UE 2

(bernard.rousset@univ-lon1.fr)

Ouvrages conseillés : Biologie moléculaire de la cellule 5 ème étiditon (Bruce Alberts et al.) Flamarion

Essentiel de la biologie cellulaire 2ème édition (Bruce Alberts et al.)

Biologie moléculaire de la cellule (Harvey Lodish et al.)

Cours de biologie cellulaire (P. Cau et R. Seite) 2007 editions ellipses

Programme

1 Introduction à la biologie cellulaire composition et structure des membranes cellulaires (P. 1 2 3)

2 Méthodes de base pour l’étude de l’organisation et du fonction de la cellules ( P 4 5 6 7°

3 Organites et compartiments cellulaires structure et aperçus de leurs fonctions principales (P8)

4 organisation interne de la cellule. Composition, structure et fonctions du cytosquelette (P9)

5 trafique intracellulaire. Synthèse et flux de prot et des mbr flux centrifuge et sécrétion Flux centripète endocytose (P 10 11)

6 Transport de ions et des petites molécules à travers les mbr Cllaire. P 12

7 Comm. Entre C. signalisation et modalité de régulation des activités cellulaires P 13

8 Devenirs de la cellule. Les phénomènes de la division et de la mort Cllaire P 14 15)

1

Chapitre I

Place de la bio Cel

Biochimie et bio mol

Constituants de la matière vivante, réactions conduisant à leur synth ou dégradation

Définir les propriétés et les activités de la plus petite entité morphofonctionnelle.

Histologie et cytologie

Constit° organes et tissus Orga C formant le tissus ou l’organe

2 La Clle et les organismes

Organismes uniClaires : bactérie, levure

Organismes pluriClaires : animaux, végétaux

Animal (homme)

- une cellule (œuf fécondé) : 2 Cle après 24h- 72 Cle après 3 jours et 10^13 C après 9 mois

-Adulte 10^14 C- Plus de 200 groupes ou types de Cle :

Structures distinctes Propriétés spécialisées

Cellules musculaire : contract°C intestinales : absorption de nutriments Globule rouges : transport 02C nerveuses : transport signaux

3 Classification des c et organismes

Procaryotes (avant noyau) : C sans unit, structurelle délimitée pour contenir le matériel génétique

Bactérie (sol, eau, org. Vivants)

Archéobactéries (environnements inhospitaliers)

Unicellulaire

2

Eucaryotes (noyau-vrai, ayant un noyau): structure, le noyau : contient le matériel génétique

Protozoaires amibes

Levures champignons : unicellulaires

Animaux : pluricellulaires

Toutes les Cles proviennent d’un même ancêtre : procaryotes ancestral (> 10^9 années)

Information génétique

Analyse info génétique porté par la C (ADN : dépositaire permanent de l’info ncsr au fonctionnement et à la reproduction de chaque Cle). Comparaison des séq. ADN: id° degré de parenté entre organisme :

1. séq. Hautement conservées : relation entre organismes qui divergent il y a longtempsCes séq : -ont une fonction centrale

-Modification mais lente au cours de l’évo°

2. Séq qui changent rapidement : utilisés pour analyser comment ont évolué des esp. Apparentés

Noms biologiques des organismes

Deux termes latins : écrits en italiques, comme nom et prénom

1er terme (nom) : genre de l’organisme 2ème terme (prénom) : espc particulière du genre.

Escherichia Coli : E. ColiSaccharomyces Cerevisiae : Saccharomyes Caenorhabdtis Elegans : C. Elegans Drosophila Malenogaster : Drosophile Xenopus Laevis : XenopeHomo sapiens

Autre organismes modèles :

Protozoaires ciliées : Paramécium

3

Algues : ChlamydomonasVégétaux : ArabidosisChampignons ; Neurospora

4 Différences entre C eucaryotes et procaryotes

Eucaryotes : cytosquelette, organisations internes de la C (présence d’organites), 10 à 100micro.

Procaryotes : peut avoir différentes formes (filaments, ronds), le matériel génétique n’est pas contenu dedans (= nucléoides), entouré par une membranes (mbr plasmique), certaines bactéries peuvent avoir une paroi (on parle de double membrane)

Différence entre C procaryotes et eucaryotes

Procaryotes EucaryotesEnveloppe nucléaire Non Oui

Taille (volume) qq. um^3 500-5000 umOrga° intraClaire Non Oui

Squelette Non OuiMétabolisme Aérobie, anaérobie aérobie

Division Claire Scissiparité (coupe en 2 : augmentation de taille puis séparation) (env.

20min)

Mitose (env. 20h

Orga° Claire UniClaire PluriClaire

Aérobie : besoin de O2

Pas de confusion avec les virus : - pas de métabolisme propre, ce ne sont pas des C.- Multiplication possible uniquement ds C hôte ( eucaryotes ou

procaryotes)- Parasitisme obligatoire (rentre dans une C et détourne son « vrai usage »)

Eléments de structure du virus :- enveloppe (bi-couche lipidique)- brin ARN ou ADN - Quelques prot. (surface et interne)

Bcp de virus ont comme génome un fragment d’ADN, comme support génétique de l’ARN

5 Prop. Communes entre Cles procaryotes et eucaryotes

1. Toutes les cellules portent les infos ncsr à leur fonctionnement et à leur reproduction dans des gènes (ADN) .

4

Comparaison des génomes – tailles et nombre de gènes :

Espèces Taille du génome (mpb)

Nombre de x

Levure 12 6000 16Nématode 92 19000 6Drosophile 120 14000 4Arabidopsi

s125 25000 5

Homme 3000 30000 23

2. Code gén. (utilisé dans les gènes) est le même pour toutes les Cles3. Tous les types Claire décodent les gènes grâce à un système constitué

d’ARN et l’info portée par les ARN est traduite en protéine grâce à une structure : le ribosome.

Prot. communes

4. Les prot. assurent la structure et contrôlent le fonctionnement de toutes les cellules

5. Toutes les C sont entourées d’une membrane ; la membrane plasmique constituée d’une double couche lipidique

6. Toutes les cellules ont besoin d’énergie pour :- conserver l’intégrité de leur milieu interne- gérer la synthèse de leurs constituants - Les Cles utilisent la molécule d’ATP comme unité de transfert de l’énergie

du site de production au site de consommation.

6 Composition comparée d’une bactérie et d’une C animale typique. Organisation générale d’une cellule animale

Compo° chimique Bactérie Cle eucaryotes (hépatocytes)

% poids total(%poids total

sec)Cle (diamètre) D= 2,5um (2

um 3)D= 20um (4000

um 3)Eau 70 70

Ions (Na+, K+,

Ca2+, Cl-)1 1

Protéines 15 (50%) 18(60%)ARN 6 1ADN 1 0,25

Phospholipides (+autres

2 (7%) 5(17%)

5

lipides)

Chapitre II

Composition et structure des protéines

1. structure de l’eau hydophilie, hydrophobie Molécule polaire : distribution non symétrique des e- (dipôle permanent)

Molécule hydrophile

Cas 1 : molécule chargée (+ ou _) :Cas 2 : non chargée (la molécule doit être polaire)

Définition d’une liaison hydrogène : liaison faible qui s’établit entre atome électronégatif

Atome électronégatif (O, N, s) : accepteur de liaison hydrogène

Elle s’établit avec un atome H libre (électropositif) : donneur de liaison H lié à un atome électronégatif O, N, s

Liaison faible : 1/20 de la liaison covalente.

Liaison hydrogène (%) et états de l’eau : 0% 15% 100%Gaz Liquide glace

Molécule hydrophobe

Molécules apolaires (cf exemple sur cours)

Classificicat° des AA

Avec chaîne latérale polaire(chargée ou non chargée) => hydrophiles Avec chaîne latérale non polaire => hydrophobes

(Peut y avoir des changements de présentation)

Index d’hydropathie : Si - : hydrophyle SI + : hydrophobie

Stéréo-isomère

6

C (α) assymétrique établit des liaison avec : COOH NH2 H R

H au dessus et NH2 au dessous forme L et inverse forme D

Groupement peptidique

4. Structure tridimensionnel des prot, structure primaire des prot

Structure primaire

Enchaînement des AA connectés par liaisons peptidiques

Le début de la prot : premier AA à son groupement NH2 libre et Fin : groupement COOOH libre

Nombre d’AA : 3 à plusieurs milliers Peptide (chaîne polypeptidique courte) , poluypetide ou protéine Diversité de prot (« infinie »)

Combinaison de 20 AA, à n’importe quelle position dans la chaîne

Structure tridimensionnelle des protéines

Les prot ont rarement conformation étendue Elles sont tendance à se replier sur elles-mêmes Une partie de la chaîne « s’accrochant » à une partie grâce aux liaisons

hydrogènes Création de structure secondaires : hélice et brin et feuillet α β

Structure α

Région riche en AA hydrophobes Chaînes latérales R à l’extérieur Stabilisation par les liaisons H Tour ou pas de l’hélice : 3,6 AA

Hélice amphipatique

7

Séquence formant une hélice α

Structure en feuillet β

Figure 1

Feuillets peuvent se former entre des segments parallèles ou antiparallèle βd’une chaîne polypeptidique, notion définie par rapport à l’orientation de la chaîne :

Extrémité NH2 -> extrémité COOH

8

Chaîne latérale au dessus ou en dessous.Feuillet structure en «β  zig-zag »

Structure tertiaire

1. repliement des régions ayant une structure e hélice ou feuillet α β2. Interaction des chaînes latérales des AA (chargés, hydrophobes) 3. Les chaînes latérales des AA hydrophobes se positionnent à l’intérieur de

la prot (loin de H2O)4. Chaînes latérales AA hydropholes se situent à la surface de la protéaine

(interaction H2O)5. Stabilisation de la prot par des ponts di-sulfures

9

A- interaction électrostatiqueB- Liaison hydrogène C- Interaction hydrophobe D- Interaction entre dipôlesE- Pont disulfure

Structure primaire

Structure secondaire

Structure tertiaire QUATERNAISE

10

Compte-tenu de sa structure primaire (séq), une protéine ne peut adopter qu’un nombre limité de conformation

Fonction des protéines

Existence de domaines fonctionnels, domaine fonctionnels créés par la conformation tridimensionnelle de la protéine.

Changement de T° C, pH, traitement par : Détergent Agents réducteurs

Dénaturation = rupture des liaisons faibles Formes des protéines

Deux formes principales : Globulaire (= sphère) Filamenteuse ou bâtonnet (chaîne polypeptidique étirée, riche en hélice

, plusieurs nm)α

Chapitre 3

Membranes Claire

Membrane = 2 feuillets Mbr plasmique : délimite la Cle Mbr intraClaire  (endomembranes) : délimitent des compartiments

Structure globale commune : Assemblage de molécules de lipides et de prot Organisées en double couche continue ou double feuillet ( 4 à 5 nm)

Composition des mbr Claires

Lipides Protéine Hydrates de CMbr

plasmiqueHépatocyte

52 44 4

Mbr intraClaire

mitochondries

24 76 0

Variations 20-60% 40-80% 0-10%

Perte de la fonction

11

Constituants lipidiques mbraire

1- Les phospholipides :a. Glycérophospholipides (*)b. Sphingolipides

2- Glycolipides 3- Cholestérol (*)

(*) Constituant des membranes => molécules amphiphiles à la fois hydrophobe et hydrophiles.

Structure d’un glycérophospholipide

Glycérol + acide gras (chaîne hydrocarbonée) + phosphate + molécule avec fonction amine ou alcool (ethanolamine, choline, inositol, sérine)

Glycérophospholipides

1 Ethanolamine

Phosphatidyléthanolamine

12

2. choline

Phosphatidylecholine

3. Sérine

Phosphatidyl-sérine4. Inositol

Phosphatidyl-inositol

Les acides-gras

13

Nombre de C : nombre de = ; Nom (acide)

A- Saturés

B- Insaturés (1 ou plusieurs = )(position des doubles liaisons)

14

Structure des acides gras

AG saturé :

18 :00

15

AG gras insaturé :

Phospholipides/glycolipidesTriacylglycérols /Glycéro-phospholipides/Sphingolipides

16

Composition lipidique de qqles mbr Claires Mbr Claire même architecture

Organ° des lipides pour la formation des membranes

A- Auto-assemblage

En milieu aqueux, les phospholipides forment spontanément une double couche :

- tête polaires à l’ext., au contact avec H2O- queues hydrophobes à l’intérieur

B- Auto-fermeture

Les doubles couches se referment sur elles-mêmes pour éliminer les bords libres.Pas de contact des queues hydrophobes

17

Protéine trans-membranaires ou pror. Intérgrales ou intrasèques des membranes

Deux types d’organisation : Passage transmembranaire Plusieurs passages transmembranaires

Do

18

Domaines transmembranaires des protéines

Hélice α : 16 à 24 AA Interactions hydrophobes entre : chaînes latérales des AA hydrophobes (il peut y avoir qqes acides AA non hydrophobes participant à l’hélice ) de l’hélice .α α

19

Exemples de profiles « d’hydropathie »

Prédiction de structure secondaire

1 : protéine à un segment hydrophobe2 : protéine à 7 segments hydrophobes (au dessus de l’axe : hydrophobes)

20

Protéines périphériques

  Protéines (ancrées) à la mbr via un pied d’ancrage lipidique Protéines associés de façon réversible à la membrane par interaction :

o Avec les têtes polaires des lipides ou glycolipides o Avec les protéines intrinsèques (interaction charge-charge)

Protéines insérées dans la bi-couche lipidique par une extrémité (prot très hydrophobes donc permet l’ancrage)

Membrane plasmique : face extracellulaire /face cytoplasmique Membranes intracellulaires : face cytoplasmiques / intérieur du compartiment

Fluidité membranaire

Lipides et prot peuvent se déplacer au sein de la bicouche (la bicouche lipidique est un fluide bidimensionnel)

Les lipides peuvent se déplacer latéralement Glycérophospholipides peuvent tourner sur eux-mêmes

21

Flexion Déplacement d’un feuillet à l’autre = flip-flop

Déplacement latéral : coefficient de diffusion : D=10−8 cm2/sec ¿ Tour de la cellule en 10 min

Flip-flop ou bascule : moins d’une fois par semaine

Facteurs affectant la fluidité membranaire

La températureEtat visqueux (gel)

t°>T (état liquide)T= température de transition de phase : 18-22 °C (pour les lipides biologiques)

Composition lipidique des mbrso Proportion AG saturés/AG insaturés

AG saturés plus rigides o Proportion Cholestérol

Cholestérol immobilise en partie les chaînes d’AG(quand la proportion de cholestérol augmente, la fluidité membranaire diminue)

22

Orga° du cholestérol dans les bi-couches lipidiques

Noyau stéroïde plan et rigide Tête polaire Chaîne hydrophobeCholestérol augmente la résistance mécanique des mbrs.

La bicouche lipidique : solvant bidimensionnel des protéines

Cle de souris CLe humaine

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Cles ont à leur surface des protéines distinctes et identifiables

Fusion entre les deux cellules (formation d’un hybride)Les prot diffusent latéralement dans et/ou sur la membrane.Coeff ; de diffusion des protéines à 30°C:

Dans les lipides : 10−9à10−11cm2/s Dans l’eau : 10−7c m2/s

La diffusion des protéines est 100 à 10 000 fois plus lente dans les lipides que dans l’eau car la viscosité des lipides est 100 à 10 000 dois > à celle de l’eau.

Asymétrie de la bicouche lipidique

Dans la mbr plasmique

Dans membrane interne (mbr du reticulum endoplasmique ) :

24

Différence de composition en PC PS essentiellement cytoplsamique

Asymétriqe des bicouches lipidiques/orientation des feuillets

Face externe de la membrane plasmique

Est hydrophile Chaine oligosaccharidiques des protéines glycosylées (polyols)

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Partie oligosaccharidique des glycolipides

Fonction des membranes cellulaires

Barrière physiqueo Ségrégation des composés chimiques entre compartiments

Contrôles des échanges de molécules o Présence de transporteurs, canaux ioniques, …

Support d’activité enzymatique o Rapprochement des composants de séquences réactionnelles

Transfert d’informationo Récepteurs

Reconnaissance et adhérence o Intercaction Cle-Cle et interaction Cle-matrice extracellulaire

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