des cours de bio cell

هذه عبارة عن مجموعة من المحاضرات المتعلقة بمقياس Biologie cellulaire

Organisation cellulaire

Contrairement à ce que l'on pense, les cellules ne sont pas toutes construites sur le même schéma. Bien sûr, elles se ressemblent, elles sont toute constitué d'un cytoplasme entouré d'une membrane, contiennent un génome à base d'ADN et les même règles physiologiques peuvent dans la plupart des cas, s'appliquer à toutes. Mais au delà de ces ressemblances, il existe des différences fondamentales. Il ne s'agit pas de simples différences morphologique, mais des architectures cellulaires fondamentalement différentes. Ces différences permettent de différencier deux types de base d'organisation cellulaires et trois grandes branches dans l'arbre généalogique de la vie. Ces types sont disjoints, il n'y a aucun intermédiaires entre eux.
Les domaines du vivant

Les scientifiques du passé avaient divisé le monde en 3 règnes : animal, végetal et minéral. Cette description, basée sur ce qui était visible à l'oeil nu était inexacte parce qu'elle oubliait tout un pan de la vie tout en lui reliant le monde non-vivant. La découverte des cellules au XVIIeme sciecle puis celle des organismes unicellulaires ne va pas modifier cet état de chose; en se basant sur l'autotrophie et l'hétérotrophie de ces organismes unicellulaires, ils seront répartis entre végétaux et animaux. C'est ainsi que les bactéries sont classées dans les végétaux.
En 1866, Haeckel estime que cette répartition est inadaptée, il regroupe les unicellulaires dans un nouveau regne, les protistes. La decouverte du microscope électronique au debut du sciecle va permettre de découvrir la différence fondamentale entre les bactéries et les autres cellules. Cela abouti en 1938 à la séparation du règne des monères (ou procaryote) depuis les protistes par Copeland. En 1969, Whittaker sépare les champignon des végétaux et crée le régne des fongidés. 9 ans plus tard, avec Margulis, il effectue un ultime remaniement de la classification en séparant les algues pluricellulaires des végétaux et en les regroupant avec les protistes. L'ensemble est renommé proctociste.
Dans les années 70, le monde vivant comportait donc deux grands types cellulaires, les procaryotes et les eucaryotes, le second ayant connu une évolution variée lui ayant permis de générer 4 régnes alors que les procaryotes semblaient moins diversifiés. Plus récemment, les progrés de la biologie moléculaire vont permettre d'effectuer une nouvelle découverte. Les procaryotes peuvent être divisée en deux groupes cellulaires aussi fondamentalement différents que le sont les bactéries des eucaryotes : les eubactéries et les archéobactéries. Cette decouverte abouti à la proposition par Woese en 1990 d'une division du monde vivant en 3 domaines basés sur la structure cellulaire: eubactéries, archéobactéries et eucaryotes.
Les eucaryotes

Les Eucaryotes sont les cellules qui constituent tout l'environnement que nous voyons, les plantes, les animaux et champignons ainsi que divers espèces unicellulaires tels que les amibes ou les paramécies. Ils sont caractérisées par la présence d'organites, sortes d'organes intracellulaire. Parmi eux, un organite est toujours présent : le noyau, qui contient l'information génétique de la cellule. Il est d'ailleurs à l'origine du nom de ce type (eucaryote = vrai noyau en latin). La structure génétique de ces cellules est constituée de plusieurs brins linéaire d'ADN (les chromosomes) et par des gènes en "mosaique", c'est à dire que les zones codantes du gène sont découpées en morceaux qui sont séparés par des zones non codantes.
Les originalités des eucaryotes ne se limitent pas à des considérations génétiques. Celles-ci sont souvent de grande taille, ce qui les fragilise et diminue leur surface d'échange avec le milieu extérieur. Mais surtout, elles vont développer un cytosquelette, sorte de charpente intracellulaire mobile qui va permettre à la fois de se rigidifier (et de compenser leur fragilité) et de se déformer de façon contrôlée, phénomène qui est à l'origine du mouvement des animaux, mais aussi des cellules phagocytaire et qui est donc directement responsable de la grande variété des formes animales qui existent.
Les procaryotes

Par opposition, les procaryotes sont les cellules sans noyau. Ces cellules sont de petites tailles et sans organites intracellulaires. Leur matériel est constitué d'un unique chromosome circulaire et de divers morceaux d'ADN également circulaires mais beaucoup plus petit et en nombres variables (meme entre les individus d'une meme espèce, voire à des moments différents de la vie d'un meme individu) , les plasmides. En effet, alors que le chromosome se duplique de façon synchronisée avec la division cellulaire, les plasmides se repliquent de façon indépendante et sont répartis au hasard entre les deux cellules filles lors d'une division. De plus, certains plasmides ont la capacité de s'intégrer provisoirement au chromosome. Enfin, ces cellules ne contiennent pas de cytosquelette. Elles sont en général rigidifiées par un revetement externe et sont indeformables sauf chez les plus petites espèces). La structure des gènes différe également de ceux des eucaryotes, chez les procaryotes, ils sont continus et plusieurs d'entre eux sont regroupés au sein d'un meme ensemble fonctionnel, l'operon.
Eubactéries et archéobactéries

Pendant longtemps, procaryote a été synonyme de bactérie, jusqu'à la découverte en 1990 d'un type cellulaire nouveau, de toute évidence procaryote, mais qui ne sont pas des bactéries. Les bactéries ont donc été renommées eubactéries (vrai bactéries) et ce nouveau type cellulaire archéobactérie. Ces dernières partagent avec les eubactéries la possession d'un chromosome circulaire unique et l'absence de cytosquelette. Mais elles comportent aussi des caractères eucaoryotes tels que les gènes en mosaique et une structure génétique semblable. Ces caractèristiques intermédiaires les ont fait considerer comme les ancetres des deux groupes. Toutefois, elles disposent de particularités originales, leur membrane notamment est constitituée de lipides retrouvés nulle part ailleurs dans le monde vivant. La principale caractéristique des archeobactéries, à l'origine de leur popularité, est leur capacité a survivre dans les milieux extrèmes : eaux trés acides (pH < 1) ou très salées (mer morte) ou très chaude ( > 120°C) ou très froides ( < 0°C), bien que la plupart d'entre elles vivent dans des milieu plus cléments.
Les procaryotes

Morphologie des prokaryotes
Aspect général des procaryotes

Selon leur aspect les bactéries peuvent être regroupées en plusieurs catégories. Ces catégories sont purement descriptives et ont peu à voir avec la phylogénie de ce groupe.
Les cocci

Les cocci sont des bactéries rondes. Ces bactéries peuvent vivre de façon isolée mais elles sont en général regroupées en structures pseudo-pluricellulaires. A chaque division, les cellules filles restent collées. Selon les cas, on peut obtenir trois types de structures :
Les diplocoques : les cellules sont regroupées deux par deux.
Les streptocoques : les cellules forment une chaine linéaire.
Les staphylocoques : les cellules forment une petite grappe.
Les bacilles

Les bacilles sont des bactéries allongées. Elles vivent en général solitaires mais peuvent à l'occasion se regrouper en structure pseudo-pluricellulaires. Par leur morphologie on distingue deux groupes :
Les bacilles sont des cellules allongées droites.
Les vibrions sont des cellules incurvées.
Les spirilles

Les spirilles sont les plus étranges des bactéries. Elles ont en effet une forme hélicoidale.








Structure interne des procaryotes

Les membranes







Les bactéries possèdent toutes une membrane plasmique qui les entoure qui est constituée comme toutes les membranes biologiques
d'une bicouche lipidique. Elles ne possèdent cependant pas de membranes intra-cytoplasmiques comme les eucaryotes et les fonctions dévolues à ces dernières sont toutes assumées par la membrane plasmique : membranes nucléaire, du réticulum et même des organites.
La membrane plasmique est entourée d'une paroi pectocellulosique, perméable mais néanmoins très rigide qui lui permet de résister à des pressions osmotiques du cytoplasme très élevée, supérieure à 5 atmosphères, sans exploser.
Certaines bactéries possèdent une seconde biomembrane qui entoure la paroi. Cette membrane permet de distinguer les bactéries Gram - (du nom du biologiste qui a mis le test au point) qui la possède des Gram + qui ne l'ont pas. Cette biomembrane est constituée comme la membrane plasmique d'une bicouche lipidique, mais les acides gras et les protéines constitutives en sont très différentes.
Le matériel génétique

Le matériel génétique est constitué d'un unique chromosome circulaire qui baigne dans le cytoplasme. Il est replié en longues boucles dont la base est reliée à un ensemble protéique, le core. Ce dernier est lui même fixé à la membrane plasmique et empêche donc l'ADN de se déplacer librement dans le cytoplasme.
La duplication du chromosome est reliée à la multiplication cellulaire, c'est à dire qu'il ne se duplique que quand la cellule se divise et inversement. Dans les deux cellules filles, le chromosome est identique.
A côté de ce chromosome, il existe de petits éléments d'ADN circulaire en nombres variables : les plasmides. Contrairement au chromosome, ces plasmides ne sont pas indispensables à la vie de la cellule. Ils portent toutefois quelques gènes intéressants, comme une résistance aux antibiotiques. Ils peuvent aussi dans certains cas s'integrer de façon réversible au chromosome.
La multiplication des plasmides est indépendante de celle de la cellule et du chromosome. Ils peuvent se dupliquer sans division cellulaire et en cas de division ils sont répartis au hasard entre les deux cellules filles.
Le cytoplasme

Le cytoplasme des bactéries remplit toutes les fonctions remplies par le cytoplasme des eucaryotes, mais aussi par le nucléoplasme (milieu intranucléaire) ou le stroma des organites. Comme chez les eucaryotes, les principales réactions du métabolisme et la synthèse des protéines intracellulaire s'y déroulent. Mais il assure aussi la duplication de l'ADN et la synthèse d'ARN (fonctions du noyau), la synthèse des protéines extracellulaires (fonction du réticulum endoplasmique granuleux), la respiration (fonction des mitochondries), la photosynthèse (fonction des chloroplastes), etc...
Ce mélange des fonctions dans un seul endroit fait que des évènements disjoints dans le temps et l'espace chez les eucaryotes sont simultanée chez les procaryotes. Il en est ainsi de la synthèse des protéine qui débute alors même que la synthèse de l'ARN messager correspondant n'est pas encore totalement terminée.



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Le flagelle

Le flagelle est l'organe qui assure le déplacement de la cellule. Toutes les bactéries n'en possèdent pas et les cocci en sont dépourvu. Le flagelle a une morphologie différente de celui des eucaryotes, il est plus simple, son fonctionnement est plus rustique. Il est constitué d'une protéine, la flagelline. Il est ancrée dans la membrane par une protéine motrice (c'est à dire capable de générer de l'énergie mécanique à partir d'énergie chimique. Ce moteur peut tourner sous l'action du gradient de pH qui existe entre l'intérieur et
l'extérieur de la cellule. Chaque ion H+ qui entre dans la cellule fait tourner le moteur d'une fraction de tour. Pour faire un tour complet il faut un nombre d'ion bien connu des informaticiens : 256 ions H+.
Le moteur peut tourner dans les deux sens, mais l'effet n'est pas le même. Dans un sens il propulse la cellule, dans l'autre il la fait tourner. Ce système permet à la cellule de se diriger d'une façon certe primitive mais néanmoins efficace.

La reproduction des procaryotes



Les procaryotes se multiplient de la même façon que toutes les cellules vivantes, par croissance puis division cellulaires. Contrairement aux eucaryotes ou cette croissance est scrupuleusement régulée, elle est continue chez les procaryotes. Les cellules se multiplient tant que les conditions sont favorables. Quand les conditions deviennent défavorables, les cellules meurent ou pour quelques rares groupes forment des spores extremements résistants qui attendront que les conditions redeviennent favorables.
La division cellulaire.

Lors de la division cellulaire, la cellule croit en volume, puis quand elle atteind une taille suffisante, elle se coupe en deux cellules filles, les constituants étant réparties entre les deux. L'ADN chromosomique est un cas particulier puisqu'il est copié pendant la phase de croissance, chaque cellule fille en recevant une copie. Sa synthèse est continue, elle commence dès que la cellule nait et se termine avec la division suivante.
L'ADN est constitué de deux brins enroulés en double hélice. Les bases azotées qui constituent ces brins sont complémentaires. Une base A est toujours associée à une base T et G avec C. Lors de la duplication de l'ADN, les deux brins se séparent. Le brin compléntaire de chacun est synthétisé en prenant la base complémentaire de celle présente sur le brin conservé. Les molécules d'ADN résultantes sont constituées chacune d'un brin provenant de la molécule mère et ayant servi de moule et d'un brin néosynthétisé. Une telle replication est dite semi-conservative.
La duplication de l'ADN est sous le contrôle d'une protéine complexe, l'ADN réplicase. Cette protéine effectue toutes les opérations, séparation des deux brins mère (brins noirs ci dessous) et synthèse des brins complémentaires (brins bleus). Elle parcours un brin à partir d'un endroit precis appelé point d'initiation. Deux réplicases parcourent l'ADN en sens opposé à partir de ce même point. Avant la replicase, on a une seule molécule d'ADN, deux après son passage. A l'endroit où se trouve la réplicase, l'ADN à l'aspect d'un Y, ce Y est appelé fourche de replication. Quand les deux réplicases ont fait le tour de l'ADN, les deux brins deviennent indépendant, la cellule est prète à se diviser.
Les choses sont toutefois loin d'être aussi simple. Tout d'abord, la replicase ne peut pas se fixer à l'ADN et le dupliquer comme ça. Elle ne peut que prolonger un brin d'ADN déjà existant. Or quand la réplicase commence son travail, il n'y a aucun brin à prolonger. Il faut donc construire une amorce qui permettra à l'ADN replicase de démarrer. Les seules protéines de l'organisme capable de construire une chaine nucléique à partir d'une matrice sans brin amorce sont les ARN synthétase (en fait, elles utilisent un brin d'ARN amorce, mais il est inclus dans la protéine même). Une ARN synthétase va donc construire cette amorce d'ARN (en rouge) dont l'ADN replicase va se servir comme point de départ de sa synthèse. A la fin de la synthèse de l'ADN, ce morceau d'ARN au début de la chaine d'ADN sera excisé et remplacé par les protéines de réparation de l'ADN, il n'y a plus alors de problème puisque le chromosome étant circulaire, les protéine peuvent se servir de ce qui précède pour élonguer l'ADN.

Le second problème concerne le sens de travail de l'ADN replicase. Elle ne peux en parcourir l'ADN que dans un seul sens, nommé 5' -> 3'. Or les deux brins sont disposés de façon antiparallèles. L'un des brins est donc orienté dans le bon sens pour l'enzyme (brin du haut), mais l'autre l'est dans le mauvais, elle ne peut donc pas le dupliquer directement. La solution que les bactéries ont mis en place consiste à faire avancer la replicase dans le bon sens le long du brin correctement orienté pendant quelques milliers de paires de base, puis une seconde ADN replicase entre en jeu, un brin d'ARN amorce est mis en place et l'ADN est synthétisé à contre sens par l'ARN réplicase, jusqu'à ce qu'elle rencontre l'amorce ARN du fragment précédent. On obtient donc une synthèse différente pour les deux brins de la molécule d'ADN. Un brin est synthétisé en continu dans le sens normal de lecture de l'ADN, l'autre brin est en apparence synthétisé dans le même sens, donc en sens contraire du sens normal de lecture, mais en réalité sa synthèse est le










résultat de plusieurs courtes synthèse qui s'initient successivement dans le même sens que l'autre brin mais s'exécutent dans l'autre sens, correct pour l'ADN réplicase. En fin de synthèse, le second brin est constitué de multiples fragmenst d'ADN séparés par de courts fragments d'ARN. Chaque fragment d'ADN est appelé fragment d'Okazaki (brin du bas). Comme pour le premier brin les morceaux d'ARN sont remplacés par de l'ADN par les mécanismes de réparation de l'ADN.
La conjugaison

Les cellules procaryotes n'ont pas de sexualité dans le sens cellulaire du terme, c'est à dire la création d'un nouveau génome par la réunion de deux demi génomes parentaux. Ils ont toutefois un mécanisme qui lui ressemble de loin que certains microbiologiste ont assimilé à une sexualité primitive : la conjugaison. Certains procaryotes possèdent un plasmide particulier, le plasmide F. Celui possède la faculté de pouvoir se dupliquer, la copie étant transmise à une autre cellule procaryote de la même espèce qui ne possède pas ce plasmide. Dans les faits, deux cellules s'approchent, une petite excroissante est émise par la cellule qui porte le plasmide F (appelée cellule de type F) et rejoint la seconde cellule, établissant un pont cytoplasmique entre elle. Le plasmide est alors dupliqué et la copie passe le pont au fûr et à mesure de sa synthèse. La nouvelle cellule devient a son tour de type F.
Toutefois, le plasmide F peut s'integrer au chromosome cellulaire, c'est alors le chromosome dans sa totalité qui est transmis à la seconde cellule. La cellule receveuse qui reçoie la copie peut alors effectuer des recombinaisons avec son propre chromosome en contruisant un nouveau chromosome hybride constitué d'éléments du sien et de la cellule donneuse. Dans ce cas, le plasmide F est transmis en tant qu'élément du chromosome et ne sera pas obligatoirement intégré au nouveau chromosome, la receveuse ne deviens pas forcément de type F.
Dans le second cas, il y a bien eu recombinaison de deux génome pour former un nouveau génome, cela ressemble donc à la sexualité des eucaryotes, mais sans formation de gamètes. Il n'y a pas fusion de deux cellules par fécondation mais transformation partielle d'une cellule par une autre.


Illustrations
Bacille en division. Image de synthèse. Copyright 2000L. Delépine
Duplication de la molécule d'ADN. Les brins d'ADN mère sont en noir, les brins néosynthétisés sont en bleu. Les zones rouges représentent les amorces en ARN. La chaine supérieure est synthétisée en une seule fois dans le sens 5'->3' alors que la chaine inférieure l'est par fragments d'Okazaki dans le sens inverse. Copyright 2000 L. Delépine
Conjugaison entre bacteries La bactérie supérieure en bleu emet un prolongement cytoplasmique vers la bactérie inférieure. Ce prolongement servira à transférer un fragment d'ADN de la cellule verte vers la bleue. Image de synthèse
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La synthèse des protéines chez les procaryotes




La synthèse des protéines chez les procaryotes a été très étudiée, car elle reprend dans les grandes lignes les mécanismes développés chez les eucaryotes et chez l'homme, mais de façon beaucoup plus simple. C'est grace aux bactéries que la biologie moléculaire a pu faire d'aussi grand progrès aujourd'hui.
La strcuture d'une protéine est entièrement determinée par la séquence en acide aminée qui la constitue. Pour synthetiser une protéine, la cellule doit donc assembler les acides aminés dans un ordre exact défini pour chaque protéine. La séquence en acide aminée est codée dans la molécule d'ADN qui constitue la mémoire de la cellule. Il existe dans la nature 20 acides aminés, mais seulement 4 bases nucléiques. Tout le problème consiste donc à transformer un code à quatre éléments en une structure linéaire à 20 éléments. Cette prouesse est réalisée dans toutes les cellules en 2 étapes appelées respectivement transcription et traduction, que nous allons détailler maintenant après avoir défini auparavant ce qu'est un gène.
Avant de continuer, je doit signaler que l'ADN ne synthètise pas les protéines, il ne fait que coder l'information nécessaire. La synthèse est effectuée par tout un mécanisme enzymatique à partir des informations portées par la molécules.

Le gène

L'ADN de la cellule est une molécule linéaire constituée d'un enchainement de bases nucléiques dans un ordre précis. Cette molécule, généralement unique chez les procaryotes, est capable de coder les informations nécessaires pour synthétiser plusieurs milliers de protéines différentes. Le code de ces protéine est donc disposé bout à bout sur la molécule d'ADN. Ce qui implique que l'ADN est divisé en zone, chacune correspondant à une protéine précise. Ces zones sont appelée gène. L'ADN peut ainsi être assimilé à une bande magnétique qui comporte plusieurs fichiers à la suite l'un de l'autre.
Il ne suffit pas pour synthétiser une protéine, d'avoir une molécule d'ADN. Puisque une molécule d'ADN peut coder plusieurs protéines, il faut savoir où chacune commence et où elle finit. Il faut aussi que la protéine soit synthétisée quand il faut mais pas de façon inutile. Toutes ces informations sont codées sous forme de séquence de base à l'intérieur de la molécule d'ADN. Le gène apparait donc comme une véritable fiche technique qui indique non seulement la composition de la protéine, les conditions dans lesquelles elle doit être synthétisée et où elle doit être utilisée. Souvent, ces informations de régulation prennent plus de place dans le gène que la composition de la protéine elle même.
Nous avons vu plus haut que la molécule d'ADN est constituée de deux brins complémentaires. Des expériences ont montrés que le gène est porté par un seul des deux brins. L'autre brins ne comporte aucune information, si ce n'est qu'il permet par complémentarité de resynthétiser le premier brin. Cette règle est respectée par l'ensemble des êtres vivants sauf chez les virus à ADN chez qui le génome extrémement réduit oblige à choisir leur séquence protéique de façon à utiliser les deux brins de la molécule d'ADN. D'autre part, le brin traduit en protéine est lu dans un sens bien précis, dans le sens 5' -> 3'. Ces informations de régulation sont rassemblées dans une zone qui précéde le gène et qui est appelée








promoteur. Le promoteur est caractérisé par des séquences consensus, c'est à dire des séquences de nucléotides qui ne sont pas toutes identiques d'un promoteur à un autre mais qui ressemblent, à l'exception d'un ou deux nucléotides, à une séquence moyenne (consensus) appelée boite. Il existe deux boites, la boite CAAT et la boite TATA, ainsi nommées en fonction de la séquence consensus qui les caractérise.
Une particularité dun génome des procaryotes est l'organisation des gènes en opérons. Plusieurs sont disposés à la suite sur le brin d'ADN et tous sont contrôlés par la même zone de régulation. Tous ces gènes seront transcris sur le même ARN message et seront traduit en protéines. Cela est un moyen simple, mis en place par les procaryotes pour assurer la synthèse coordonnées de protéines dépendantes. On trouve ainsi dans un opéron une enzyme et ses facteurs de régulation, les enzymes spécifiques d'une voie métabolique, etc... Les eucaryotes ne possèdent pas d'opérons, ils ont d'autres systèmes plus complexes, mais autrement plus performants.

La transcription

La molécule d'ADN est unique dans l'organisme. Ceci a deux implications : tous mécanisme qui risque d'endommager l'ADN detruirait automatiquemnt le gène en cours de traduction et la quantité de protéines qu'il est possible de synthétiser par unité de temps est réduite. Ces difficultés ont été tournée par les cellules en n'effectuant pas la traduction directement depuis l'ADN mais se servant de celui-ci pour créer plusieurs copies de travail qui elles servivont à synthétiser les protéines.
La première étape de la synthèse protéique est donc la synthèse d'une copie de la partie utile du gène. La molécule synthétisée n'est toutefois pas de l'ADN mais de l'ARN. Elle diffère de l'ADN par trois particularités :/ [/IMG] Enfin, la molécule d'ADN est monocatenaire, c'est à dire, constituée d'un seul brin.
L'ARN qui servira de matrice est appelé ARN messager, car il porte le message sur la structure de la protéine. Il est différent pour chaque protéine synthétisé. On peut noter trois particularités de cet ARN qui différe de celui des eucaryotes, d'une part sur une molécule d'ARN, le gène est en un seul morceau (ce détail sera approndi lors de l'etude des gènes fragmenté des eucoaryotes), d'autre part, un ARN peut porter plusieur gènes; au sein d'un opéron, enfin, un même gène ne peut coder pour qu'une seule protéine, alors que les eucaryotes par le mécanisme de l'épissage peuvent coder plusieurs protéines par un même gène.
L'ARN messager n'est toutefois pas le seul ARN synthétisé par la cellule à partir de l'ADN. On trouve deux autres types qui sont aussi codés par des gènes de l'ADN, mais ne seront pas traduits en protéines : l'ARN ribosomal, qui intervient dans la machinerie de la synthèse protéique et l'ARN de transfert qui participe à la reconnaissance des acides aminés. Ces deux types sont communs à toutes les protéines synthétisées.
La synthèse de l'ARN fait intervenir un ensemble protéique très complexe, la RNA synthétase. La première étape de la transcription est la reconnaissance du gène à transcrire. Cette étape fait intervenir des mécanismes variés qui dépendent de la protéine à transcrire, mais qui tous reposent sur le principe d'une protéine spécifique du ou des gène à transcrire, qui se fixe en un endroit précis de l'ADN, située dans le promoteur. Cette protéine va servir de point d'ancrage au système RNA synthétase, cette phase n'ayant lieu naturellement que si les deux boites CAAT et TATA sont présentes. Ce complexe va parcourir la molcéule d'ADN pour la lire. Elle va tout d'abord dérouler la molécule d'ADN, puis séparer les deux brins, puis assembler les bases azotées en se servant du brin complémentaire comme matrice pour aboutir à la molécule d'ARN. Derrière elle, les deux brins se réassemblent et l'ADN se réenroule. Quand la RNA synthétase rencontre le site de terminaison de gène, elle se sépare de l'ADN est l'ARN est libéré dans le cytoplasme. Souvent, plusieurs RNA synthétase peuvent parcourir le même gène simultanément, ce qui permet à partir d'un seul gène d'obtenir de multiples copies sous forme d'ARN, ce qui permettra ultérieurement de synthétiser la protéine beaucoup plus rapidement que si la traduction avait lieu directement depuis l'exemplaire unique de l'ADN.
Maintenant que l'ARN est prêt, l'étape suivante, sa traduction en protéine va pouvoir débuter.

La traduction



La traduction est la synthèse de protéine à partir du message porté par la molécule d'ARN. Ce terme de traduction se justifie car il faut passer d'une succession de 4 bases azotées à une succession de 20 acides aminés. La méthode la plus simple à imaginer est de faire correspondre à chaque acide aminé une succession de bases azotées, les groupes de base azotés correspondant à chaque acides aminés se succedant sur la molécule d'ARN pour coder la séquence de la protéine. En regroupant les bases par deux, on peut ainsi coder 8 acides aminés, par 3 on dispose de 64 possibilités, ce qui est suffisant pour nos besoins. Comme il y a 20 acides aminés, on pouvait donc supposer que :

le codage des protéines est beaucoup plus complexe, utilisant par exemple un mélange de doublet et de triplet.
plusieurs triplets de bases codent pour le même acide aminés
seuls une partie des triplets codent pour des acides aminés, les autres étant inutilisés.
Des expériences ont montrés que la réalité est un petit peu un mélange des trois.
Les acides aminés sont bien codés par des triplets de bases azotés et plusieurs triplet correspondent au même acide aminés, ce qui correspond à l'hypothèse 2. Mais certains triplets ne code aucun acide aminés (hypothèse 3). Enfin, si plusieurs triplets codent pour plusieurs acides aminés, la correspondance ne s'est pas établie au hasard. Souvent seules les deux premières bases sont spécifiques de l'acide aminés, la troisième étant sans importance ou au mieux seule sa nature chimique (purique ou pyrimidique) compte. Seul pour un petit nombre d'acide aminés, la succession exacte des bases azotés est importante. On retrouve ainsi un code à deux bases noyés dans le code à trois bases (hypothèse 1).
Trois triplets ne codent pour aucun acides aminés. Cela ne signifient pas qu'ils ne servent à rien. En réalité, ils servent de ponctuation, indiquant au mécansime de synthèse que la fin de la protéine est atteinte. Il existe aussi un triplet indiqué ou débute la protéine, mais le cas est beaucoup plus complexe puiqu'il code aussi pour un acide aminé, ce qui lui atttribue donc deux rôles.
Il est a noter que le code de correspondance entre les triplets de bases et les acides aminés est, à de très rares exceptions près et dans une mesure très réduite, universel pour l'ensemble de la planète, des bactéries à l'homme. Ce fait, plus que tous les autres milite en faveur d'une origine commune pour tous les êtres vivants. Ce code a été aujourd'hui élucidé et s'appelle le code génétique. Le triplet de base azoté est le codon.


Le code génétique





U


C


A


G



U


phe

phe
leu
leu



ser

ser
ser
ser




tyr

tyr
stop
stop




cys

cys
stop
try




U

C
A
G




C


leu

leu
leu
leu




pro

pro
pro
pro




his

his
gln
gln




arg

arg
arg
arg




U

C
A
G




A


ileu

ileu
ileu
met




thr

thr
thr
thr




asn

asn
lys
lys




ser

ser
arg
arg




U

C
A
G




G


val

val
val
val




ala

ala
ala
ala




asp

asp
glu
glu




gly

gly
gly
gly




U

C
A
G






Dans le tableau, l'ordre des bases se lit de gauche à droite. Les codons rouges sont les codons stop qui signifient au mécanisme de synthèse protéique la fin de la chaine. Le codon bleu est le codon d'initiation qui, comme on le voit, code aussi pour la méthionine.
A partir du brin d'ARN et des acides aminés, la synthèse de la protéine va s'executer en plusieurs étapes : la reconnaissance des acides aminés, l'élongation puis la maturation de la chaine protéique. Dans la plupart des ces étapes sont sous le contrôle, le rôle majeur est joué par un ARN.











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La reconnaissance des acides aminés.











Il n'existe aucune reconnaissance directe entre un codon et un acide aminé. Le système de synthèse des protéines reconnait les acides aminés à ajouter à la chaine protéique parce que ceux ci sont fixés de facon covalente à un ARN d'un type particulier appelé ARN de transfert. Cet ARN est constitué d'une courte chaine de base azotées à la séquence parfaitement determiné. Cette séquence provoque un repliement de la chaine dans l'espace qui forme alors 3 boucle et comporte une longue queue. La seconde boucle porte la séquence complémentaire du codon (l'anticodon) qui sera reconnu par le système de synthèse. L'acide aminé est fixé à l'extrémité de la longue queue au moyen d'une protéine spéciale qui reconnait la structure tridimensionnelle de l'ARN et l'acide aminé. Il existe 20 protéines de liaison (une pour chaque acide aminé) et 61 ARN de transfert (un par codon).




L'élongation de la chaine protéique.










La synthèse de la chaine protéique se fait dans le cytoplasme au niveau d'un organite spécialisé, le ribosome. Le ribosome est constitué de deux sous unités nommées 30S et 50S en fonction de leur coefficient de sédimentation, chacune formée de protéines et d'une troisieme sorte d'ARN, l'ARN ribosomique. Dans un premier temps, l'ARN messager se fixe sur la particule 30S du ribosome, au niveau du codon AUG qui indique le début de la traduction. La deuxième sous-unité se fixe alors à la première et reconstitue le ribosome complet et fonctionnel.
Le ribosome comporte un site qui peut recevoir le complexe acide-aminé/ARN de transfert. Si l'anticodon porté par l'ARNt est complémentaire du codon de l'ARNm le complexe prend place dans le site. Le ribosome sépare alors le complexe et soude l'acide aminé à la chaine protéique, l'ARNt quitte le site pour être réutilisé. Le ribosome glisse ensuite d'un codon le long de l'ARNm, pour accueillir l'acide aminé suivant.
Quand un codon stop est rencontré, aucun complexe acide amine/ARNt ne peut prendre place dans le site et la chaine peptidique est libérée.
Quand un ribosome a suffisament avancé le long de l'ARNm, un autre ribosome peut venir se fixer sur le site d'initiatin de la traduction et commencer une nouvelle traduction alors que la première n'est pas encore finie. Une telle structure avec plusieurs ribosomes traduisant simultanement le même ARNm est appelé polysome.
La synthèse protéiques des bactéries présente une particularité absente chez les eucaryotes, le début de la traduction alors que la transcription n'est pas terminée. Chez les eucaryotes, la synthèse d'ARN a lieu dans le noyau et les ribosomes se situant dans le cytoplasme, les deux évènements sont séparés dans l'espace et le temps. Il n'en est pas de même chez les procaryotes où les deux peuvent se prduire simultanément.
La maturation de la chaine protéique.

Après sa synthèse, la chaine protéique est rarement immédiatement utilisable. Elle doit subir une étape de maturation qui doit la rendre apte à exercer sa fonction. Cette étape est très variable d'une protéine à l'autre. Les principales possibilités sont :
La coupure de la chaine protéique en plusieurs morceaux
La fixation de groupement glucidique ou lipidique sur certains acides aminés. C'est en général le cas pour les protéines extracellulaires
L'assemblage de plusieurs chaines pour former une protéine multimérique.
La transformation d'un acide aminé en un autre. C'est la méthode utilisée pour insérer dans une protéine un acide aminé qui ne fait pas partie des 20 figurants dans le code génétique.
Toutes ces étapes sont sous la dépendance de protéines spécialisées.
Tous ces mécanismes permettent la synthèse des protéine à une vitesse élevée et avec un taux d'erreur très faible. Ces mécanismes se retrouvent avec de très légères différences chez les eucaryotes.

يتبع ...

La cellule eucaryote




Variétés des cellules eucaryotes

La cellule végétale
La cellule animale
Les champignons
les organismes unicellulaires
Constitution des cellules eucaryotes

Le noyau
La membrane plasmique
Le reticulum endoplasmique
L'appareil de Golgi
Les mitochondries
Les plastes
Les autres organites
Le cytosquelette

Les microtubules
Les microfilaments
La reproduction des eucaryotes

Haploidie, diploidie, polypoloidie
La mitose
Le cycle cellulaire
La phase G ou interphase
La phase M ou mitose chez les animaux
Les variations de la mitose
La méiose
La mitose reductionnelle
La mitose équationnelle
La synthèse des protéines chez les eucaryotes

La maturation des ARN messagers
L'adressage des protéines

Variété des cellules eucaryotes



Chez les procaryotes les cellules avaient toutes une morphologie semblable, sphérique ou cylindrique, au point que pendant des décennies les eubactéries et les archéobactéries ont été considérées comme faisant partie du même groupe alors qu'en réalité ils sont aussi différents entre eux qu'avec les eucaryotes, des études biochimiques ont été nécessaires pour les différencier. Les eucaryotes en revanche font preuve d'une variété absolument extraordinaire. Il suffit d'un rapide coup d'oeil dans un microscope pour différencier une cellule végétale d'une cellule animale. De même chez l'animal, un neurone, allongé et ramifié et pouvant faire plusieurs mêtres de long ne ressemble absolument pas à un cellule épithéliale prismatique, ou à une cellule endothéliale en forme de tube.
La cellule végétale

La cellule végétale représente le sommet de l'évolution cellulaire. Elle est capable de synthétiser toutes les substances organiques qui lui sont nécessaire et ce uniquement à partir de matière inorganique et de lumière, ce que même les bactéries ne peuvent pas faire. Elle est responsables du fonctionnement de la biosphère. La photosynthèse qui fourni les glucides nécessaires à son alimentation energétique, absorbe le gaz carbonique et rejette l'oxygène qui permet aux animaux et à la plupart des procaryotes de respirer. Sa production de matière organique est suffisante pour ses besoins, mais aussi ceux des autres groupes de la vie, animaux et bactéries comprises (même si certaines bactéries savent synthétiser leur matière organique à partir de substances minérales).
Une cellule végétale est une cellule eucaryote, elle comporte donc un noyau qui contient le matériel génétique, le réticulum endoplasmique et des mitochondries, centrales énergétiques de la cellule. La membrane plasmique est entourée d'une paroi de cellulose qui donne sa forme à la cellule. En l'absence de cette paroi, la cellule prend une forme sphérique en raison des forces osmotiques qui s'exercent sur les membranes. La plus grande partie du cytoplasme est occupé par une vacuole, organite limité par une membrane et contenant principalement de l'eau. Mais la principale caractéristique des cellules végétale est la présence de chloroplastes, organites spécialisés dans la photosynthèse.

La cellule animale

La cellule animale est moins perfectionnée que la cellule végétale. Incapable de synthétiser l'ensemble de ses matière organiques, elle est obligée de trouver la plupart d'entre eux dans son environnement. Elle n'en sont pas moins depourvue de qualités. Son principal atout est sa faculté à se deformer. La forme d'une cellule animale est due à une charpente intracellulaire, deformable de façon controlée : le cytosquelette. Cette deformabilité est rendue possible par l'absence de paroi cellulosique, remplacé par un revetement glucidique souple, le glycocallix.
Le cytosquelette associée à la pluricellularité (qu'ils partagent avec les végétaux et les champignons) à permis de donner les organismes vivant les plus complexes et les plus variés qui soient. Il existerait entre 1 et 2 millions d'espèces animales, soit plus que tous les autres groupes réunis et un mammifère comporte plus de 200 types de cellules différents. A titre de comparaison, les végétaux, le second groupe par la variété ne comporte que 100 à 200 mille espèces et est constituée de quelques dizaines de types cellulaires.
La deformabilité permet aussi la phagocytose, c'est à dire l'englobement d'une partie de leur environnement et l'absorption de leur contenu. Ainsi, le comportement de predateur des animaux se retrouve déjà au niveau de leur cellules.

Les champignons

Les champignons sont des cellules à première vue intermédiaire entre les cellules animales et végétales. Ils de chloroplastes, ils sont incapables de synthétiser leurs glucides à la lumière du soleil. A l'instar des animaux, ils doivent trouver leur matière organique dans leur environnement. Mais contrairement à eux, ils ne peuvent pas se déformer, et de là se déplacer, leur membrane est entourée d'une paroi cellulosique comme chez les végétaux. Leur mode d'alimentation est dit saprophyte, c'est à dire se nourrissant d'organisme mort. Ce groupe est le troisième ayant réussi a atteindre l'état pluricellulaire et est certainement le premier à l'avoir fait. Il n'en sont pas pour autant les ancêtres des animaux et des végétaux, mais un groupe frère. Leur mode de reproduction tout à fait original les place totalement à l'ecart de ces deux autres groupes.





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La cellule eucaryote




Variétés des cellules eucaryotes

La cellule végétale
La cellule animale
Les champignons
les organismes unicellulaires
Constitution des cellules eucaryotes

Le noyau
La membrane plasmique
Le reticulum endoplasmique
L'appareil de Golgi
Les mitochondries
Les plastes
Les autres organites
Le cytosquelette

Les microtubules
Les microfilaments
La reproduction des eucaryotes

Haploidie, diploidie, polypoloidie
La mitose
Le cycle cellulaire
La phase G ou interphase
La phase M ou mitose chez les animaux
Les variations de la mitose
La méiose
La mitose reductionnelle
La mitose équationnelle
La synthèse des protéines chez les eucaryotes

La maturation des ARN messagers
L'adressage des protéines

Variété des cellules eucaryotes



Chez les procaryotes les cellules avaient toutes une morphologie semblable, sphérique ou cylindrique, au point que pendant des décennies les eubactéries et les archéobactéries ont été considérées comme faisant partie du même groupe alors qu'en réalité ils sont aussi différents entre eux qu'avec les eucaryotes, des études biochimiques ont été nécessaires pour les différencier. Les eucaryotes en revanche font preuve d'une variété absolument extraordinaire. Il suffit d'un rapide coup d'oeil dans un microscope pour différencier une cellule végétale d'une cellule animale. De même chez l'animal, un neurone, allongé et ramifié et pouvant faire plusieurs mêtres de long ne ressemble absolument pas à un cellule épithéliale prismatique, ou à une cellule endothéliale en forme de tube.
La cellule végétale

La cellule végétale représente le sommet de l'évolution cellulaire. Elle est capable de synthétiser toutes les substances organiques qui lui sont nécessaire et ce uniquement à partir de matière inorganique et de lumière, ce que même les bactéries ne peuvent pas faire. Elle est responsables du fonctionnement de la biosphère. La photosynthèse qui fourni les glucides nécessaires à son alimentation energétique, absorbe le gaz carbonique et rejette l'oxygène qui permet aux animaux et à la plupart des procaryotes de respirer. Sa production de matière organique est suffisante pour ses besoins, mais aussi ceux des autres groupes de la vie, animaux et bactéries comprises (même si certaines bactéries savent synthétiser leur matière organique à partir de substances minérales).
Une cellule végétale est une cellule eucaryote, elle comporte donc un noyau qui contient le matériel génétique, le réticulum endoplasmique et des mitochondries, centrales énergétiques de la cellule. La membrane plasmique est entourée d'une paroi de cellulose qui donne sa forme à la cellule. En l'absence de cette paroi, la cellule prend une forme sphérique en raison des forces osmotiques qui s'exercent sur les membranes. La plus grande partie du cytoplasme est occupé par une vacuole, organite limité par une membrane et contenant principalement de l'eau. Mais la principale caractéristique des cellules végétale est la présence de chloroplastes, organites spécialisés dans la photosynthèse.

La cellule animale

La cellule animale est moins perfectionnée que la cellule végétale. Incapable de synthétiser l'ensemble de ses matière organiques, elle est obligée de trouver la plupart d'entre eux dans son environnement. Elle n'en sont pas moins depourvue de qualités. Son principal atout est sa faculté à se deformer. La forme d'une cellule animale est due à une charpente intracellulaire, deformable de façon controlée : le cytosquelette. Cette deformabilité est rendue possible par l'absence de paroi cellulosique, remplacé par un revetement glucidique souple, le glycocallix.
Le cytosquelette associée à la pluricellularité (qu'ils partagent avec les végétaux et les champignons) à permis de donner les organismes vivant les plus complexes et les plus variés qui soient. Il existerait entre 1 et 2 millions d'espèces animales, soit plus que tous les autres groupes réunis et un mammifère comporte plus de 200 types de cellules différents. A titre de comparaison, les végétaux, le second groupe par la variété ne comporte que 100 à 200 mille espèces et est constituée de quelques dizaines de types cellulaires.
La deformabilité permet aussi la phagocytose, c'est à dire l'englobement d'une partie de leur environnement et l'absorption de leur contenu. Ainsi, le comportement de predateur des animaux se retrouve déjà au niveau de leur cellules.

Les champignons

Les champignons sont des cellules à première vue intermédiaire entre les cellules animales et végétales. Ils de chloroplastes, ils sont incapables de synthétiser leurs glucides à la lumière du soleil. A l'instar des animaux, ils doivent trouver leur matière organique dans leur environnement. Mais contrairement à eux, ils ne peuvent pas se déformer, et de là se déplacer, leur membrane est entourée d'une paroi cellulosique comme chez les végétaux. Leur mode d'alimentation est dit saprophyte, c'est à dire se nourrissant d'organisme mort. Ce groupe est le troisième ayant réussi a atteindre l'état pluricellulaire et est certainement le premier à l'avoir fait. Il n'en sont pas pour autant les ancêtres des animaux et des végétaux, mais un groupe frère. Leur mode de reproduction tout à fait original les place totalement à l'ecart de ces deux autres groupes.





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Les eucaryotes unicellulaires.

Si les cellules animales sont parmi les plus variées de la natures, les groupes d'eucaryotes unicellulaires ne sont pas en reste. Certains d'entre eux n'ont pas de forme précise, comme l'amibe et semblent apparentés aux animaux. D'autres ont des capacités photosynthétiques et semble proches des végétaux. Certains groupes enfin ne ressemblent à aucun des deux. Toutefois classer les unicellulaire en fonction de leurs capacité photosynthétique et de leur motilité est absurde. Que faire des cellules portant des chloroplastes et qui se déplacent, ou une cellule mobile qui perd ses chloroplastes devient elle un animal pour autant. Hormis pour les champignos unicellulaires qui sont forment un groupe bien individualisé et homogène avec les champignons pluricellulaires, tous les eucaryotes unicellulaires sont regroupé dans l'ensemble des protistes.













Les organites des eucaryotes



Il existe deux principales différences entre les eucaryotes et les procaryotes, la présence chez les premiers d'organites intracellulaires et l'existence du cytosquelette, un réseau de protéine fibrillaire qui participe à la forme et aux mouvements de la cellule. Les organites, décrits sur cette page sont chargés d'accomplir une ou plusieurs tâches bien précises dans la cellule. En fait, l'architecture des eucaryotes n'a rien à voir avec celle des procaryotes, mais si les mêmes éléments de base se retrouvent. En revanche certains organites ressemblent tellement à des procaryotes que la majorités des scientifiques considèrent à l'origine qu'ils en étaient et que les eucaryotes sont le résultat d'une symbiose entre une cellule de type encore indeterminée (mais certainement une archéobactérie) et plusieurs bactéries. Je reprendrais cette théorie quand j'aborderai l'évolution.
La principale propriété qu'ont amenée les organites avec eux est la compartimentation. Ces organites ont en effet un milieu interne, de composition très différents de celle de leur milieu externe le cytoplasme et également très différents entre eux. Une autre conséquence est la multiplication des membranes. Alors que les procaryotes ne possèdent en général que la membrane plasmique, plus parfois une membrane externe, chaque organite des eucaryotes possède sont propre jeu de membranes aux propriétés très différentes les unes des autres. Tous ces éléments vont aboutir à faire de la cellule eucaryote une cellule qui bien que peu performante face à la vitalité des procaryotes, possède des potentialités absolument extraordinaires. Songez que la quasitotalité de ce que l'on observe autour de nous est constituée d'eucaryotes.

















Le noyau














Le noyau est l'organite qui a donné son nom aux eucaryotes (eu = vrai, caryos = noyau), bien que quelques uns puissent en être dépourvus à certains stades de leur existence (comme les globules rouges de mammifères). La fonction du noyau est de contenir la majeure partie de l'ADN cellulaire. L'ADN contenu est de type eucaryote (cette affirmation n'est pas si ridicule que ça, comme nous le verrons avec les mitochondries).
Le noyau est limité par une enveloppe constituée d'une membrane double (deux membranes bilipidiques) qui sépare 3 compartiment, le cytoplasme à l'exterieur, le nucléoplasme à l'intérieur et le compartiment intermédiaire entre les deux membranes. Le cytoplasme et le nucléoplasme communiquent par des pores, les pores nucléaires, qui traversent les deux membranes. Au niveau des pores, la membrane interne et la membrane externe sont en continuité, il n'y a aucune communication entre le nucléoplasme et le compartiment intermédiaire (qui est en réalité une extension de la lumière du réticulum). La membrane interne de la paroi est tapissée de lamine, une protéine fibrillaire capable de fixer la chromatine.
L'intérieur du noyau abrite la chromatine, assemblage de protéines et d'ADN. Au microscope on distingue l'hétérochromatine et l'euchromatine. L'hétérochromatine, aussi appelée chromatine condensée est située généralement contre l'enveloppe et en amas isolés au centre du noyau. L'euchromatine est la forme active de l'ADN, elle apparait au microscope plus claire et plus dispersée. Une particularité des cellules des femelles de mammifères est la présence d'un condensat de chromatine près de la paroi, le corpuscule de Barr, il correspond au second chromosome X de la cellule, inactivé pour compenser l'excés par rapport aux cellules males qui n'en ont qu'un (Si les femelles avaient leurs deux chromosomes X actifs, le déséquilibre entre les gènes des deux sexes serait trop grand avec des conséquences pathologiques, comme c'est le cas quand un chromosome 21 est en trop dans la trisomie). Ce corpuscule participe au test de féminité chez les sportives.
Le noyau possède une zone spécialisée très fortement colorée par les préparations standards, le nucléole. Ce nucléole, en général unique dans les cellules, est le centre de synthèse des ARN ribosomaux et d'assemblage des sous-unités ribosomales. Ce nucléole est dynamique, il disparait avant la division cellulaire et réapparait juste après. Le nucléole est centré autour d'une structure bien particulière de l'ADN, l'organisateur nucléolaire. Il est constituée de multiples copies (plusieurs centaine de fois) des gènes de l'ARN 45S, ARN qui par clivage donne les deux grands et le petit 5,8S ARN ribosomal. Le dernier ARN ribosomal et les protéines associées sont codées ailleurs dans le génome, mais c'est quand même dans le nucléole qu'ils s'assemblent avec le reste du ribosome. L'assemblage des deux sous unités a lieu, comme chez les procaryotes, dans le cytoplasme lors de la synthèse protéique.
Pour terminer ce tout d'horizon du noyau, il faut signaler qu'à l'instar du cytoplasme qui est silloné d'un réseau fibrillaire, le cytosquelette, le noyau l'est également, par une autre famille de protéines qui constituent le nucléosquelette.
La membrane plasmique

La membrane ressemble fortement à celle des procaryotes. Elle est constituée d'une double couche lipidique du même type que celle des bactéries. Elle comporte toutefois du cholestérol dans sa couche externe. Ce cholesterol sert de tampon de fluidité, il permet à la membrane de supporter de faibles écarts de température sans que cela se ressente trop dans sa consistance, un ecart de température plus important étant absorbé par un changement de longueur des lipides et de la répartition des lipides saturés et insaturé (les lipides courts ou insaturés sont plus fluides).
La membrane est traversées par des protéines : transporteurs, canaux, récepteurs aux molécules extérieures, etc... Les cellules animales comportent en plus un type protéines particulier qui traverse la membrane et fixe d'un coté le cytosquelette et de l'autre les protéines du milieu conjonctif, assurant la continuité mécanique du tissu. D'autres protéines sont absente chez les eucaryotes. Elles correspondent à des fonctions de la membrane procaryote qui sont prises en charge par des organites chez les eucaryotes. C'est le cas des protéines du complexe respiratoire qui sont localisée dans la mitochondrie.
La membrane plasmique semble en apparence plus simple que chez les procaryotes. En réalité, ce transfert de compétence vers d'autres organites à libéré la membrane pour de nouvelles fonctions. Par exemples, toutes membranes plasmique de toutes les cellules (procayotes comprises) sont polarisés, la face interne étant plus négative que la face externe. Mais les propriétés des neurones (et plus généralement des cellules excitables) proviennent de ce qu'ils sont non seulement capables de se dépolariser rapidement, mais qu'en plus ils sont capables de propager cette dépolarisation le long de leur membrane. La morphologie spécifique avec dendrites et axone n'est qu'une amélioration morphologique, les animaux les plus primitifs (éponges, cnidaires) en sont d'ailleurs dépourvus. La membrane plasmique est avec le cytosquelette l'organite qui participe le plus à la spécialisation cellulaire.
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Le réticulum endoplasmique

Les cellules eucaryotes sont beaucoup plus grosses que les procaryotes. Or quand le diamêtre d'une cellule augmente, sa surface augmente proportionnellement au carré et son volume au cube. Le rapport surface/volume est donc fortement diminué dans une cellule eucaryote, ce qui rend les échanges avec l'extérieur moins performants. Les eucaryotes compensent ce phénomène en se plissant, ce qui augmente la surface d'échange. Mais ces plis, s'ils sont suffisants pour fournir ses aliments à la cellule, ne permettent pas de remplir la totalité des fonctions de la membrane plasmique procaryotes. Les eucaryotes se sont alors doté d'un réseau membranaire interne le réticulum endoplasmique, qui prend en charge une partie de ces fonctions la synthèse des protéines extracellulaires et des lipides. A ces deux fonctions, s'en ajoute une troisième, particulièrement développée dans les muscles striés, le stockage du calcium intracellulaire.
Le réticulum est constituée d'un réseau de tubes ramifiés et très fortement interconnecté limité par une membrane lipidique, qui occupe la majeure partie du cytoplasme. Cette membrane est en continuité avec la membrane externe de la paroi nucléaire et l'espace du compartiment intermédiaire n'est qu'une extension de la lumière du réticulum.
L'extension du réticulum est telle qu'il peut se spécialiser par zones. Morphologiquement, on distingue deux parties au microscope é,lectronique, mais elles sont en réalité plus nombreuse.
Le réticulum endoplasmique granuleux porte à sa surface une multitude de petites boules. Chacune de ces boules est un ribosome en pleine synthèse protéique, fixé à la surface externe du réticulum. La protéine qu'il synthétise est injectée dans la lumière du réticulum par un pore spécial. Dans la lumière, la protéine subira une maturation puis elle sera envoyée à l'appareil de golgi qui l'intégrera à une vesicule d'exocytose. Le réticulum endoplasmique granuleux synthétise les protéines membranaires voire carrément excrétées dans le milieu extracellulaire. La membrane nucléaire externe fait partie de ce système.
A l'inverse le réticulum endoplasmique lisse apparait parfaitement lisse. Ses fonctions sont très diversifiées. Il peut s'agir tout d'abord d'une zone de réticulum granuleux mais ou ne s'exerce pour le moment aucune synthèse. C'est aussi une zone de transit entre les région de synthèse protéique et celles où elles sont excrétées. Mais d'autres endroits assurent la synthèse des lipides membranaire. Ces lipides seront intégrés à des vésicules d'exocytose qui fourniront leurs lipides à la membrane en fusionnant avec elle. Une autre fonction très importante du réticulum endoplasmique lisse est de régulateur du calcium intracellulaire. Le calcium est en effet un poison pour la plupart des processus métaboliques, la cellule en contient donc le minimum. Or ce calcium est utilisé comme signal par certains des récepteurs membranaires, comme il y en a très peu dans la cellule, il suffit de peu d'ions pour augmenter la concentration dans des proportions élevées. Il permet entre autre de déclencher la contraction musculaire, le potentiel d'action ou l'exocytose et même la fusion des pronuclei lors de la fécondation. La cellule doit donc maintenir une concentration intracellulaire de calcium très basse, tout en s'assurant qu'il y en a assez pour le signal calcique et ensuite évacuer le calcium du signal le plus vite possible pour permettre l'arrivée d'un nouveau signal tout en évitant que la concentration augmente trop et atteigne le seuil létal. Certaines zones du réticulum lisse participent à cette régulation en constituant une reserve de calcium pour le signal et en récupérant le calcium cytoplasmique puis en évacuant l'excés vers le milieu extérieur.
L'appareil de Golgi

L'appareil de Golgi travaille en relation avec le réticulum endoplasmique. C'est lui qui assure la constitution des vésicules d'exocytoses ou intracellulaires et assure leur composition correcte. L'appareil de Golgi est constitué de un ou plusieur dictyosomes. Chaque dictyosome est constitué de plusieurs saccules reliées par des pont membranaires.
Le fonctionnement du dictyosome est un peu particulier. Il est polarisé, il comporte une face de formation et une face de secrétion. La face de formation est toujour à proximité du réticulum endoplasmique lisse. Des vésicules se détachent du réticulum et fusionnent pour former une nouvelle saccule. Sur l'autre face, des vésicules se détachent et se dispersent dans le cytoplasme avant de fusionner avec leur membrane cible. Le dictyosome subit donc un renouvellement constant, une nouvelle saccule se formant toutes les 4 minutes dans une cellule en



activité. C'est à l'intérieur des saccule que les protéines terminent leur maturation.
Les mitochondries

Avec les mitochondries, on aborde un type particulier d'organites qui comprend également les plastes végétaux et peut être les lysosomes. Alors que les organites précédents, à l'exception de la membrane, pouvaient être, dans certaines limites, detruit et reconstruit par la cellule en fonction des besoins, les mitochondries et les plastes ne peuvent pas être construit de novo à partir de leurs éléments séparés. Une mitochondrie provient toujours de la division d'une autre mitochondrie.
La mitochondrie est un organite de 1µm de largeur et de longueur variable. Elle est constituée de deux membranes qui isolent deux compartiments du cytoplasme. A l'intérieur de la membrane interne se trouve la matrice, la zone entre les deux membranes est appelée la zone intermembranaire.La membrane interne est repliée sur elle même et forme des crêtes alors que la membrane externe est relativement lisse. La mitochondrie est un organite mobile grace à l'action de protéines matricielles.
Les différents éléments de la mitochondrie sont de composition très différentes. La membrane externe semble n'être qu'une simple enveloppe, proche dans sa composition des membranes du réticulum endoplasmique lisse, elle s'en distingue toutefois par la présence d'une protéine particulière, la porine, qui lui assure une perméabilité totale avec la plupart des molécules cytoplasmiques. La zone intermembranaire a donc une composition peu différente de celle du cytoplasme. La membrane interne en revanche est plus interessante, elle porte toutes les protéines de la chaine réspiratoire, l'ATP synthétase et l'échangeur ATP/ADP. La matrice elle contient toutes les protéines du cycle de Krebbs. La mitochondrie peut fabriquer de l'ATP à partir du pyruvate produit par la glycolyse cytoplasmique, elle est donc capable d'exploiter la molécule de glucose au maximum de ses capacités. La mitochondrie est la centrale energétique de la cellule.
Par sa morphologie, son fonctionnement et son mode de reproduction, la mitochondrie ressemble fortement à un procaryote. Cette ressemblance a été accentuée par la découverte d'ADN dans la matrice mitochondriale. Cet ADN à une structure de type procaryote et la synthèse de protéine est assurée par des ribosomes également de type procaryotes. Ces constatations ont conduit les scientifiques à affirmer que les mitochondries seraient un ancien procaryote qui aurait été dans un lointain passé capturé par un eucaryote primitif puis intégré à sa structure. Toutefois, les protéines codées dans le chromosome ne couvrent pas l'ensemble des protéines mitochondriales, le procaryote a perdu certains gène au profit du noyau de la cellule et à également ainsi perdu toute possibilité d'autonomie. Toutes les cellules eucaryotes ont (ou ont eu) des mitochondries, la symbiose à donc du s'établir très tôt dans l'histoire à une époque ou ils étaient encore peu diversés, peut être même que c'est cet évènement qui à provoqué leur apparition. Cette théorie est dite de l'endosymbiote. Elle a été aussi proposée pour les plastes et est discutée pour d'autres organites tels que les flagelles ou les lysosomes.
Les plastes

Les plastes sont des organites spécifiques des végétaux. Il en existe trois types les chloroplastes, les chromoplastes et les leucoplastes qui dérivent par maturation d'un type de plaste indifférencié. L'origine des plaste semble être d'origine endosymbiotique mais leur génome est toutefois plus complet que celui des mitochondries. Comme en plus certains groupes seulement en ont acquis, la symbiose semble s'être établie plus tardivement alors que les eucaryotes étaient déjà très diversifiée. La multiplicité des mécanismes de la photosynthèse suggère en plus que la symbiose s'est produite plusieurs fois avec des symbiontes différents. Le groupe des cellules végétales qui comprend les algues et les végétaux terrestre, serait donc artificiel.
Le plus important des plaste est le chloroplaste, siège de la photosynthèse. Il est limité par une double membrane très similaire à celle des mitochondries et d'origine certainement identique. L'intérieur de l'organite est le stroma. Le stroma contient des éléments qui ressemblent à des organites intrachloroplastiques : les thylacoides qui sont des saccules allongée et des empilements de saccules plus petites, les granums, intercalés entre deux lamelles thylacoidiennes. Les chloroplastes ont donc un compartiment de plus que les mitochondries. Le stroma contient en outre l'ADN chloroplastique de type procaryote et des ribosomes de même type.
Sa fonction est de fabriquer des glucides à partir d'une source d'énergie extérieure, la lumière solaire. Il est donc en quelque sorte l'inverse de la mitochondrie qui produit de l'énergie à partir des glucides. En realité, le chloroplaste et la mitochondrie fonctionnent de façons très similaires. Tous les deux vont utiliser une source d'énergie (pyruvate pour la mitochondrie, lumière pour le chloroplaste) pour créer un gradient de proton entre l'intérieur et l'extérieur. L'energie stockée dans ce gradient permettra de synthétiser l'ATP. La grande différence est en fait dans l'utilisation de cet ATP. Alors que la mitochondrie l'exporte pour répondre aux besoin de la cellule, le chloroplaste le conserve et se sert de celui ci pour fabriquer des glucide qui seront exportés.
Le système photosynthétique est situé dans la membrane des thylacoides. Ce système à pour but de produire l'énergie nécessaire à la synthèse des glucides. Cette synthèse à lieu dans le stroma. Elle se résume en la condensation de trois molécules de CO2 en une molécule de glucide à trois carbones. La réalité est plus complexe. Ces trois CO2 vont se fixer chacun sur une molécule de glucide à cinq carbones, donnant 3 glucides à 6 carbones puis par coupure 6 glucides à trois carbones. Un des glucides sera exporté. Les cinq autres se combineront pour reformer les trois glucides de départ et permettre un nouveau cycle synthétique. Ce cycle est appellé "cycle de Benson, Bassham et Calvin" ou cycle BBC ou plus simplement cycle de Calvin.
Les glucides à trois carbones exportés par le chloroplaste seront utilisés par la cellule pour toutes les réaction où interviennent les glucides. Utilisation par les mitochondries bien sûr pour fournir l'énergie nécessaire au fonctionnement cellulaire, mais aussi mise en reserve par fabrication du glucose puis de l'amidon, synthèse du ribose et du desoxyribose constituants de l'ARN et de l'ADN, synthèse de la cellulose, etc...
Les autres organites

La cellule eucaryote comporte d'autres organites que je vais résumer ici.

Les flagelles et les cils
Ce sont des organites extracytoplasmiques. Ils se manifestent sous forme de prolongements membranaires mobiles et assurent le déplacement de la cellule par rapport à son milieur. La différence entre les deux tient à leur taille (les flagelles sont longs, les cils sont courts) qui détermine leur mode de fonctionnement : les flagelles ondulent alors que les cils battent. Une origine endosymbiotique a été proposé pour eux.
Les peroxysomes
Ces organites sont certainement les plus anciens. Leur principale fonction est l'élimination des radicaux libres produits par l'oxygène dans la cellule. Ils ont donc une fonction protectrice de la cellule, c'est grace à eux que les cellules eucaryotes supportent un environnement aérobie. Leur origine endosymbiotique est controversée.
Les lysosomes.
Ce sont des vésicules intracellulaires chargées en enzymes lytiques. Leur fonction est de fusionner avec les vésicules de phagocytose pour dégrader leur contenu. Ils permettent ainsi à la cellule de récuperer les molcéules de bases contenues dans des macromolécules, que celles-ci proviennent d'éléments membranaires devenus inutiles voire nuisibles ou endomagés, des protéines de réserve (comme l'albumine), ou encore d'organismes extérieur (bactéries) chez les cellules prédatrices ou chez les macrophages

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Le cytosquelette

Le cytosquelette est l'élément qui différe le plus les eucaryotes des procaryotes. Tous les eucaryotes ont un cytosquelette développé alors que les procaryotes n'en ont pas, à l'exception des spirochè qui possèdent des molécules semblables à de l'actine mais sans atteindre la sophistication d'un vrai cytosquelette.
Le cytosquelette est un réseau de fibres intracellulaires. Il est constitué de trois grandes familles de protéines, très conservées dans l'évolution : les filaments épais de tubuline ou microtubules, les filaments fins d'actine ou microfilaments et les filaments intermédiaires. Les deux premières familles sont très homogènes et ont été très étudiées. Elles sont présentes dans toutes les cellules et les molécules constitutives sont les mêmes, les généralités qui vont suivre s'appliquent à eux seuls. Les filaments intermédiaires sont en revanche plus hétérogène, constitués de molécules qui diffèrent selon le type cellulaire, ils ne seront pas abordés ici.
Bien que de composition et de fonction très différentes, les filaments du cytosquelettes ont des propriétés communes. Les microtubules et les microfilaments sont constitués d'une charpente protéique fibrillaire formée par la polymérisation d'une ou de deux molécules de protéine apparentée, stabilisée par des protéines annexes appartenant à d'autres familles.
Ces filaments sont dynamiques (c'est pourquoi certains spécialistes préfèrent parler de cytomuscle), les protéines constitutives peuvent exister sous deux formes dans la cellules : monomèriques, solubles et dispersées dans le cytoplasme ou insolubles et organisées en filaments. Il existe un seuil de concentration des monomères au dessus duquel les filaments se forment par polymérisation des unités moléculaires et en dessous duquel ils se dépolimérisent. Le filament est polarisé, une extrémité noté + à un seuil plus bas que l'autre extrémité noté -. A concentration égale, le coté + croit plus vite (ou se dépolarise - vite que le coté -). Il existe également une plage de concentration pour laquelle le coté + croit alors que le coté - decroit, cela entraine une migration du filament à travers la cellule, où s'il a une position fixe, un phénomène de tapis roulant. La polymérisation et la dépolymérisation consomment de l'energie et la valeur des seuils est controlé par la cellule de manière très fine.
Au réseau fibrillaire d'autres types de protéines peuvent se fixer. Certaines protéines sont fixes et assurent la liaison des réseaux intracellulaires avec le reste de l'architecture cellulaire. D'autre molécules sont consommatrice d'énergie appartiennent à l'ensemble des moteurs. Elles possèdent un point d'ancrage sur les filaments et peuvent migrer le long de ceux ci, et également un autre point d'ancrage ce qui leur permet de transporter des protéines ou organites le long de ce réseau. La protéine fixée peut être un autre moteur associé à son filament, ce qui permet d'organiser la structure du cytosquelette et déplaçant les filaments les uns par rapports aux autres.









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Les microtubules

Les microtubules sont les plus épais (25nm) des filaments cytosqueletique. Ils interviennent dans tous les mouvements intracellulaires, migration des organites dans la cellule, transport axonal dans les neurones mais aussi séparations des deux jeux de chromosomes lors de la division cellulaire.
Formation

Les microtubules sont des petits tubes de 25 nm de diamêtre, la lumière faisant 10 nm. Ils sont formé par la polymérisation de deux protéines différentes : les tubulines. La tubuline alpha s'associe avec la tubuline beta pour former des doublets. A ce niveau, le GTP se lie au doublet sur un site de la tubuline beta. Un changement de conformation des protéines permet à ces doublets de s'assembler pour former un protofilament. Enfin, 13 protofilaments forment ensemble un filament creux de microtubule. Deux protéines différentes peuvent se fixer à l'édifice. La dynéine, présente notamment dans les cils et les flagelles et la protéine tau. On peut trouver dans la cellules des microtubules doubles ou triple. Il s'agit de microtubules qui ont en commun quelques protofilaments, 3 au niveau de chaque point de jonction.
En réponse à un signal cellulaire, le GTP peut s'hydrolyser pour former du GDP. Le microtubule devient alors instable. Il peut se dépolymeriser totalement en quelques seconde, ce qui est beacoup plus rapide que ce que permettrait une dépolarisation par les extrémité comme evoquée dans l'introduction. La polymérisation et la dépolymérisation des microtubules est donc un phénomène dynamique, finement contrôlées par la cellule.
In vitro, la polymérisation nécessite la présence pour démarrer de centre de nucléation, c'est à dire de très petits fragments de microtubules. Dans la cellule, de tels centre n'existenr, mais une structure en tiens lieu, le centre organiteur des microtubules (COMT). Chaque cellule possède un ou plusieurs COMT. Ils sont constitués d'un centrosome entouré d'un ensemble complexe de protéine encore mal identifiées avec des granules denses aux électrons à la périphérie de la structure. Le centrosome est constitué de deux cylindres de 9 triplets de microtubules (les centrioles) positionnés à angle droit. Ce centrosome est doué de continuité génétique, bien qu'aucun ADN n'ait été trouvé dans la structure, les deux centrioles se séparent, chaque centriole isolé déclenche la synthèse d'un autre centriole pour reconstituer un centrosome complet. Un centrosome ne peut pas apparaître à partir de rien dans une cellule. Cette propriété laisse penser que le centrosome et le flagelle (seul organite à base de centrosome) serait tout ce qui resterait d'une endosymbiose. Toutefois, comme aucun procaryote actuel ne possède de centrosome, l'origine de l'organisme serait donc dans un type nouveau (ni bactérie, ni archéobactérie) qui aurait aujourd'hui disparu ou n'aurait pas encore été découvert. D'autres scientifiques situent toutefois son origine dans les spirochète, la question est encore débattue.
La présence d'un COMT modifie les propriété des microtubules. L'extrémité - est à proximité du COMT alors que la + est est éloignée. La concentration nécessaire pour obtenir une polymérisation est très abaissée, et une baisse de la concentration en tubuline ne diminue pas la longueur des filaments mais leur nombre. Tout ce passe comme si le COMT avait plusieurs sites de nucléation dont le nombre dépend de la concentration en tubuline, tout centre inoccupé donne aussitôt naissance à un nouveau filament.
Les structures

En dehors des microtubules qui traversent la cellule, ils participent à la formation de structures plus complexes. Les deux que nous verrons sont le fuseau mitotique et les flagelles.
Le fuseau mitotique

Ce fuseau de microtubule intervient lors de la mitose dans la séparation des deux jeux de chromosomes entre les cellules filles. Avant la mitose, toutes les structures microtubulaires de la cellule se dépolymèrisent, cils et flagelles compris. Au départ, l'aster, situé à proximité du noyau, se divise, chaque aster se déplace à une extrémité de la cellule, filant derrière eux le fuseau mitotique. Chaque aster est en réalité un COMT, mais sont aspect en étoile viens de ce que tous les centres de







nucléation doivent être occupés, pas seulement ceux impliqués dans la formation du fuseau. Les autres filaments rayonnants sont les fibres astrales. Les filaments ne sont pas continuité d'un aster à l'autre, la cohérence est assurée au centre par des protéines connectrices.
Les filaments du fuseau mitotique vont se fixer par leur extrémité + à une structure particulière du centromère des chromosomes condensés, le kinétochore. Chaque kinétochore reçoie une quarantaine de filaments. Quand tous les centromères sont fixés à des microtubules, les deux chromatides de chaque chromosome se séparent. Les microtubules vont alors se retracter, entrainant les chromatides avec elles. En fait, c'est le chromatide qui migre le long du microtubule grace à des molécules de kinésines présentent dans le kinétochorere, le filament se dépolarisant juste derrière lui.
A la fin de la mitose, les deux jeux de chromosomes sont donc séparés, chacun à une extrémité de la cellules. Le fuseau mitotique va se désorganiser, la tubuline servira à reconstruire le cytosquelette des deux nouvelles cellules. Après la séparation effectives des cytoplasme, la cellule va reconstituer toutes ses structures microtubulaire.

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Les flagelles












Les flagelles et les cils sont des expansions membranaires extracellulaires qui possèdent la propriété de battre. La différence entre les deux structures est la taille qui conditionne le mode de fonctionnement : le flagelle est plus long que la longueur d'onde du battement, il ondule; le cil est plus court, il bat. La forme du flagelle est assurés par une charpente de microtubules, l'axonème (image ci contre), au coeur de l'expansion membranaire. Le centre est occupé par un doublet de microtubules enveloppé d'un manchon protéique. Ce doublet est entouré d'un cylindre de 9 doublets de microtubules partiellement fusionnés. Ces doublets sont reliés entre eux par des bras de dynéine et avec le doublet central par les bras rayonnants. &Agrave; la base du flagelle, dans le cytoplasme, se trouve le corps basal. Il est constitué de 9 triplets de microtubules disposés en cylindre. De microtubules de chaque triplet sont en continuité avec ceux des doublets periphériques de l'axonème, le doublet central s'arrête à la limite du cytoplasme et n'arrive pas au corps basal.
Les flagelles battent par glissement des doublets de microtubules entre eux. C'est la dynéine, qui en hydrolysant l'ATP, assure ce glissement. L'axonème étant cylindrique et le glissement se produisant dans le même sens relatif pour tous les doublets, la structure devrait se vriller. Ce sont les autres proétines qui transforment ce vrillage en battement.

Les fonctions intracytoplasmiques

Les microtubules sont impliqués dans la répartition des éléments intracytoplasmiques. Ils sont responsables d'une part de l'intégrité des structures cellulaires, d'autre part des mouvements intracytoplasmiques, comme montré dans le cas du fuseau mitotique. Les microtubules sont associé à un moteur protéique constitué de kinésine. Ce moteur utilise les microtubules comme rails pour déplacer des organites ou d'autres microtubules. Les microtubules constituent donc le système majeur de répartition intracellulaire.



Les microfilaments

Les microfilaments sont des filaments fins (9 nm) constitué d'actine, éventuellement ramifiés. Ils sont impliqués dans des mouvements de grande ampleur impliquants la déformation de la structure cellulaire : contraction, migration, pseudopode, à l'exception des mouvements des cils et flagelles dont le moteur est constitué de tubuline. Leur polymérisation et leur dépolimérisation permet à la cellule de contrôler la fluidité du cytoplasme et de générer des mouvements qui permettent à la cellule de migrer. A cela s'ajoute l'effet des protéines motrices qui augmentent leurs possibilités
Constitution

Les microfilaments sont constitués d'un coeur d'actine associé à diverses protéines accessoires. Le monomène d'actine est l'actine G (pour globulaire). Cette protéine est tellement conservée au cours de l'evolution que l'on peut obtenir des structures fonctionnelle en mélangeant l'actine G provenant de plusieurs espèces. La polymérisation de l'actine produit un brin en forme de double hélice. L'actine F (pour fimanent) est stabilisé par un filament de tropomyosine inséré dans le sillon large de la double hélice. Diverses protéines assurent le coiffage du filament (structure en bout de filament pour stabiliser sa longueur), le pontage de deux filaments pour construire des structures en 2 ou 3 dimensions et des protéines d'ancrage à d'autres structure.






Les myosines








Les propriétés contractiles des filaments d'actine sont dûes à une famille de protéines motrices spécifiques : les myosines. Contrairement à l'actine, les myosines sont très diversifiées. Les différences jouent sur le système de régulation de la contraction que sur l'organisation spatiale des filaments de myosine. Le monomère de myosine est constituée d'une longue queue, portant deux têtes flexibles à une extrémité, la molécule est en forme de Y. La tête flexible possède un site de liaison à l'actine et un site pour l'ATP, c'est elle qui est responsable de l'aspect moteur de la protéine, la queue ayant une fonction d'ancrage.
Bien que les modes de régulation soient très diversifiés, le fonctionnement de tous les types de myosine est similaire. En présence de calcium et d'ATP, la tête de la myosine s'accroche au filament d'actine. L'hydrolyse de l'ATP provoque la rotation de la tête et sa séparation du filament d'actine. Le départ de l'ADP de la tête de la myosine lui permet de reprendre sa forme initiale. A la fin du mouvement, la molécule de myosine a glissé le long du filament d'actine. Le sens d'accrochage du filament d'actine par rapport à la myosine est polarisé. Pour que le mouvement ait lieu, il est indispensable que les deux éléments actine et myosine soient correctement orientés.
Les molécules de myosines forment 3 types de structures en fonctions des besoins de la cellules :
Les molécules se disposent tête beche pour former un dimère. Plusieurs dimères peuvent s'assembler en cylindre pour former un filament epais. Les têtes de la myosine sont situées aux extremités du filament. La migration de l'actine à lieu en sens opposée à chaque extremité du filament. Ce type de structure se trouve notamment dans le muscle strié.
Les dimère de myosine se disposent pour former un ruban. La polarité est différente de chaque côté du ruban. Ce type de structure est présent dans les muscles lisses et les cellules musculaires.
Pour les minimyosines, forme de myosine avec une queue réduite, il n'y a pas de formation de structures multimoléculaires. Ces minimyosines utilisent les filaments d'actine pour transporter des organites.

Structures

Les microfilaments sont inclus dans deux grands réseaux filamenteux: un reseau sous membranaire et les cables de stress.
Le réseau sous membranaire est un réseau de filaments d'actine situé sous la membrane plasmique. Il constitue une charpente similaire à la charpente des domes géodésiques. Ce réseau permet à la cellule de contrôler sa forme et de participer au déplacememt.
Les cables de stress sont des filaments d'actine qui traversent le cytoplasme. Ils sont ancrés d'un coté à la membrane plasmique au niveau des points focaux et de l'autre à un point focal de la membrane opposé ou à une structure cytoplasmique appelé corps dense. Les points focaux sont des assemblages de protéines dont l'une d'entre elle, la taline est transmembranaires. Chez les animaux, la partie extracellulaire de ces protéines est relié à la matrice extracellulaire ce qui assurent la continuité mécanique du tissu de par et d'autre de la membrane plasmique. Le cable de stress est constitué d'une succession de corps denses composés d'alpha actinine. Ces corps denses servent d'ancrage à des filaments fins d'actine, l'extrémité + est fixée aux corps dense. L'actine ne relie pas deux corps denses, mais s'arrête au milieu d'entre eux ou se trouve l'extrémité - du filament, ce sont des rubans bipolaires de myosine qui assurent la continuité du cable. Les cables sont disposés de façon à résister aux forces qui s'exercent dans la cellule.

D'autres structures impliquent les filaments d'actine : les voiles de migration des fibroblastes, les spikes des neurites en croissance, les stéréocils des cellules auditives, etc...


La synthèse des protéines chez les eucaryotes

La synthèse des protéines chez les eucaryotes ressemble à celle des procaryotes. Elle s'en distingue toutefois par plusieurs différences. Tout d'abord, je vais citer les points communs avec les procaryotes pour ne plus avoir à y revenir. Comme eux, les eucaryotes commencent par transcrire leur ADN en ARN pour obtenir une copie de travail qui sera traduite. Les ribosomes fonctionnent également de la même façon, même si ceux des eucaryotes sont plus légèrement plus gros (80S au lie de 70). Il y a toutefois trois différences fondamentales :
La présence d'un noyau limité par une double membrane empêche que la traduction - qui a lieu dans le cytoplasme - débute avant la fin de la transcription.
L'ARN résultant de la transcription n'est pas utilisable immédiatement. Il doit d'abord subir une maturation.
Les protéines synthétisées peuvent potentiellement être intégrées à n'importe quel organite de la cellule. Il faut donc que la protéine y arrive sans erreurs.
Pour résoudre ces différents problèmes, la cellule eucaryote a développé différents mécanismes très performants.
La maturation des ARN messagers

Juste après la transcription, le messager est une copie conforme du











brin d'ADN. Toutefois, la particularité du génome d'eucaryote est d'être en mosaïque, chaque gène est constitué de morceaux codant pour la protéine - les exons - séparés par des morceaux d'ADN ne participant pas au codage de la protéine - les introns. Pour pouvoir synthétiser une protéine, il faudra auparavant supprimer ces introns. Lors de la transcription, ces introns restent dans le code, ils ne seront éliminés que pendant la phase de maturation ultérieure.
Dans un premier temps, les introns vont être éliminés et les exons raccrochés bout à bout pour reconstituer la continuité de la molécule d'ARN. Cette phase s'appelle l'épissage. La façon dont la cellule reconnaît les introns au sein de l'ARN pré-messager encore mal connue. Plusieurs types d'introns sont connus, et au moins l'un d'entre eux, le type II, possède les capacités catalytiques nécessaires pour s'exciser lui même. Plus fort, certains introns de type II codent pour des protéines qui leur permettent de s'insérer ailleurs dans le génome, on a donc un gène caché à l'intérieur d'un autre gène. Les bactéries ne sachant exciser les introns, leurs propriétés d'insertions sont utilisées en génie génétique pour inactiver certains gènes de façon spécifique.
La maturation du messager ne se limite pas à l'épissage. L'ARN sera précédé d'une coiffe et une ARN polymérase va lui ajouter une queue constituée d'une succession de bases adenosyle répétées plusieurs centaines de fois. Ces modifications permettent de protéger l'ARMm contre la dégradation. EN effet, le cytoplasme est bourrée d'enzyme de dégradation de l'ARNm. La présence de la coiffe et de la queue va permttre à l'ARNm de survivre plusieurs dizaines de minutes. Les ARN qui en sont dépourvus, comme ceux des virus, sont eux dégradées en quelques minutes seulement.
Les gènes en mosaiques présentent d'autres intérêts qui vont au delà de juste compléxifier la transcription ou de fournir des outils au biologiste moléculaire. Au moment de l'épissage, la cellule pourra choisir de ne pas intégrer tous les exons dans l'ARNm final, mais seulement quelques uns. Le choix exact des exons dépend du type et de l'état de la cellule, cette faculté est l'épissage alternatif, il permet à un gène de synthétiser plus d'une protéine. Par ailleurs, il semblerait que le découpage du gène en exon ne se fasse pas au hasard, mais qu'il corresponde à peu près aux domaines fonctionnels des protéines. Cela aurait des implications dans la construction des protéines complexes au cours de la phylogenèse.
On peut signaler que les eucaryotes ne sont pas les seuls à posséder des gènes en mosaïques. Ils partagent cette propriété avec les archéobactéries. En fait, il semblerait que ce modèle soit le plus ancien, les génes continus des bactéries étant apparus par simplification pour optimiser leur métabolisme et peut être aussi comme une adaptation aux hautes température. En effet, les ARNm d'eucaryotes ne survivent pas suffisamment longtemps au delà de 60°C pour achever leur maturation. L'ARNm des procaryotes se dégrade à la même vitesse, mais n'ayant pas à subir de maturation, ils peuvent contourner cette dégradation accélérée en utilisant l'ARN sans attendre qu'il soit entièrement synthétisé.
L'adressage des protéines

Les protéines des eucaryotes doivent après leur synthèse atteindre leur cible finale, le cytoplasme, la membrane ou un organite quelconque. Il peut y avoir des membranes à traverser. En fait, c'est le cas pour la plupart des protéines, seules les protéines cytoplasmiques sont produites directement sur leur lieu d'utilisation, mais même pour elle, leur localisation n'est pas due au seul hasard, autrement l'organisation de la cellule serait passablement perturbée.
On peut imaginer un système de trans******** qui permettrait aux protéines de passer les membranes qui les empêchent d'atteindre leur cible. Une fois les membranes traversées, il n'y a plus de problème, la localisation dans le compartiment membranaire ou liquidien de l'organite dépend de l'hydrophobicité de la protéine. De tels systèmes de trans******** existent en effet. On les trouve sur les membranes des principaux organites : noyau, réticulum, mitochondries, plastes. Grossièrement, ces systémes sont constitués d'un pore qui permet à la protéine en cours de synthèse de traverser la membrane et d'une protéine de contrôle qui selectionne les chaines protéines qui peuvent passer le pore.
Il reste un problème : comment fonctionne le système de contrôle ? Il ne peut pas connaitre toutes les protéines spécifiques d'un organite, elle sont beaucoup trop nombreuses, de plusieurs centaines pour la mitochondrie à plusieurs dizaines de milliers pour le noyau. Sauf bien sûr, si les protéines spécifiques d'un organites ont toutes un point commun. Ce point commun ne se situe pas dans leut structure tridimensionnelles, d'une part cela serait trop contraignant pour leur fonctionnement et leur variété, d'autre part la reconnaissance se produit alors que la synthèse est en cours, à un stade ou la proéeine est encore linéaire. Les chercheurs ont donc eu l'idée d'étudier la séquence de toutes ces protéines et plus spécialement du début de la protéine puisque c'est la seule partie disponible au moment de la synthèse. Ils ont constatés que les ARNm des protéines exportées vers le réticulum codait pour 12 acides aminés de plus que n'en contenait la protéine finale. Ils ont finit par indentifier une séquence consensus qui débute toutes les protéines communes au réticulum : le peptide signal, aussi appelé signal de localisation. Il s'agit d'une séquence consensus, cela signifie que toutes ces protéines ne débutent pas par cette même séquence, mais par une séquence qui lui ressemble fortement, même si quelques acides aminés peuvent être remplacés par d'autres de la même famille. Cette séquence est éliminée très tôt puisqu'en fin de synthèse elle n'existe déjà plus.
Le phénomène qui permet aux protéines d'atteindre leur cible finale est l'adressage. Il fonctionne de la façon suivante : toute protéine spécifique d'un organite débute par une séquence signal ou peptide signal spécifique de la cible. Il peut y en avoir plusieurs à la suite pour affiner la destination. Les protéines de la matrice des mitochondries par exemple ont deux membranes à traverser et donc deux trans********s à subir. Pour le réticulum c'est encore plus complexe, une protéine exportée dans sa lumière pourra soit être intrisèque au réticulum, soit au golgi, soit intégrées aux vésicules d'exocytoses, soit aux lysosomes, soit à la membrane, chaque cas correspond à un peptide signal qui suit celui du signal de localisation réticulaire plus général. Dès que le peptide signal est synthétisée, il est reconnu par le système de trans******** qui fait traverser le pore à la chaine protéique. Tout de suite après la traversée du pore, il est excisé par un complexe enzymatique. A partir de là, la synthèse se poursuit la chaine étant injectée dans le pore au fûr et à mesure de son élongation.
Il est finalement amusant de constater que la cellule, pour acheminer une protéine à sa destination finale, utilise la même technique que l'homme pour acheminer son courrier : elle marque l'adresse dessus

<La membrane plasmique


La membrane plasmique constituent l'interface entre la cellule et son milieu. Elle assure donc à la fois un rôle de barrière en empêchant les molécules cellulaires de partir et les molécules extérieures d'entrer librement, et un rôle de barrière en sélectionnant les éléments qui peuvent entrer ou sortir. Toutefois, ses fonctionnalités ne s'arrêtent pas là. C'est le prer élément rencontré par les molécules porteuses d'information, comme les hormones, les neurotransmetteurs ou diverses espèces chimiques importantes pour la cellule. C'est principalement la membrane qui permet à la cellule de connaitre son environnement et d'agir sur lui. La membrane est donc un organite fondamental aux fonctions multiples que nous allons maintenant détailler.


<">Structure des membranes biologiques



La membrane est constituée de trois des principaux éléments de base du vivant, des lipides, des protéines et des glucides. Ces trois éléments coopèrent pour former un film fluide mais néanmoins étanche qui isole la cellule du milieu extérieur et lui permet d'intéragir.



Les lipides membranaires


Ils constituent le coeur de la membrane et sont responsable de son étanchéité à l'eau et par conséquent des molécules solubles dans l'eau, ce qui constitue la majorité des molécules biologiques. Les lipides impliqués sont des phospholipides et, chez les eucaryotes, du cholestérol. En solution dans l'eau, les phospholipides se disposent en un film bimoléculaire de quelques nanomètres d'épaisseur, le coté apolaire est enfouis au coeur de la membrane alors que le coté polaire est en contact avec l'eau. Cette structure est appelée bicouche lipidique, chaque couche de lipide constituant une demi membrane. La membrane n'est donc pas, comme on pourrait le penser une structure solide mais un liquide emprisonnée entre deux autres milieux liquides dans lesquels il est insoluble. Elle est donc fluide, les molécules hydrophobes peuvent s'y dissoudre et s'y mouvoir librement, elles ne peuvent toutefois pas passer d'une demi membrane a une autre. Al'inverse, la bicouche bloque totalement les molécules polaire.

La fluidité de la membrane est un parametre important pour son fonctionnement correct. Comme pour tous les liquides, elle dépend fortement de la température, augmentant et diminuant dans le même sens que celle-ci. La cellule doit donc ajuster incessament cette fluidité de façon a compenser les variation de températures. Elle y arrive modulant la composition en lipide de la membrane:

Les lipides à longue chaine diminuent la fluidité de la membrane.
L'insaturation des chaines lipidique augmentent la fluidité de la membrane.
Pour compenser une augmentation de température la cellule augmentera la longueur des chaines en diminuant leur insaturation. Pour compenser une diminution de température la cellule diminuera la longueur des chaines en augmentant leur insaturation. La resynthèse des lipides membraine est longue et cette adaptation ne joue que si les variation de température sont lentes.
Les eucaryotes disposent d'un autre moyen de réguler la fluidité : le cholestérol. Ce lipide a en effet la propriété de réguler la fluidité de la membrane, de la maintenir stable dans une plage étendue de température. Il joue en quelque sorte le rôle d'un tampon de fluidité. Sa présence permet une adaptation aux variations relativement rapides de température. Le cholestérol se trouve principalement dans la demi-membrane extracellulaire. Les procaryotes, à quelques rares exceptions près, n'ont pas de cholestérol.


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Conformement à leurs habitudes d'étrangeté, les archéobactéries possèdent des lipides que l'on ne retrouve nulle part ailleurs dans le monde vivant. Leurs acides gras sont reliés au glycérol par des liaisons ether au lieu de liaisons ester et certains d'entre eux, possédant deux extrémités polaires et un centre apolaire, traversent la membrane dans toute son épaisseur. Ils sont responsables de la résistance de ces cellules aux températures et pH extrèmes auxquels on les trouve.
Les protéines

Une membrane uniquement lipidique n'a aucun usage. D'une part, une telle structure est instable : les membranes peuvent fusionner, se séparer, former des embranchements. D'autre part rien ne peux la traverser (à l'exception des gaz), ni les molécules polaires qui ne sont pas solubles dans les lipides, ni les molécules apolaires qui ne peuvent pas l'atteindre car elles ne peuvent pas traverser seules le milieu aqueux qui les entoure. Or si ces propriétés sont exploitées dans la cellule, celle ci a malgré tout besoin d'une membrane stable ainsi que d'échanger des molécules avec le milieu extérieur. Ce sont les protéines qui assurent cette fonction.
Les protéines peuvent être disposées de diverses façon par rapport à la membrane : au contact de celle-ci, enchassées dans une demi membrane ou traversant la membrane de part en part. Part ailleurs, une protéine peut être consituée de plusieurs sous-unité qui sont agencées différement avec la membrane. Les protéines participent à la polarisation membranaire, une protéine situé sur la face externe de la cellule le restera toujours, de même qu'une protéine intracellulaire. Pour les protéines qui traversent la membrane (les protéines intramembranaires), les parties extracellulaires et intracellulaires seront toujours les mêmes d'un exemplaire à l'autre de la molécule. Il y a bien sûr des exceptions, certaines fonctions biologiques nécessitent des mouvements de protéines au sein de la membrane, mais il s'agit alors d'une particularité spécifique de la protéine, pas d'un aspect fondamental de la membrane.
Les protéines sont responsables de la quasi-totalités des spécificités de la membrane. Les molécules polaires ne peuvent pas traverser la membrane, ce sont les protéines qui vont s'en charger. A l'inverse, si une molécule polaire ne dispose pas d'une protéine capable de lui faire traverser la membrane, elle ne pourra pas la traverser. En choisissant ses protéines, la cellule va pouvoir choisir quelles molécules vont pouvoir entrer ou sortir. Le rôle des protéine est toutefois plus large : elles vont transmettre à l'intérieur de la cellules des informations sur le milieur extérieur, elles vont participer à maintenir la forme et la stabilité de la membrane, elles vont servir de point d'ancrage à des structures extracellulaire ou intracellulaire et elles sont à l'origine de la dynamique membranaire.


Les glucides

Les protéines assuraient déjà une polarisation de la membrane, mais ce rôle est principalement dévolu aux glucides. Ils vont en effets former à la surface de la membrane des structures complexes et variées, mais toujours extracellulaires. Les glucides sont accrochés à la membrane par deux moyens : ils sont fixés à la surface des protéines intramembranaires (les glycoprotéines) ou aux lipides membraines (les glycolipides).

Ces glucides ont plusieurs rôles :
Reconnaissance : les motifs glucidiques sont très antigéniques (par exemple les groupes sanguins).
Participation à l'environnement local, les glucides sont des molécules très polaires.
Renforcement de la membrane.
Chez les animaux, les glucides forment un feutrage souple appelé glycocalyx. Chez la plupart des autres cellules vivantes, les glucides forment une paroi résistante et indéformable autour de la cellule : cellulose chez les végétaux, muréine chez les bactéries, qui assure la solidité de la membrane. Cette paroi ne fait pas à proprement parler de la membrane mais elle s'y accroche par les glucides extracellulaires.


Les membranes sont des structures fluides, interface entre le milieu extracellulaire et intracellulaire que la cellule peut ajuster de façon très spécifique pour répondre à ses besoins. Elle joue à la fois un rôle de communication avec l'extérieur et un rôle de tri des molécules d'intérêt pour la cellule. Ces propriétés font de la membrane l'un des organites les plus important de la cellule, le seul dont aucune cellule ne peut se passer, même temporairement. C'est aussi le seul que l'on soit arrivé à reproduire partiellement en laboratoire
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Les échanges avec l'extérieur



Une cellule n'est pas un milieu totalement isolé. Elle doit prendre sa nourriture dans le milieu extérieur et y rejeter ses dechets. Elle doit aussi le maintient des concentrations ioniques de son milieu interne en puisant ou rejetant des ions dans son environnement. La cellule y parvient en utilisant des protéines spéciales canaux et pompes et en exploitant diverses énergies, métabolique, potentiel electrochimique, etc...
Les canaux et les transporteurs



La membrane cellulaire, si elle était constituée uniquement de lipide serait totalement étanche. Les molécules hydrophiles ne peuvent pas se dissoudre pour traverser la membrane. Les molécules hydrophobes ne peuvent pas traverser la couche polaire qui recouvre la membrane. Pour resoudre ce problème, la cellule contient des protéines enchassées qui permettent aux molécules de la traversée. Ces protéines ont deux propriétés principales, elles sont selectives et elles sont contrôlées. Il existe deux grandes catégories de protéines assurant la traversée de la membrane : des canaux et des pompes.


Les canaux

Les canaux constituent la famille de molécule de transport transmembranaire la plus représentée dans la cellule. Le principe est simple, quand le canal est fermé, il est totalement étanche, quand il est ouvert, sa molécule spécifique le traverse selon son gradient électrochimique. Si ce gradient s'annule, le mouvement transmembranaire s'arrete, s'il s'inverse le mouvement s'inverse également. Les canaux ne peuvent en aucun effectuer des transports contre le gradient electrochimique et sont donc responsable de la diffusion facilité.
Le canal est hautement sélectif, ce qui veux dire qu'il va être traversé par une famille de molécule voire une seule molécule. Le canal le moins selectif, comme le canal nicotinique responsable de l'activité musculaire, laisse passer tous les ions positifs monovalent. A l'autre bout de la chaine, certains canaux, les plus nombreux, laissent passer un seul ion : calcium, sodium, chlore, etc...
Aussi varié sont les modes d'ouverture de ces canaux. Certains sont ouverts en permanence. De part le courant ionique qu'ils créent, il participent à la polarisation de la membrane, donc de la composante électrique du gradient electrochimique de tous les ions. D'autre s'ouvrent sous l'action d'un molécule ou d'un ion. D'autre enfin s'ouvrent sous une action mécanique, une variation de potentiel, une variation de température.
La durée d'ouverture aussi varie. Les canaux peuvent rester ouvert tant que le stimulus est présent, d'autre se referment après quelques millisecondes et sont parfois suivit d'une période refractaire ou même une nouvelle stimulation n'ouvrira pas le canal.
Les canaux sont impliqué dans de nombreux phénomène cellulaire. Ils ne sont en général pas responsable de la régulation de la composition cellulaire, mais participent au phénomène d'excitabilité cellulaire. Les dépolarisation et mouvement ioniques qu'ils provoquent assurent des phénomènes tels que la conduction nerveuse, la contraction cellulaire, la sensibilté de certains recepteurs sensoriels, mais aussi la sensibilités aux hormones et aux neurotransmetteurs. Cette variété de rôle est permise grace à un nombre élevés de canaux, il n'existe en effet pas un seul canal calcique dans l'organisme, mais plus d'une dizaine se différenciant par leur mode d'ouverture, leur durée d'ouverture et leur régulation, et c'est le cas de tous les canaux.
Canaux et pathologie

Les canaux transmembranaires sont impliquées dans de nombreuses pathologie. La plus connue d'entre elle est la mucoviscidose. Cette maladie génétique a pour symptome un encombrement des voies aériennes et digestives par un mucus épais et visqueux, il n'est pas suffisament hydraté. La cause de se défaut d'hydratation est un défaut dans le canal chlore CTRF (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator). Ce canal provoque normalement une sortie de chlore des cellules épithéliales de la trachée artère, cette sortie de chlore entrainant par pression osmotique une sortie d'eau. Il régule donc la viscosité du mucus.
Ce canal s'ouvre sous l'action de l'ATP . L'ATP se fixe dans une zone nommée Nucleotid Binding Domain (NBD = domaine de fixation des nucléotides). L'ATP est ensuite hydrolysé et le canal se referme. Cette fermeture est suivie d'une période d'inactivation pendant laquelle le canal ne peut plus être ouvert.
Chez les patients atteind de mucoviscidose, une phénylalanine (un acide aminé) en position 508 de la protéine est manquant. Cette zone est en plein milieu du NBD. Cela suffit à perturber son fonctionnement. L'efflux des ions chlore par un canal pendant son ouverture n'est pas modifié, ni son temps d'ouverture, mais sa periode refractaire est augmentée. L'efflux global de chlore est donc fortement diminué. De plus, le canal fonctionnant mal, la cellule l'elimine de la membrane, ce qui agrave le phénomène.


Les transporteurs ou pompes.

Les transporteurs se différencient des canaux par le fait que ce n'est plus le gradient électrochimique des molécules qui assure le mouvement ionique mais le couplage du transport à une réaction enzymatique exergonique, comme l'hydrolyse de l'ATP. Le mouvement de la molécule devient donc unidirectionnel et même se produire contre le gradient electrochimique.
Le transporteur le plus connu est la pompe Na/K qui expulse trois ions sodium et fait entrer deux ions potassium pour chaque molécule d'ATP hydrolysée. Ce transporteur est très important dans la cellule car il assure la création et le maintient du gradient électrochimique membranaire et est indirectement à l'origine de la plupart des mouvements transmembranaire. Si cette pompe s'arrete, le gradient electrochimique disparait et les mouvements ioniques s'arrêtent de part et d'autre de la membrane plasmique. D'autres transporteurs très important dans la cellule sont ceux qui expulsent le calcium du cytoplasme et maintiennent une concentration très basse de l'ordre de la nanomolaire. Cette concentration très basse sera exploitée par la cellule, le calcium est utilisé par de nombreux recepteurs comme signal pour prevenir la cellule de la presence de sa molécule activatrice (hormone en général) sur son site actif.
Une curiosité est le l'ATPase à proton . Cette molécule présente dans la membrane interne des mitochondries, la membrane des thylacoides et la membrane plasmique des bactéries aérobies. C'est un transporteur qui pour chaque molécule d'ATP hydrolysée peut expulser deux ions hydrogène à travers la membrane. Toutefois, le gradient electrochimique de l'hydrogène est tel que ce canal va fonctionner à l'envers, les ions hydrogène vont transiter en sens inverse par rapport au sens habituel et l'ATPase va synthétiser de l'ATP au lieu de l'hydrolyser. C'est cette pompe qui est responsable de la production d'ATP resultant de la respiration cellulaire.


Les transports couplés.


Ce type de transport est un mélange des deux précédents. Il s'agit d'un transport mais dont l'energie est fournie par un autre ion qui se déplace selon son gradient électrochimique. Selon le sens de déplacement respectif des deux molécules on parle de symport (l'ion et la molécule transportée traversent la membrane dans le même sens) ou d'antiport (les deux espèces chimiques se déplacent en sens inverse. Ces transports couplés sont très utilisée par la cellule pour recuperer les molécules nécessaires à son métabolisme dans le milieu exterieur. Bien que ne consommant pas d'ATP, ce type de transport utilise de l'énergie, celle du gradient electrochimique d'un ion. Ce gradient est crée via l'action d'un transporteur hydrolysant l'ATP ou toute autre molécule énergetique, en général la pompe Na/K.

Transmission intracellulaire de l'information

Notion de récepteur et de second messager



Une cellule en plus de faire transister des molécules à travers sa membranes doit savoir ce qui se passe à l'extérieur. La membrane constitue le seul élément en contact avec l'extérieur. Celle-ci est dotée de molécules spécialisées dans la detection des evènements externes et la transmission de l'information à l'intérieur de la cellule en vue d'une réaction spécifique. Certains phénomène detectés sont capables de traverser la membrane comme la lumière ou les hormones stéroïdes, ils ne feront pas l'objet de ce chapitre.
Les récepteurs

Le terme récepteur en biologie désigne une molécule capable de fixer une autre molécule et d'emettre un signal quand la molécule spécifique (ou ligand) se fixe sur le site de reconnaissance. Les ligands peuvent être des ions, des métabolites , des hormones, des neurotransmetteurs ou des facteurs de croissance, des anticorps voire des molécules bactériennes ou virales. En fait tout ce qu'il est nécessaire à la cellule de détecter dispose d'un récepteur qui lui est propre ou tout au moins à la famille moléculaire à laquelle appartient le ligand. Pour un ligand donné, il peut de plus y avoir plusieurs récepteurs qui différent par leur sensibilité, leur régulation ou leur expression spatiale (variation des cellules qui possèdent ce récepteur) ou temporelle (variation du récepteur dans le temps). Il existe donc un très grand nombre de récepteur et leur étude est un des domaine de recherche les plus actif en biologie moléculaire.

Une même molécule peut avoir des effets divers dans un organisme. A chaque action correspond en général un type différent de récepteur. Cela explique l'interêt des récepteurs pour la médecine (en particulier psychiatrique). La decouverte d'une molécule qui agit sur un seul type de récepteur permet d'obtenir un effet thérapeutique maximal tout en limitant les effets secondaires. Les molécules qui permettent d'etudier ces récepteurs appartiennent au groupe des toxines. Les toxines sont des molécules qui n'ont aucune homogéneité chimique. Elles sont définies par leurs propriétés : à la fois très spécifiques, agissant sur un seul type ou une seule famille de récepteur et également très sensibles, la concentration nécessaire pour produire leur effet est très basse. Les toxines sont à la base de la classification des récepteurs. Ainsi, les deux grande familles de récepteurs de l'acétylcholine ont été différenciées par leur sensibilités à deux toxines : la nicotine (extraite du tabac) et la muscarine (un alcaloide extrait de l'amanite). A l'intérieur de ces deux grands groupes, il existe différents sous types de récepteurs qui sont différenciés par d'autres toxines.

Les seconds messagers

Une hormone, un neurotransmetteur ou toute autre molécule reconnue par un récepteur, se fixe sur la seule partie accessible du récepteur, la partie extracellulaire. Pour que la cellule puisse prendre connaissance de cette fixation, le signal doit être transmis à l'intérieur de la cellule. L'activation du récepteur va declencher une cascade de réaction métabolique qui va avoir pour résultat de libérer une molécule précise dans le cytoplasme. Cette molécule va pouvoir transmettre l'information à tous les effecteurs cellulaires. Elle est nommée second messager car elle transmet l'information portée par le premier messager : le ligand du récepteur. Il existe plusieurs seconds messagers correspondant à différents types de récepteurs cellulaires. L'autre fonction du second messager est de provoquer une amplification du signal recu : chaque molécule du ligand va activer un seul exemplaire du récepteur qui va produire plusieurs molécules de second messagers. En fonction de l'enzyme activée par le récepteur pour produire le second messager, on va distinguer plusieurs catégories de récepteurs.


Les récepteurs à sept domaines transmembranaires







Premiers à être découverts, ils sont en conséquence mieux étudié. Leur nom viens de ce que leur structure spatiale est très homogène à travers toutes les espèce de la bacterie à l'homme, ils sont constitués d'une chaine protéique unique traversant la membrane plasmique à sept reprises. Pendant longtemps on a cru qu'ils étaient le seul type de récepteur cellulaire. Tous ont en commun le fait que l'enzyme produisant le second messager n'est pas portée par le récepteur lui même. Elle constitue une protéine indépendante, le couplage entre le récepteur et l'enzyme s'effectuant par une protéine particulière nommée Protéine G. On distingue deux grandes familles de récepteurs en fonction l'enzyme activée pour synthétiser le second messager : les récepteurs activant l'adénylate cyclase et les récepteurs activant la phospholipase C.
Les récepteurs à adénylate cyclase

Ces récepteurs ont été decouverts par Sutherland dans les années 1950 et sont à l'origine de la notion de second messager. Sous l'action de l'adrénaline, la phosphorylase hépatique peut liberer hydrolyser le glycogène et produire du glucose. L'adrénaline se fixe sur la membrane et la phosphorylase est cytosolique. Par broyat et centrifugation, Sutherland sépare la membrane et le cytosol. L'adrénaline appliquée sur le cytosol n'a aucun effet, l'adrénaline n'agit pas directement sur l'enzyme. Sur les membranes isolées, il va faire agir l'adrénaline et il recupère le cytosol résultant de cette action. Ce cytosol ajouté au premier cytosol va declencher l'activation de la phosphorylase. Il en conclut que la fixation de l'adrénaline sur la membrane va provoquer la synthèse d'une molécule qui va diffuser dans le cytosol et activer la phosphorylase. Il nomme cette molécule un second messager. Des expériences ultérieures montreront que ce second messager est une molécule déja connue à l'époque, l'AMPc ou AMP cyclique.
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L'AMPc est une molécule produire par l'adénylate cyclase à partir de l'ATP cytosolique. Il s'agit d'une molécule d'AMP, mais l'unique phosphate est relié à la fois aux carbone 3 et 5 du ribose. L'adénylate cyclase est une protéine membraire localisée dans la demi membrane interne de la membrane plasmique. Toutefois, elle n'est pas portée par le recepteur membranaire. Ainsi que l'a montré Rodbell dans les années 1960, trois molécules sont impliquées dans la synthèse de l'AMPc : le recepteur à l'adrénaline, l'adénylate cyclase et une système de couplage. Le principe de fonctionnement est celui decrit dans la figure ci contre. La fixation du ligand sur le récepteur active la proéine Adenylate Cyclase (AC) qui produit de l'AMPc. Cet AMPc va activer toute une famille de protéines, les protéines kinase A (PKA) qui sont directement responsable des effets cellulaires. Une autre protéine, la phosphodiestérase, va degrader l'AMPc en AMP, stoppant ainsi son effet. Dans cette description, le système de couplage est indeterminé. Rodbell montrera qu'il s'agit d'une qui protéine hydrolyse le GTP et l'appelera donc protéine G. La protéine G est un hétérotrimère (constituée de trois chaines protéiques différentes) dont les chaines sont nommées α, β et γ. Le site d'hydrolyse du GTP est porté par la chaine α.
Le fonctionnement du système a pu être totalement élucidé. Au repos, le site enzymatique est occupé par du GDP. La fixation de l'adrénaline sur son support va provoquer un changement de conformation des protéines qui va provoquer l'expulsion du GDP et son remplacement par du GTP. Sous l'action du GTP, la sous unité α de la protéine G va être libérée du complexe et activer l'adénylate cyclase. L'AMPc synthétisé est libéré dans le cytosol ou il va activer ses différents effecteurs (dans le cas du foie, la phosphorylase). Au bout d'un temps variable, la protéine G hydrolyse le GTP en GDP et le complexe avec les chaines beta et gamma se reforme. L'activité de l'adénylate cyclase s'arrète, l'AMPc cytosolique est éliminé du cytoplasme par conversion en AMP et l'effet de l'adrénaline cesse totalement.
Les récepteurs couplé à la phospholipase C

Ces recepteurs ont été découverts dans les années 50 par Hokin qui a constaté que l'acétylcholine stimulait le métabolisme des phosphatidyl-inositol. Sous l'action de son hormone, la phospholipase C va hydroliser les lipides membranaires et libérer du diacyl-glycérol (DAG) et de l'inositol triphosphate (IP3). Ces deux molécules vont faire office de seconds messagers :

le DAG va activer la protéine kinase C (PKC). Cette protéine migre de la membrane dans le cytoplasme (famille A, sensible au calcium) et parfois vers le noyau (famille B, insensible au calcium). Cette famille de protéine va phosphoryler diverses protéines cellulaires et ainsi les activer.
L'inositol phopshate va provoquer une entrée de calcium dans le cytoplasme en agissant sur deux reserve, le calcium extracellulaire ou le calcium stocké à l'intérieur de la cellule dans le reticulum endoplasmique lisse en ouvrant des canaux membranaires. Le calcium est dans cette voie, le véritable second messager. Il va activer diverses protéines, modulée par la concentration en calcium plasmatique (d'ou leur nom de calmoduline).
La voie du DAG et la voie de l'IP3 agissent de façon synergiques sur leurs cibles.
Comme les récepteurs à adénylate cyclase, ceux couplés à la phospholipase C sont activés par le DAG. Mais il existe deux autres voies :
La phosphorylation par une tyrosine kinase.
Activation par le calcium.

Les recepteurs enzymes





Les récepteurs enzymes sont des récepteurs membranaires donc l'occupation du site actif se traduit par une activité enzymatique intracellulaire par le récepteur même. Ils sont très importants chez les animaux car ils interviennent dans de nombreux processus de régulation de la division cellulaire et dans l'immunité, ainsi que dans d'autres domaines. On distingue deux catégories de récepteurs enzymatiques : les récepteur tyrosine kinases et les guanylate cyclases. Les tyrosine kinases

Les tyrosine kinases constituent une famille d'enzymes très importante dans l'organisme eucaryote. Ces molécules ont en commun la propriété de phosphoryler un résidu tyrosine. Cette méthode est une méthode d'activation ou d'inactivation de certaines voies enzymatiques au sein de la cellule. La plupart de ces kinases sont des récepteurs membranaires.
Structure et fonctionnement des récepteurs


Les récepteurs tyrosine kinases sont des molécules transmembranaires comportant un site récepteur sur la face extracellulaire et un site tyrosine kinase sur la face interne. Les deux parties sont reliées par un seul segment transmembranaire. Les récepteurs tyrosine kinase comportent aussi un site de phosphorylation. Leur site kinase est normalement inactif, pour être activé, leur résidu tyrosine doit d'abord être phosphorylé. Le schéma ci contre présente un récepteur tyrosine kinase type. Dans la réalité, ces récepteurs peuvent être beaucoup plus complexes, pouvant acceuillir differentes site de phosphorylation, plusieurs sites enzymatiques et la structure extramembranaire pouvant être très variée, comportant plusieurs sites de reconnaissante, voire un site de reconnaissance constitué de plusieurs protéines
Le mécanisme d'activation de ces récepteurs est particulier, car le segments transmembranaire, ne peut pas transmettre d'information sur l'occupation du site de reconnaissance du ligand vers l'intérieur de la cellule. Le ligand va se fixer deux récepteurs qui vont être ainsi rapprochés et pouvoir se phosphoryler mutuellement. L'activité tyrosine kinase va alors pouvoir s'exercer sur leurs différentes molécules cibles.
Une fois phosphorylé, le récepteur ne peut plus être dephosphorylé. Son activité enzymatique va donc se poursuivre indéfiniment. Pour stopper son action, la cellule va internaliser le récepteur. La protéine va ensuite être degradée dans un lysosyme ou dans certains cas renvoyée à la surface de la membrane après inactivation pour être reutilisée.
Phénomènes cellulaires impliquant un récepteur tyrosine kinase

On rencontre ce type de récepteur dans les phénomènes de communication intercellulaires. Une catégorie d'hormones appelée facteurs de croissance utilise ce genre de récepteurs. Ils sont donc à un carrefour majeur dans le contrôle de la multiplication cellulaire chez les vertébrés. Cela explique de nombreux oncogènes se revèlent coder pour ces récepteurs et leur dysfonctionnement est à l'origine de nombreux cancers. Ils sont responsable aussi de l'effet cancérigène de certains virus. Ainsi l'un d'eux produit une protéine qui s'insère dans la membrane plasmique et possède une activité tyrosine kinase constitutive, générant sans cesse un signal de multiplication cellulaire.
Un deuxième grand domaine d'action de ces cellules est l'immunité. Les anticorps ayant reconnus leur antigène activent un récepteur de ce genre sur leurs cellules cibles. De même, les molécules du complexe majeur d'hystocompatibilité (appelé HLA chez l'homme), responsable de la différenciation entre le soi et le non soi fonctionne en utilisant des récepteurs tyrosine kinase.
Dans la régulation métabolique, ces récepteurs sont peu représenté. Une exception majeure cependant, le récepteur de l'insuline, l'hormone hypoglycemiante, est de type tyrosine kinase.
Les guanylate cyclase

Ces récepteurs possèdent une enzyme qui produit du GMPc à partir de GTP, l'équivalent de l'AMPc mais en utilisant la guanine au lieu d'adénine comme base azotée. Les voies de production sont en revanche totalement diffrentes puisque l'AMPc est produite via un récepteur à 9 segments transmembranaires.
Il existe deux types de guanylate cyclase, une membranaire et une soluble. La seconde a été la plus étudiée car elle intervient dans un mécanisme qui a surpris plus d'un biologiste lors de sa découverte. En effet, son ligand n'est autre que le monoxyde d'azote ou NO, un gaz soluble et à durée de vie très courte. Ce NO est produit par l'endothelium vasculaire et diffuse jusqu'aux cellules de la couche musculaire. La guanylate cyclase ainsi activée va produire du GMPc qui par divers voies va aboutir à la relaxation des fibres musculaires lisses du vaisseau sanguin, ce qui explique l'effet vasodilatateur du NO.


يتبع ...

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