Le cytosquelette
Prérequis:
§ Savoir que les cellules des animaux pluricellulaires sont
organisées en ensembles
Coopératifs appelés tissus,
qui s'associent à leur tour selon diverse combinaison en unités fonctionnelles
de plus grandes dimensions : les organes.
§ Connaître les nucléotides ATP et GTP et savoir que leur hydrolyse
(formant ADP ou GDP et Pi) est la cause de changements dans la conformation (et
donc le comportement) des protéines.
§ Avoir une bonne connaissance des molécules d'adhérence et de leur
rôle clé dans l'interaction cellule-cellule et cellule-matrice extracellulaire.
Objectifs:
§ Connaître les protéines composant le cytosquelette et leur mode
d'assemblage en
Filaments ou en tubes.
§ Etablir le rapport entre le phénomène de polymérisation/dépolymérisation
et le dynamisme des filaments d'actine et des microtubules.
§ Connaître les protéines motrices et leur interaction avec l'actine
et la tubuline.
§ Pouvoir donner des exemples précis de fonctions cellulaires
nécessitant l'intervention
directe du cytosquelette.
Définition :
Le
cytosquelette forme un réseau complexe de filaments et tubules qui s'étend dans
tout le
cytoplasme.
Contrairement au squelette osseux qui est rigide, le cytosquelette est une
structure
très dynamique qui se réorganise continuellement au cours des différents
évènements
cellulaires (migration, division, etc.)
Dans
ce chapitre nous nous focaliserons sur
la structure du cytosquelette (filaments d'actine,
filaments
intermédiaires et microtubules) et nous lierons ces structures a de nombreuses
fonctions
qui concernent la défense contre les agressions mécaniques, la forme de la
cellule et
les
divers mouvements cellulaires et intracellulaires. Tous les éléments du
cytosquelette sont
des
structures protéiques allongées résultant de la polymérisation d'éléments
monomériques.
Nous
insisterons également sur l'interaction importante entre le cytosquelette et
les molécules d'adhérence.
Trois
types principaux de structures protéiques constituent le cytosquelette :
1.
les filaments d'actine (microfilaments 5-9 nm)
2.
les filaments dits intermédiaires
3.
les microtubules.
L'actine
c'est
la protéine la plus abondante (5 au moins de la masse protéique totale) dans de
nombreuses cellules animales.
Les filaments d'actine forment des structures
dynamiques rendues plus au moins stables par des protéines associées. Par exemple
les formes stabilisées se rencontrent dans les microvillosités et les cellules
musculaires.
L'actine,
codée par six gènes au moins, est une protéine liée à l'ATP, ayant un pôle plus
et un pôle moins, et d'un poids moléculaire d'environ 43 kDa (figure 1 ci-dessous).
On
distingue trois classes :
1. α-actine que
l'on trouve dans les cellules musculaires (aussi bien striées que lisses),
2. β -actine
(quatre formes)
3. γ -actine.
Ces
deux dernières classes se trouvent dans les cellules non musculaires. La
diversité
moléculaire
entre les six types d'actine est très faible puisqu'on relève plus de 90
d'identité
dans
leur séquence d'acides aminés. La partie variable concerne les 30 acides aminés
du coté
amino-terminal
(sur un total de 375 résidus).
Des
protéines dites de liaison qui, comme on le verra ci-dessous, jouent un rôle
important dans la polymérisation et la stabilisation des filaments d'actine,
peuvent aussi permettre de
coupler
les filaments entre eux et d'engendrer le mouvement.
 |
| L'actine et les protéines de liaison à l'actine |
La
polymérisation de l'actine
L'actine
se polymérise (en présence d'ATP) en une hélice serrée de 5-9 nm de diamètre
formant
un filament flexible et polaire. Lorsque l'on solubilise l'actine en présence
de KCl,
ATP,
et d'un catalyseur tel que le complexe ARP2/3 qui permet de fixer les premiers
monomères
(amorce), elle forme spontanément des polymères (filament d'actine ou
actine-F).
La
croissance du filament est très rapide (1000 actines/s) au pôle plus et très
lente, voire
absente,
au pôle moins. Après la polymérisation, une hydrolyse aléatoire de l'ATP a
lieu, le
phosphate
(Pi) est libéré et l'ADP qui en résulte reste piégé dans le polymère. Les
molécules
d'actine
liées à l'ADP ont tendance à se détacher du polymère aux extrémités des
filaments.
Les
monomères d'actine ainsi libérés doivent être rechargés en ATP avant de
rejoindre le
filament
 |
| La polymérisation de l'actine |
In
vivo, la polymérisation de l'actine est contrôlée par de nombreuses protéines,
comme la
Profiline,
le complexe ARP2/3, CapZ et la gelsoline (figure 2 ci-dessus).
La profiline (15 kDa) : se
fixe à l'actine monomérique liant alors l'ATP et aidant à la réintégration de l'actine
dans le polymère.
Le
complexe protéique ARP2/3 (Actin Related Proteins 2 et 3, de 42 et 47
kDa respectivement) est impliqué dans l'initiation de la polymérisation. Le
complexe se fixe côté moins de l'actine et sa présence favorise la formation
d'une amorce constituée de trois monomères liés entre eux (site de nucléation
pour la formation de longs polymères). L'ARP2/3 joue donc un rôle
important dans la désignation des sites où l'actine doit se
polymériser.
les protéines de coiffage (capping) : protégés Les pôles plus et moins des filaments Ces protéines empêchent l'actine, dans son
état ADP, de quitter le polymère mais empêchent aussi sa polymérisation dans
son état ATP.
CapZ : constituée d'un dimère de deux sous-unités (alpha, 34 kDa,
et beta, 30 kDa), se fixe au pôle plus, évitant ainsi la croissance rapide.
La tropomoduline (40 kDa) se
fixe au pôle moins, évitant ainsi la croissance lente.
CapZ et
tropomoduline : jouent un rôle important dans la stabilisation des
polymères d'actine- dans les muscles striés (en créant un polymère peu
dynamique).
 |
| Dislocation du filament d'actine par la gelsoline |
la gelsoline (82 kDa) : en
présence d'une concentration élevée de cytosolique, se fixe au polymère d'actine
et crée une coupure engendrant la dislocation du filament d'actine. La gelsoline
reste fixée à l'extrémité plus, évitant ainsi la repolymérisation rapide.
NB :
la
toxine phalloïdine En se fixant aux filaments d'actine, provenant du champignon
Amanita
phalloïdes, s'oppose à leur dépolymérisation, causant ainsi leur accumulation
et donc le dysfonctionnement des cellules. L'effet toxique est essentiellement
dû aux atteintes rénales et hépatiques.
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