés que les centrioles, ils servent à l'assemblage de l'axonème des cils vibratiles (situés au pôle apical des épithéliums ciliés).

Cils Vibratiles et Flagelles

• Cils vibratiles : Petits appendices (0,25 µm de diamètre, 5-10 µm de long) émanant de la surface cellulaire. Battements pour mouvoir le fluide ou propulser la cellule. Formés à partir des corpuscules basaux.

  • Localisation : Voies respiratoires (balayent mucus et particules), trompes utérines (progression des ovocytes).

• Flagelles : Sim

ilaires aux cils, mais plus longs (~50 µm). Présents sur les spermatozoïdes (propulsion).

• Axonème : Structure complexe au centre des cils/flagelles, composée de microtubules et protéines pour la production des battements.

  • Disposition : "9+2" – Neuf doublets périphériques autour de deux microtubules centraux complets.

  • Doublets périphériques : Composés d'un tubule A (complet, 13 protofilaments) et un tubule B (incomplet, 11 protofilaments).

  • Protéines associées :

    • Bras de dynéine ciliaire : Deux séries de bras s'étendent du tubule A d'un doublet au tubule B du doublet voisin. ATPase responsable de la mobilité.

    • Nexine : Protéine formant des ponts entre le tubule A d'un doublet et le tubule B du doublet voisin.

    • Manchon central : Entoure la paire centrale de microtubules.

    • Fibres rayonnantes : Connectent chaque tubule A au manchon central.

  • Mouvement : La dynéine (en présence d'ATP) provoque un glissement des doublets. Les liens (nexine, fibres rayonnantes) convertissent ce glissement en courbure du cil/flagelle. Mécanisme finement régulé mais peu compris.

• Pathologies : Mutations des protéines de l'axonème entraînent des spermatozoïdes immobiles et des problèmes respiratoires chroniques (cils incapables d'expulser le mucus).

Migration Cellulaire

• Force motrice : Polymérisation de l'actine et contraction de la myosine à un pôle de la cellule.

• Processus : Un côté s'allonge et s'attache à la matrice extracellulaire (via intégrines). Le côté opposé se détache (réorganisation de l'actine par la myosine). Le site d'attachement devient un point focal.

Organites Particuliers et Interactions

Gouttelettes Lipidiques

• Stockent l'excès de lipides (triacylglycérols, esters de cholestérol).

• Entourées d'une monocouche phospholipidique.

• Servent de réserves (synthèse de membranes, source d'énergie).

• Abondantes dans les adipocytes (graisse blanche : énorme gouttelette ; graisse brune : multitude de gouttelettes).

• Présentes dans d'autres cellules, leur taille et nombre variant avec l'état métabolique.

• Surface : Diverses protéines (dont des enzymes du métabolisme lipidique) y sont associées.

Protéasome

Impliqué dans la dégradation des protéines mal repliées ou mal assemblées "éjectées" du RE, évitant leur entrée dans la voie de sécrétion.

• Structure : Cylindre central creux (cœur 20S) avec sites actifs de dégradation protéolytique.

• Extrémités : Associées à des complexes "chapeaux" 19S.

• Fonctionnement : Les protéines cibles passent (dépliées) à travers le chapeau dans le cylindre pour être dégradées.

Interactions entre Organites : Zones de Contact

Les organites ne fonctionnent pas de manière isolée ; des interactions physiques régulent des processus essentiels.

• RE et membrane plasmique (MP) :

  • Rapprochement intense (sans fusion) jusqu'à 10 nm, permettant des échanges de signaux.

  • Rôle dans la régulation des flux de calcium : Les canaux de de la MP (répondant aux signaux) sont concentrés aux sites de contact RE-MP, permettant une libération rapide de du RE (nécessaire à la contraction musculaire).

• Endosomes et RE :

  • Contribuent à stopper l'action de certains récepteurs de signalisation (ex: EGFR, récepteur au facteur de croissance épidermique).

  • L'EGFR active une cascade de signalisation pour la prolifération cellulaire. Une inactivation est nécessaire.

  • Les sites de contact favorisent l'inactivation de l'EGFR par déphosphorylation via une phosphatase du RE.

• RE et Mitochondries :

  • Le RE peut s'enrouler autour d'une mitochondrie, initiant sa fission.

  • Impliqués dans le transfert de lipides entre ces compartiments.

• Lysosomes et Peroxysomes : Zones de contact favoriseraient le transport de cholestérol.

• Lysosomes et RE : Facilitent l'échange de lipides.