Le Cytosquelette

Question 1

Définition du cytosquelette

Answer 1

• Le cytoplasme de la cellule est un volume structuré et dynamique.
• Cette structuration est due à la présence d’une matrice protéique fibreuse : le
cytosquelette (CS).
• Le cytosquelette correspond à l’ensemble squelette + muscles + tendons +
ligaments + cartilages de l’organisme humain.
• Le terme « cytosquelette » ne rend pas compte de son rôle dynamique : générateur de mouvements au niveau cellulaire.

Question 2

Structure du cytosquelette ?

Answer 2

• Le cytosquelette est constitué de 3 types de structures initialement distinguées par observation en microscopie électronique (ME).

• Il s’agit de 3 types de polymères fibreux :
→ Les Microtubules (MT)
→ Les Microfilaments d’actine (MFA)
→ Les Filaments intermédiaires (FI)

• Ces 3 structures sont des polymères protéiques (c’est-à-dire une association de
monomères). Elles sont composées de différentes protéines et possèdent des diamètres différents.

Question 3

Les microtubules dans le cytosquelette ?

Answer 3

• Diamètre : environ 24 nm.

• Protéines présentes : tubulines.

• Monomères = protéines globulaires.

Question 4

Micro filaments d’actine dans le cytosquelette ?

Answer 4

• Diamètre : environ 5 nm.

• Protéines présentes : actine.

• Monomères = protéines globulaires.

Question 5

Filaments intermédiaire dans le cytosquelette ?

Answer 5

• Diamètre : 8 à 10 nm.

• Protéines présentes : nombreuses protéines
différentes.

• Monomères = protéines fibreuses (de forme allongée).

Question 6

Visualisation des microtubules en microscopie optique

Answer 6

• Non visible par coloration histologique standard
• Visibles par immunomarquage :
  → Utilisation d’anticorps marqués par des fluorochromes, qui vont reconnaitre les protéines d’intérêt : la tubuline.
• On peut également placer d’autres éléments, même s’ils ne sont pas marqués, comme : le centrosome (qui se trouve au centre du réseau de microtubules), le noyau et la membrane plasmique.

Question 7

Localisation des microtubules dans le cytosquelette ?

Answer 7

• En intracellulaire :
→ Présents dans le cytosol.
→ Absents du noyau.
→ Ils irradient à partir du centre cellulaire = centrosome (proche du noyau, dans l’aire Golgienne), vers la périphérie cellulaire (membrane plasmique).

• Dans les types cellulaires :
→ Présents dans toutes les cellules eucaryotes (qui comportent un vrai noyau).

• Chez l’Homme : dans toutes les cellules de l’organisme sauf les hématies (car ces
cellules ont perdu leur noyau).

Question 8

Caractéristique structurales des microtubules ?

Answer 8

• Longs cylindre creux
• Constitué de 13 protofilaments : ce qui explique l’aspect strié lorsqu’on les observe en microscopie électronique

Question 9

Les deux types de microtubules (MT) ?

Answer 9

• Les MT instable
• Les MT stabilisés

Question 10

Les microtubules (MT) instable ?

Answer 10

• MT classiques cytosoliques, distingués et observés à l’aide de l’immunomarquage fluorescent.
• Subissent sans arrêt des cycles de polymérisation et dépolymérisation : ils vont
  donc voir leur longueur augmentée ou diminuée au gré des besoins de la cellule.

Question 11

Les microtubules (MT) stabilisé ?

Answer 11

MT stabilisés (qui entrent dans la composition de 4 structures cellulaires) :

→ Les centrioles : entrent dans la composition du centrosome. Ils sont composés de 9 triplets de MT. Ces centrioles sont présents en deux exemplaires et présentent la particularité d’une orientation perpendiculaire l’un par rapport à l’autre.
→ Les corpuscules basaux : présents à la base des cils et des flagelles. Ils comportent 9 triplets de MT stabilisés (comme les centrioles).
→ Les cils et flagelles mobiles : qui comportent un cytosquelette de MT qualifié d’axonème. Ils sont composés de 9 doublets de MT périphériques et 1 doublet central.
→ Les cils primaires : composés de 9 doublets de MT. Ces cils primaires peuvent être retrouvés à la surface de la plupart des cellules de notre organisme. Ils sont immobiles et sont présents en un seul exemplaire.

Question 12

Centrosome c’est quoi ?

Answer 12

• Régulateur de la polymérisation des microtubules dans la cellule.

• = Centre organisateur des microtubules.

• Composition :
→ 2 centrioles disposés perpendiculairement l’un par rapport à l’autre (composés de MT stabilisés).

• Matériel protéique homogène qui entoure les centrioles (très denses, composés d’environ 300 protéines différentes).

Question 13

Polarité des microtubules dans la cellule ?

Answer 13

• C’est-à-dire que leurs deux extrémités ne sont pas équivalentes : → Extrémité (-) au contact du centrosome = proximale.

• Extrémité (+) éloignée du centrosome = distale.

Question 14

Polymérisation des microtubules ?

Answer 14

• Réaction chimique qui peut être définie comme l’assemblage de molécules identiques formant un motif répété en molécule plus grande appelée polymère.

• Ici: répétition de molécules de tubuline (motif répété) pour former un microtubule (polymère).

Question 15

Caractéristiques moléculaires de la tubuline

Answer 15

• Protéine globulaire formée de 2 sous-unités α + β :
→ α capable de fixer le GTP (sans pouvoir l’hydrolyser).
→ β capable de fixer et d’hydrolyser le GTP (sous-unité active).

• GTP→GDP + énergie (sert à l’assemblage des molécules).

Question 16

Étapes de la polymérisation des microtubules ?

Answer 16

1. Assemblage des protofilaments :
- La tubuline est libre dans le milieu réactionnel.
- En présence de forte concentration de GTP, la tubuline va être capable de s’associer de façon ordonnée pour former des protofilaments.

2. Assemblage en feuille puis MT :
- Ces protofilaments vont eux même se mettre côte à côte, dans la même orientation pour former une structure en feuille.
- Cette structure en feuille va progressivement se replier et intégrer 13 protofilaments pour former un microtubule complet.

3. Elongation du MT :
- Présence d’une cape de GTP à l’extrémité (+) : liée au délai entre la liaison des sous-unités et l’hydrolyse du GTP.
- Cette cape de GTP est favorable à l’élongation du MT.

Question 17

Événement moléculaire à l’extremité (+) des microtubules ?

Answer 17

• Résultats de réactions d’association et de dissociation simultanées de molécules de tubuline.

• En cas de forte concentration de GTP :
- Plus d’associations que de dissociations.
- Bilan : positif→élongation du MT (plus d’ajout que de départ).

• En cas de faible concentration en GTP :
- Inverse, plus de dissociations que d’associations.

• Bilan : négatif → raccourcissement du MT (plus de départ que d’ajout).

Question 18

Stabilité des Microtubules régulée par la concentration intercellulaire en GPT

Answer 18

• Cette [GTP]intracellulaire aura un impact direct sur la concentration de tubuline libre, liée au GTP disponible pour rentrer dans la composition des MT polymérisés.

• Lorsque cette concentration est forte, on aura la formation d’une cape de GTP, favorable à l’élongation.

• Lorsqu’elle sera faible, la cape de GTP ne sera pas présente et ne permettra pas de stabiliser la longueur des MT: phénomène de dissociation (raccourcissement).

Question 19

Instabilité dynamique des microtubules cytosoliques

Answer 19

• La population de MT ne cesse de se renouveler (c’est ce que l’on entend par instabilité dynamique).

• La durée de la demi-vie (durée nécessaire au renouvellement de la moitié des MT) est de l’ordre de :
→ 10 minutes pour le fibroblaste.

• 20 heures pour le neurone (cellule extrêmement riche en MT).

Question 20

Contrôle de la dynamique des microtubules

Answer 20

Phénomène extrêmement régulé grâce à de très nombreuses protéines associées.

Question 21

Rôle dans la définition de la forme cellulaire ?

Answer 21

• Le cytosquelette de microtubules va soutenir les cils et les flagelles (qui sont des expansions cytoplasmiques bien reconnaissables sur le plan morphologique).

• Ces cils et flagelles contiennent un cytosquelette organisé de MT et des protéines
associées (structurales et motrices).

Question 22

Rôle dans le mouvement cellulaire

Answer 22

• Les cils permettent le déplacement du milieu péricellulaire :
- Ex : le battement synchrone des cils et l’épithélium respiratoire. On
retrouve des cellules ciliées et des cellules productrices de mucus. Le mucus est un liquide visqueux qui va permettre de piéger les poussières et les micro-organismes venant au contact de l’épithélium respiratoire. C’est le mouvement des cils (grâce aux MT) qui permet de faire remonter le mucus jusqu’au carrefour aéro-digestif, pour permettre son élimination.

• Les flagelles sont responsables du déplacement de cellules isolées dans leur environnement :

• Ex : le spermatozoïde qui va se déplacer grâce au mouvement ondulatoire de son flagelle (soutenu par un cytosquelette de MT). Ce mouvement ondulatoire est complexe.

Question 23

Rôle dans le déplacement des organistes intercellulaires ?

Answer 23

• Les MT forment des rails pour le déplacement des vésicules, des micro-organites intracellulaires (vésicules, mitochondries, RE, …).

• Protéines motrices :
→ Kinésine : sens antérograde.
→ Dynéine : sens rétrograde.
→ Structure similaire : 2 têtes globulaires (liaison au MT, hydrolyse de l’ATP)
et un site de liaison à la membrane de l’organite transporté.

• Fonctionnement moléculaire simplifié de ces molécules motrices :
- Avancée le long du MT par mouvements saltatoires des têtes globulaires sur les molécules de tubuline lors de l’hydrolyse de l’ATP (apportant
l’énergie nécessaire).

• Ce mécanisme se répète pour permettre le déplacement de cette protéine
motrice qui va entraîner l’organite transporté.

Question 24

Rôle dans la répartition des chromosomes lors de la division cellulaire

Answer 24

• Les MT constituent le fuseau mitotique (cf cours cycle cellulaire).
- Fuseau mitotique en vert.

• Chromosomes alignés sur la plaque équatoriale en bleu
(cellule en métaphase).

Question 25

Localisation intercellulaire des microfilaments d’actine ?

Answer 25

• Dans une cellule en culture : → Absents du noyau. • Localisation strictement cytoplasmique particulièrement en sous-membranaire.

Question 26

Localisations spécifiques des microfilaments d’actines

Answer 26

• Microvillosités (cellules épithéliales digestives). • Jonctions serrées et adhérentes (cellules épithéliales). • Prolongements membranaires (filopodes et lamellipodes). • Phénomène endocytose / exocytose. • Anneau de contraction (se met en place avant la séparation des deux cellules filles lors de la mitose).

Question 27

Localisation dans les types cellulaires des microfilaments d’actines ?

Answer 27

• Présents dans toutes les cellules de notre organisme. • Abondance variable : - 5% de l’ensemble des protéines dans une cellule non musculaire. • 15-20% dans une cellule musculaire (particulièrement abondants).

Question 28

Caractéristiques structurales des microfilaments d’actine

Answer 28

• Longs brins torsadés formés de 2 chapelets de monomères sphériques. • Possèdent une polarité structurale et fonctionnelle, avec des extrémités (+) et (-) distinctes.

Question 29

Chapitre LONG ET COMPLIQUER

Answer 29

Courage

Question 30

Réaction chimique des microfilaments d’actine

Answer 30

**Actine G :** • Monomère globulaire dont on retrouve 3 classes différentes : - α dans les cellules musculaires. - β ou  dans les autres types cellulaires. • Elle est capable de fixer et d’hydrolyser l’ATP (ATPase). • Polarisée et comporte deux domaines (permettant l’assemblage des molécules d’actine entre elles) : - Extrémité pointue. - Extrémité barbue.

Question 31

Étapes de la polymération des microfilaments d’actine ?

Answer 31

**1) Nucléation** • On part d’actine G qui va d’abord s’associer en un noyau de polymérisation (avec 3 molécules d’actine). • Nécessite des protéines associées (disponibles dans le milieu intracellulaires). **2) Élongation** • Des molécules d’actine G vont s’ajouter sur ce noyau de polymérisation pour allonger le filament d’actine. **3) Équilibre** • Longueur stabilisée du filament d’actine. • Ajout et départ de molécules d’actine aux extrémités (+) et (-).

Question 32

Dynamique de la polymérisation des microfilaments d’actines

Answer 32

• Les MFA subissent des polymérisations/dépolymérisations perpétuelles. → Allongement des MFA : association d’actine G aux 2 extrémités (+) et (-). → Raccourcissement des MFA : dissociation d’actine G aux 2 extrémités. → Longueur stabilisée : phénomène de « tapis roulant » : - Correspond à une association équilibrée d’actine G à l’extrémité (+) par rapport aux dissociations de l’extrémité (-). - Longueur du filament restant constante tout en restant dynamique (permettant à la cellule de réagir à un stimulus externe). • La proportion relative d’actine G et d’actine F reste constante : → Cycle des molécules d’actine, qui passent de la forme F à G avec échanges ADP/ATP.

Question 33

Protéines associées aux microfilaments d’actines

Answer 33

• Impliquées dans l’assemblage des MFA : structurés en faisceaux ou en réseaux complexes : → Fimbrine : faisceaux parallèles (microvillosités). → α-Actinine : faisceaux contractiles (jonctions adhérentes, sarcomères). → Filamine : réseau (lamellipodes, pseudopodes, partie sous-jacente à la membrane plasmique). • Polymérisation des MFA (ex : protéines impliquées dans la nucléation). • Régulation de la stabilité des MFA (ex : microvillosités). • Ancrage des MFA dans la membrane plasmique (ex : zone de jonctions adhérentes). • Fonctions motrices des MFA (ex : contraction musculaire, transport de vésicules).

Question 34

Rôle des microfilaments d’actinie dans la définition de la forme des cellules

Answer 34

Soutient des microvilosité (pôle apical des cellules épithéliales digestives)

Question 35

Rôle des filaments d’actines dans le transport des vésicules et organisâtes intercellulaire

Answer 35

• Protéines motrices : myosine I. • Les têtes globulaires de myosine de type I vont interagir avec le MFA pour réaliser des mouvements de sauts (cf microtubule). • Myosine I est responsable du transport de vésicules membranaires sur les MFA, et en particulier au moment de l’exocytose et de l’endocytose.

Question 36

Rôle des filaments d’actine dans les phénomènes de contraction

Answer 36

• Les MFA peuvent être de différents types et sont assemblés à différentes protéines associées (avec une structuration des MFA plus importante). • Retrouvés dans : - Fibresdetension. - Jonctionsintercellulaires. - Séparation des cellules filles lors de la mitose (cf cycle cellulaire). - Contractionmusculaire. • Association actine – myosine II = fibre contractile (capable de se contracter par glissement). • Schéma représentant l’unité contractile qu’est le sarcomère avec l’association des filaments bipolaires de myosine de type II avec les filaments d’actine. • C’est le glissement de ces fibres les unes sur les autres qui permettra le raccourcissement des différents sarcomère.

Question 37

Rôle des microfilaments d’actinie dans la migration cellulaire

Answer 37

• In vivo, de nombreuses cellules se déplacent lors de : - Embryogenèse. - Inflammation (macrophages, lymphocytes). -Cicatrisation (fibroblastes, cellule sépithéliales). • Cette cellule est en lien avec la matrice extracellulaire via des plaques d’adhérence. • Elle va émettre des lamellipodes et des filopodes, dans le sens du déplacement • Il y aura création de nouvelles plaques à l’avant de la cellule et rétractation des plaques présentes à l’arrière (en laissant parfois des restes cytoplasmiques). • Dans la partie avant, où se trouvent les lamellipodes et filopodes, on observe des MFA disposés de façon parallèles (= faisceaux). • Dans la zone juste après, on retrouve des MFA disposés en réseaux. • Dans l’arrière de la cellule, on trouvera des MFA disposés en fibres contractiles, au niveau des plaques d’adhérence.

Question 38

Rôle des microfilaments d’actine dans la migration cellulaire

Answer 38

**Dans le zone avant (filopodes)**: • Myosine I : ancre les filaments d’actine. • Filaments d’actine: subissent une polymérisation à l’avant pour pousser la membrane plasmique (pour faire ses expansions cytoplasmiques dans le sens du déplacement). **Dans la zone intermédiaire**: • Filaments d’actine en réseaux grâce à la filamine. **Dans le zone de rétraction**: • Gelsoline : clive les filaments d’actine (dissociation). • Thymosine : empêche la repolymérisation sur place et favorise le retour de l’actine G vers la zone avant (besoin d’actine libre pour former de nouveaux filaments dans les filopodes et lamellipodes). **Au niveau des plaques d’adhérence**: • Protéines associées aux filaments en réseaux. • L’α-Actinine : forme des fibres contractiles pour rétracter cette zone arrière.

Question 39

Localisation des filaments intermédiaires ?

Answer 39

**• Dans le cytoplasme :** → Autour du noyau : corbeille périnucléaire. → Ancrage dans les desmosomes et hémidesmosomes (cellules épithéliales). **• Dans le noyau :** → Maillage très régulier tapissant l’intérieur du noyau (visible en immunofluorescence) : procure sa résistance et contribue à définir la forme du noyau. → Interaction avec la chromatine.

Question 40

Structure des Filaments intermédiaire (FI) ?

Answer 40

• L’assemblage in vivo des FI encore mal compris. • Non polarisés (2 extrémités équivalentes). • Polymères stabilisés (≠ MT et MFA). • Non impliqués dans des phénomènes dynamiques mais plutôt des phénomènes de structures. • Formés de l’assemblage de monomères protéiques fibreux (> 70), classés dans 4 familles différentes : → FI cytoplasmiques : - Les cytokératines (cellules épithéliales). - La vimentine (fibroblastes) et des protéines apparentées. - Les neurofilaments (neurones). → FI nucléaires : - Leslamines.

Question 41

Fonction des filaments intermédiaires (FI) ?

Answer 41

• Résistance aux forces d’étirement ou de déformation (ex : filaments de cytokératine contribuant à la résistance mécanique de l’épiderme). Beaucoup plus résistant que les MT ou les MFA. • Dans les neurones, les neurofilaments conditionnent le calibre des axones. • Dans les cellules musculaires squelettiques, la desmine transmet à la membrane plasmique les forces générées par l’appareil contractile. Remarque : l’hétérogénéité des FI est utilisée en pathologie humaine pour définir la nature des cellules tumorales.