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Compartiments et transport intracellulaires A- Compartiments intracellulaires et tri des protéines B-Transport vésiculaire dans les voies de sécrétion et d’endocytose


Une «Carte routière » simplifiée de la circulation des protéines. voyage commence par synthèse protéine à chaque station,décision: retenir ou transporter plus loin se termine quand destination finale atteinte


(1) Transport à travers les pores nucléaires

(2) Transport par translocation à travers les membranes

(3) Transport par des vésicules

Réf 2: ALBERTS (B) ,L’essentiel

3 mécanismes principaux par lesquels les organites limités par une mb importent des protéines.


Interactions entre signaux et récepteurs orientent les constituants cellulaires vers leur destination correcte

des signaux de reconnaissance spécifique intégrés dans structure protéines et *AN, guident la migration vers le compartiment auquel elles sont destinées

*AN : acides nucléiques


I . Compartiments membranaires


I-Avantages de la compartimentation Bactéries Compartiment intracell unique (complexes multi - protéiques )

Eucaryotes Compartiments limités par mb fonctionnellement distincts

Cellule = compartiment qui isole un ensemble de macromolécules du reste de l’univers!


Le maintien de la compartimentation est la clé de la permanence de l’identité cellulaire Or une cellule vit et interagit avec un environnement Il existe en plus des échanges avec l’extérieur dépendant de mb , un trafic mol entre les différents compartiments


Les diverses fonctions de biosynthèse, de dégradation et de production d’énergie compartimentées dans cellules eucaryotes Les ≠compartiments nombre , taille varient selon type cellu

orientés vers des fonctions distinctes et spécialisées . Un organite a souvent le monopole d’une fonction donnée


Réf 2: ALBERTS (B) ,L’essentiel


Principales fonctions des compartiments d’une cellule eucaryote limités par une mb Compartiment

Principale fonction

•Cytosol •Noyau •RE

• nombreuses voies métaboliques , synthèse protéique •contient génome , synthèse de ADN ,ARN • s’associe aux ribosomes: synthèse protéines sécrétées

•AG •Lysosomes •Endosomes •Mitochondrie •Chloroplastes

et protéines intégrées mb , synthèse lipides •modification , tri et empaquetage de protéines , lipides •dégradation intracellulaire (enzymes hydrolytiques) •Tri du matériel incorporé par endocytose •Synthèse de l’ATP par phosphorylation oxydative •Synthèse de l’ATP et fixation du carbone par photosynthèse •Oxydation des molécules toxiques ( contiennent la catalase et ≠ oxydases)

•Peroxysomes


Les compartiments de la cellule: organites membranaires spécialisés -Compartiments de traitement protéines (R E , A G, Vésicules de sécrétion ) -Compartiment des acides nucléiques (noyau , nucléole) -Compartiments clos(mitochondries, chloroplastes , peroxysomes) -Compartiment cytosolique


Structure fondamentale de la cellule. Illustrations de cellules appartenant aux branches majeures de l’arbre phylogénétique utilisant le même code de couleurs.


Cellule polarisée spécialisée Se caractérise par organites impliqués dans biosynthèse et voie d’endocytose.

Bordent la frontière entre le milieu externe et l’intérieur de l’organisme, les 2 surfaces/ propriétés structurales et fonctionnelles ≠. Réf14:Pollard (T-D)


Levure de bière

Cellule acineuse pancréatiqu Spécialisée dans sécrétion régulée, développement important RE, AG, granules sécrétoires

Les compartiments assurant biosynthèse et voie d’endocytose peu développés pour assurer division rapide.

Compartimentation dans cellules euc de fonction différente. Le nombre, la taille des compartiments intracellulaires varient selon la fonction assurée par la cellule. Réf14:Pollard (T-D)


Les compartiments mb : -ne sont pas distribués au hasard - emplacements souvent caractéristiques L’ensemble des compartiments (organites) occupe prés de ½ du volume cellulaire.


Les compartiments zones privilégiées dans volume restreint Microenvironnement (enzymes, cofacteurs ,substrats concentrés)

Vitesse des interactions moléculaires


Environnement de part et d’autre de mb semi perméable modulée pour obtenir: -milieu ionique adéquat ou -asymétrie ionique ( PH, gradient ionique et/ou électrique) Mol hydrophobes à l’abri de l’eau séquestration des activités à risque -enzymes dégradation des lysosomes -enzymes oxydatives ,peroxysomes


Comprendre la compartimentation au sein d’une cell euc ! -Savoir ce qui se passe dans ses compartiments? -Comment les molécules circulent entre elles? - Comment les compartiments sont créés et conservés?


[Origines des compartiments] La compartimentation chez les cellules procaryotes a permis aux 1ers eucaryotes - de taille - capter l’énergie plus efficacement -réguler expression gènes d’une manière plus complexe Modèle hypothétique de l’évolution de la compartimentation intracellulaire.


Système digestif extracellulaire Système digestif intracellulaire Elaboration organite mb de biosynthèse Compartimentation équipement de biosynthèse et du génome

Acquisition des mitochondries

Modèle hypothétique de l’évolution des compartiments intracellulaires.


La description sommaire des principaux aspects de l’origine de la compartimentation

Apprécier importance fonctionnelle des organites et Identifier les corrélations possibles


Procaryotes ancestraux compartimentés! Biosynthèse à l’intérieur Digestion à l’extracellulaire Exporter matériel de digestion (enzymes hydrolytiques / surface Ou produits de sécrétion libres)

et Capter produits de digestion (fig:A)


Canal

Matériel génétique Matériel de digestion à la surface mb

Transporteur

Internalisation enzymes d’hydrolyse avec nutriments de l’environnement/ 1° étape vers la compartimentation, création d’un lysosome

A .Procaryotes ancestraux, biosynthèse au sein de cellule digestion extracellulaire. B. Internalisation enzymes d’hydrolyse sécrétées avec nutriments provenant de l’environnement. Réf14:Pollard (T-D)


Adressage et transport protéines /mb 1° étape vers la compartimentation Hypothèse Invaginations des sous domaines mb impliqués dans synthèse des lipides mb et translocation des protéines RE :organite intracellulaire de biosynthèse


Internalisation Enzymes d’hydrolyse sécrétées + nutriments /environnement Lysosome primitif (Fig:B) l’efficacité de la digestion et l’absorption des nutriments macromoléculaires


Présence de 2 organites intracellulaires

vésicules de transport dont éléments protéiques et lipidiques synthétisés dans RE primitif! Fonctionnent : -comme transporteurs (exportant vers

surface ou vacuoles et important matière 1°) -comme protecteurs (séparant enzymes digestives du cytoplasme environnant.)


Apparition de plusieurs destinations possibles dans cellule Signaux d’adressage pour distinguer les ≠ circuits les uns des autres Stratégie "diviser et spécialiser" ulilisée grand nombre de fois voies d’exportation et de digestion: machinerie de synthèse.(Fig:C)


Invagination de mb plasmique impliquée dans synthèse des lipides et de la translocation protéique , donne naissance RE.

Couplage des 2organites intracellulaires : vésicules dont le rôle: transport / protection

Réf14:Pollard (T-D)


Dans certaines bactéries

Invagination étendue pour former enveloppe autour ADN tout en lui laissant accès au cytosol/ par pincement détachée de mb plasmique.

Hypothèses des origines évolutives du noyau et du RE Réf 1: ALBERTS (B)


Chaque étape de séparation

Mise en place niveau supplémentaire de communication réciproque entre les vésicules

Nouveau jeu de signaux d’adressage


Evolution/développement système vacuolaire: RE (centre de la translocation

des protéines et synthèse des lipides), AG ,système endosome / lysosome

RE a donné naissance à enveloppe nucléaire (génome plus complexe , séparation transcription/traduction) (Fig:D)


Enveloppe nucléaire

Réf 1: ALBERTS (B)


Quand oxygène apparu dans atmosphère

pour exploiter ce puissant oxydant , apparition peroxysomes (centre dégradation oxydative) Apparition mitochondries Sites d’utilisation d’oxygène , de l’extraction d’énergie libre des métabolites, et de sa conversion en ATP (Fig:E)


Mitochondries par endosymbiose

R E a évolué pour donner enveloppe nucléaire.

Développement du système vacuolaire comprenant R E , AG et système des endosomes ,lysosomes, ( par endosymbiose ) mitochondries. Réf14:Pollard (T-D)


MECANISME PROPOSE POUR L’origine des mitochondrie


MECANISME PROPOSE POUR L’ORIGINE DES CHLOROPLASTES


Arbre phylogénétique universel reposant sur la comparaison des séquences d’ARN ribosomal.


Mitochondries apparues par endosymbiose!

On ne sait pas si peroxysomes ou apparus de même manière que mitochondrie

spécialisation complémentaire du compartiment vacuolaire

(Aucune trace de procaryote dans peroxysomes.)


L’apparition de l’O2 dans l’environnement a permis la synthèse du cholestérol et son intégration mb Épaissit sans modifier fluidité mb , en absence de paroi cellulaire, solide mais flexible Facteur important pour volume cellu au début de l’évolution.


La compartimentation et division du travail qui l’accompagne : Bénéfices mais aussi Problèmes

Compartiments non autonomes, leurs activités doivent être intégrées pour bénéficier à l’ensembles de la cell, nécessite mécanismes de transport -entre compartiments -à travers mb qui les délimitent


Réalisation d’échange entre systèmes mb

Quelles sont les molécules concernées, les compartiments et les mécanismes impliqués?

(L’essentiel du trafic cellulaire semble basé sur les protéines)


Adressage des protéines. Les signaux intégrés dans séquence d’aa des protéines les orientent vers ≠compartiments de cellule eucaryote. A.Protéines/ribosomes libres : dans cytoplasme ou dirigées par ≠ signaux vers noyau, mito , peroxysomes B.Protéines / ribosomes liés RE; mb ou lumière RE , à partir de la ,série de bourgeonnements et de fusions vésiculaires AG ,lysosomes ou mb plasmique. Réf14:Pollard (T-D)


Eucaryotes


Structure des coiffes de l’ARNm Les ARNm des procaryotes se terminent par .un groupement 5’triphosphate/ eucaryotes par coiffe d’une base méthylée (m7G) . Cette coiffe se lie à une protéine qui protège la dégradation par les nucléases. Réf14:Pollard (T-D)


Structures des ARNt. A.Modèles tridimensionnels montrant l’appariement des bases de l’anticodon à un codon de l’ARNm. B.Modèle linéaire tridimensionnel. C.Modèle bidimensionnel montrant les tiges et les boucles. Réf14:Pollard (T-D)


aa activé par ATP

Groupement carboxyle d’aa lié au phosphate α de l’AMP

Synthétase transfère l’aminoacyle-AMP vers une liaison ester riche en énergie

Chargement d’un ARNt avec son aa .


Sous unité 50 S sous unité 30 S

Orifice de sortie

Le ribosome fonctionnel comporte 2 sous unités. Une molécule d’ARNm s’associe à la petite sous unité et défile entre les 2 sous unités . L’ARNt se lie au niveau de 2 sites A et P entre la grosse et la petite sous unités. Les codons de l’ARNm identifient les aa-ARNt qui doivent occuper ces sites . La chaine polypeptidique en cours de synthèse (bleu) sort d’un tunnel de la grosse sous unité. Réf14:Pollard (T-D)


S: coefficient de sĂŠdimentation par ultracentrifugation .

RĂŠf14:Pollard (T-D)


se replier

Trouver

Structure tridimensionnelle

destination finale dans cellule

Structure protéines repliées et mécanisme du repliement sont codés par séquence des aa.


In vitro, nombreuses petites protéines se replient rapidement. Mais beaucoup de protéines nouvellement synthétisés ne peuvent se replier spontanément

ont besoin d’aide pour surmonter: variations intermédiaires de repliement, éviter leur dénaturation , leur agrégation ou la protéolyse.


Les chaperons

Facilitent le repliement Inhibent l’agrégation des protéines ne libèrent polypeptides que si état de repliement favorable 2 classes de molécules : - HSP70 et leurs régulateurs - Chaperonines (cylindriques)


Protéines nouvellement synthétisés

85°/°

15°/°

se replient spontanément ou avec assistance des HSP70

nécessitent un isolement au sein des chaperonines pour se replier


Récepteur d’hormone

Hormone stéroide

Réf14:Pollard (T-D)

Stabilisation des récepteurs des hormones stéroïdes (RSH) sans ligand par HSP70 , HSP90 et différents facteurs accessoires ( HOP, HIP, P23, GA et IP). La fixation de l’hormone libère les chaperons et permet au RSH de migrer vers le noyau.


Réf:3 BRASSAGLIA (Y)


Liaison et hydrolyse ATP déterminent fréquence de repliement

2 anneaux

Liaison 7 ATP à 7 sous unités modifie leur Conformation Cavité volume Favorise liaison Gro ES

Chaque anneau 7 sous unités

Réf14:Pollard (T-D)


III- Echanges entre noyau / cytoplasme


CYTOSOL NOYAU

RETCULUM ENDOPLASMIQUE

Circulation bidirectionnelle entre cytosol et noyau . Importées vers noyau: Histones, ADN et ARN poly, protéines régulatrices , de maturation , ARN, protéines ribosomiques . Exportées du noyau: ARNm , ARNt ,sous unités ribosomiques.


Mb externe en continuité avec RE

L’enveloppe nucléaire à double mb pénétrée par des pores.

Réf 2: ALBERTS (B) ,L’essentiel


Réf:3 BRASSAGLIA (Y)


ARNr 16 S

ARNr 18 S

Réf14:Pollard (T-D)


Structure du ribosome. Modèles atomiques montrant l’ARN en gris et les protéines en jaune. Structures représentatives de protéines ribosomales individuelles et de leurs localisations sur la petite et la grosse sous unité. Réf14:Pollard (T-D)


Réf 1: ALBERTS (B) ,

Décomposition et reformation de l’enveloppe nucléaire au cours de la mitose . La phosphorylation des lamines aide à déclencher la désagrégation de la lamina rupture de l’enveloppe nucléaire en vésicules La déphosphorylation : processus inverse.


Sous unité annulaire Sous unité luminale

Bague

Arrangements des complexes des pores nucléaires dans l’enveloppe nucléaire . (A)Croquis d’une petite région de l’enveloppe nucléaire. (B)Face nucléaire, fibrilles convergent pour former structure en forme de cage.(Micrographie électronique à balayage.)


Mb externe en continuité RE

Filament nucléaires :30 à 50 nm (Filaments nucléaires≈ 100nm)

Lamina fibreuse renforce mb interne, assure interaction /chromatine 30 nm

Aperçu de l’organisation de l’enveloppe nucléaire Réf14:Pollard (T-D)


Noyau

A. Modèle tridimensionnel d’un pore nucléaire . Symétrie de 8°ordre avec 1 canal central et 8 canaux périphériques. Les réseaux de filaments cyto/nucl permettent d’amarrer au pore les éléments qui doivent transiter. B. C. Reconstruction tridimentionnelle des pores nucléaires de grenouille Xenopus laevis. AC: anneau cytoplasmique AN: anneau nucléaire

Réf14:Pollard (T-D)


A. Micrographie électronique . Coupe mince d’ enveloppe nucléaire avec lamina et pores nucléaires.

B. Micrographie électronique à balayage de la surface interne de l’enveloppe nucléaire. Panier nucléaire Réf14:Pollard (T-D)


Protéines nucléaires et ribosomiques Importés

Noyau Transport dans 2 sens

ARNm Ribosomes ARNt Exportés


Diaphragme hypothétique pour restreindre taille du canal à 9nm

Si protéine déformable, forme de baguette. (ex RNP: 25 x135 nm)

Réf 1: ALBERTS (B)


Micrographies électroniques

Dessins

RNP :Structure en baguette 25 x135 nm

Déformation d’une volumineuse particule de RNP au cours de son passage à travers l’enveloppe nucléaire. Réf14:Pollard (T-D)


Particules d’or Petites mais séquestrées

0,1 µm


(4)

(2)

(3) (5) (6)

(6’)

(1) (7’)

(7) (8)

Réf14:Pollard (T-D)

Schéma échanges nucléaires montrant l’intégration des 2 moitiés du cycle d’importation et d’exportation des protéines.


Complexe guidé vers pore par fibrilles

Récepteurs réexportés

Transport actif

Vue schématique du mécanisme de transport à travers les pores nucléaires. Réf 2: ALBERTS (B) ,L’essentiel


Fibrilles ne sont pas montrées

Représentation très schématique du mécanisme de transport actif à travers les pores nucléaires. Réf 1: ALBERTS (B) ,


A- Compartiments et transport I 26dec  
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