Le cytosquelette - Microtubules

 

Des cellules en fluorescence. En bleu, le noyau, en vert, les microtubules et en rouge, les micro filaments. Le tout formant le cytosquelette.

Le cytosquelette est fait de micro filaments, de microtubules et de filaments intermédiaires. On peut le décrire comme étant un filet plastique chargé de donner la forme à une cellule et s'occupe aussi des déplacements de la cellule (et de ce qui se trouve à l’intérieur de celle-ci). Le cytosquelette est donc une partie importante de la cellule puisqu’il permet le déplacement transmembranaire des vésicules, la migration de la cellule entière et la contraction de la cellule. Bref , c’est l’autoroute, et les rails de plusieurs protéines.

Les microtubules :

 

Les microtubules sont des structures du cytosquelette formées de protéines globulaires ( protéines solubles dans l’eau, possèdent une forme sphérique et compacte) qui entours le GTP ( Guanosine Triphosphate) qui permet de stopper la croissance des microtubule. Les microtubules sont formées de deux protéines: les tubulines-α et les tubulines-β. Ces deux protéines se comportent de façons différentes avec la GTP. La première, la tubulines-α, va piéger la GTP en son centre pour le rendre inactif. Tandis que la tubuline-β va plutôt l’hydrolyser pour pouvoir l'utiliser comme chapeau (Protection contre la dégradation). Les tubulines s’associent ensemble de façon spécifique grâce à des liens non-covalents. Sur la largeur, il y a alternance entre les deux tubulines alpha et beta. Et puis, sur la longueur, on retrouve des colonnes de alpha suivit de colonne de beta. Les microtubules ont une extrémité de charge positive et une extrémité de charge négative causées par l’assemblage en tête à queue. Ainsi, l’élongation des microtubules se fait uniquement du coté de charge positive. Cette élongation est régulée par la formation de chaine de tubulines, ce qu'on appelle la nucléation. La nucléation commence avec un couple de tubuline-β et de tubuline-α, c'est-à-dire un dimère. Puis, les dimères s’assemblent par groupe de nombre paire pour former des oligomères. Ensuite, les oligomères vont former des protofilaments qui vont se regrouper tous ensemble pour former des feuillets de protofilaments. Lorsque le feuillet est assez grand, il se referme sur lui-même. Tout ceci est fait in vivo avec un MTOC d’organisation de tubulines.

Formation d'un microtubule. Tout commence à la nucléation, pour former des dimères qui forment des groupes paires que l'on appelle oligomère. Puis des protofilaments qui forment des feuillets et qui créer le microtubule.

Les microtubules peuvent jouer un rôle dynamique (cytosolique) et un rôle fixe (Les cils et flagelles). Les microtubules forme la structure astrale de chaque cellule. Grâce à neuf triplet de microtubules placés en forme d’étoile, il y a formation des centrioles. Ce situant tout près du noyau, les tubulines-α forment une sphère autours des centrioles. Les tubulines-β vont ensuite se lier par des liens non-covalents avec les tubulines-α ce qui va permettre aux microtubules de croitre vers l’extrémité positive. C'est avec ces étapes que l'on voit apparaître le centrosome, un MTOC de la cellule animale, qui se trouve juste à côté du noyau.

Mais, les microtubules ne se font pas n'importe comment. La croissance des microtubules dépendent de la concentration critique (Cc) de tubulines libre dans la cellule. Une tubuline libre est une tubuline n'ayant pas encore formé de dimère. Si la concentration de tubuline lide est plus petite que la concentration critique, alors il y a catastrophe, c’est-à-dire que le microtubule se défait complètement et très rapidement (D'où le nom catastrophe). Au contraire, si la concentration de tubuline libre est supérieure à la concentration critique, alors il y a sauvetage, ce qui veut dire que le microtubule croît. Le GTP fait un chapeau aux tubulines au bout positif  des microtubules, que l’on appelle GTP-cap. Le GTP-cap donne de la rigidité aux microtubules lorsque la croissance de ceux-ci ralenti. De cette façon, les microtubules évitent de faire catastrophe dès que leur croissance est ralentie. Lorsqu'ils sont rendus assez grands et que leurs travail est terminé, la GTP est rapidement hydrolysée pour donner de la GDP. Celle-ci déforme les microtubules, les arrondies, et provoque la catastrophes. Cette technique permet d’offrir à la cellule le temps de produire des tubulines libres pour continuer la formation de d'autres microtubules.

Certaines protéines, excluant la tubuline, sont associées aux microtubules, des MAP, pour facilité le fonctionnement des microtubules. Ces protéines ont plusieurs rôles : 

•   Liaison au dimère de tubuline et  séquestration: Des protéines sont mises en place pour donner une meilleure stabilité au microtubule en attachant ensemble certains groupe de tubuline. Par ailleurs, il y a des protéines qui elles ont pour objectif de séparer les microtubules en leur donnant une forme arrondie ce qui aide la provocation de la catastrophe.

• Se lient aux extrémités des microtubules et contrôlent la polymérisation :
• Se lient à l'extrémité de charge négative pour contrôler la nucléation.
• Se lient à l'extrémité de charge positive pour contrôler la catastrophe.
• Font les interactions latérales et la stabilisation de faisceaux

Les protéines moteurs des microtubules:

Une kinésine qui se déplace sur un microtubule

Il y a deux protéines moteurs des microtubules: La kinésine et la Dynéine. Ces protéines sont composés de trois parties distinctes. La première est deux têtes globulaires, les gros pied de la molécule. C'est grâce à ces deux pieds, qui sont des ATPase, qu'elles peuvent se lié à un microtubule. Le deuxième, est une hélice-α qui permet d'atteindre la protéine et le dernier est la tête formé de de chaine légère que l'on appelle le transporteur. La majeur différence entre les deux protéines est que la dynéine a des protéines globulaires environ 10 fois la grosseur de la kinésine.

La différence entre le moteur de la kinésine, à gauche, et de la dynéine, à droite.

Comment les protéines moteurs permettent le transport intracellulaire?     

Elles peuvent déplacer des charges grâce à l'hydrolyse de l'ATP. Cle moteur en activité avec ATPase, et lié au cytosquelette, et sur l’autre extrémité, en plus petit, il y a le complexe qui réagit avec le cargo à transporter. La différence majeure entre la Kinésine et la dynéine est la direction vers laquelle elles vont. La Kinésine va du point négatif vers le point positif, tandis que la dynéine va du point positif au point négatif. Le déplacement des deux protéines se fait par l’hydrolyse de l’ATP. Premièrement, une tête globulaire se lie au microtubule avec de L’ATP, ce qui propulse la deuxième vers l’avant. La deuxième prend alors un ATP, et la première relâche un Phosphate et est propulsé vers l’avant. Et ainsi de suite jusqu’à destination.

Ainsi, c’est principalement par ces deux protéines que les vésicules sont transporter du réticulum endoplasmique vers la membrane externe et ce même dans les neurones. Le corps cellulaire est le point négatif et les axones sont positifs. Les Kinésines vont du centre du corps cellulaire vers les axones et la dynéine va faire le contraire.

Les molécules biologiques - la protéine

Les protéines sont les principaux matériels cellulaire, et les régulateurs en chef de la régulation des activités de la cellule grâce aux enzymes. Les protéines sont formés d'acide aminé en chaine qui sont entouré de sucres et de lipides. Les acides aminés font partit d'un alphabet biologique qu'il faut bien comprendre.

Stade 1:Longue chaine d'acide aminé.

Les protéines sont toujours regroupées en gros tapons. Cette conformation est dictée par la chaine d'acide aminé qui la compose. En étant en tapons, la protéine à une énergie libre minimale. Pour ce faire, la protéine va regrouper ensemble les groupements non-polaires et va faire des liens non-covalent, des pont hydrogènes par exemple, pour permettre son repliement. Il y a différents stades de la formation d'une protéine. Le premier, le stade primaire , est la séquence d'acide aminé en ligne droite, sans être replié.

Stade 2 : liaison non-covalente

Le deuxième stade est le début des liaisons H+ apportant la formation d'hélice alpha et de feuillets beta. Et le regroupement des molécules hydrophobes. Le troisième stade, sur quatre , est le repliement de la protéine sur elle-même. C'est seulement à partir de ce stade que les protéines sont fonctionnelles. Et le dernier stade est l'association de plusieurs protéines tertiaires . Les protéines ont alors une chaine régulée qui leurs permettent de faire plusieurs fois la même opération, enzymes.

Protéine finale

Les molécules biologiques

Il y a plusieurs sortent de molécules essentielles au fonctionnement d'un organisme. On compte parmi elles les sucres, les protéines, les nucléotides et les lipides. Sans chacune des ces molécules, nous ne pourrions pas fonctionner correctement.

Commençons par les sucres. 

Les sucres sont un assemblage de petits sucre (monosaccharide) pour former de gros sucre (polysaccharide). Les monosaccharides, pentoses et hexoses, sont les plus petits sucres que compose le corps humain. C'est à partir de ces deux petits sucres que les gros sucres sont créés.  Ces gros sucres permettent le stockage de l'énergie (Le stockage des sucre) tel que le fait l'amidon, pour les végétaux, et le glycogène, pour les animaux. 

 

Les sucres représentent également un support mécanique dans les cellules et dans les organismes. On peut le voir dans la cellule par la cellulose qui est le principale constituant des parois  des plantes, et la chitine, qui forme les carapaces pour, entre autre, les crevettes. 

Par ailleurs, les sucres ne travaillent pas toujours seuls. Parfois, ils forment des liaisons avec d'autre molécules pour effectuer diverses fonctions. Par exemple, ils peuvent se lier avec des lipides pour former des glycolipides. Ces glycolipides permettent de faire de la reconnaissance moléculaire sur les parois des cellules. Il y a également les glycoprotéines et les oligosaccharides.

Pour continuer, comment les petits sucres s'assemblent ensemble? Les petits sucres vont faire entre eux une liaison glycosidique entre elles à l'aide de la condensation de l'eau.

 

Lorsque les sucres sont dans l'eau, le proton (H) et le groupement hydroxyde par condensation vont se jumeler ensemble pour former l'eau.  L'oxygène est alors partagé entre les deux sucres, ce qui créer une liaison glycosidique.

Les liaisons chimiques - Pont Hydrogène

Il existe plusieurs sortes de liaisons chimiques dans les cellules et les molécules qui permettent de leurs donner leur formes. C'est une partie importante de la cellule puisque la rigidité  et la forme de certaine molécules dépendent de ces liaisons. 

Les ponts Hydrogène

Les ponts hydrogènes sont créés par l’électronégativité forte de l'oxygène ou de l'azote et l’électro positivité de l'hydrogène. La polarité de chacun crée des pôles dipolaires et permet les liaisons entre elles. On retrouve des ponts hydrogènes entre autre dans l'adn qui permet la formation d'hélice, dans les protéines et dans l'eau. 

Ainsi, l'eau est polaire ce qui permet la solubilité des molécules  et une sources d'assemblage moléculaire des complexes. Elle permet la solubilité de tout les ions et des charges partielles.

Il faut se rappeler par contre que les liaisons hydrogènes sont vraiment plus faible que les liaisons covalentes, et du même fait plus longues. Entre les ponts H, se sont les liaisons hydrogènes linéaires qui sont les plus fortes. Ce que j'entends par linéaire, est lorsque la liaison se fait en ligne droite avec 3 atomes. Grâce à différentes conformations, les liaisons permettent la stabilité des protéines et la construction de structure en 3D. L'eau mets les groupes hydrophobes ensemble pour éviter de perturber les pont H+

*Il y a un échange constant de proton (H+) dans l'eau.

Méthode d'étude de la cellule

Il y a plusieurs façon d'observer les cellules et leurs compositions. Encore aujourd'hui, de nouvelles techniques sont mises au point pour mieux comprendre le monde microscopique que nous côtoyons tout les jours.

1. Microscope optique

Le premier microscope qui fut inventé est le microscope optique. C'est le microscope le moins cher que l'on retrouve dans les écoles secondaires et collégiales. Ces appareils permettent de voir une cellule jusqu'à un grossissement de 1000x (à l'air ) et de 1400x (avec l'huile à immersion) . Le microscope optique permet de regarder des grosses cellules vivantes, mais sans y voir les détailles proprement.
Le video montre une goutte d'eau au microscope optique

Les échantillons observés doivent être préparer avant l'utilisation du microscope. La première étape qu'il doit être fait est la fixation de l'échantillon. Pour ce faire, on utilise souvent la fixation à la flamme ou à la cire. Les échantillons fixés à la cire sont alors coupés à l'aide d'un microtome afin d'obtenir de mince couche de l'échantillon et distinguer le plus de détail possible.

Puis, afin de bien distinguer ce que nous souhaitons observer, il faut effectuer une coloration qui correspond au caractéristique de la membrane que l'on désire coloré. La technique de coloration la plus connue est la coloration de gram. Enfin l'échantillon est mis sur une lame et recouvert si nécessaire d'une lamelle et est prêt pour être observer.
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Comment le microscope optique fonctionne ?
Il est possible de voir l'échantillon grâce à une lumière qui est émise et qui passe par une lentille convergente. cette lumière passe au travers de l'échantillon, est alors déviée par celui-ci. C'est l'objectif qui vient converger la lumière pour qu'elle arrive à l’oculaire. Ainsi, ce qu'on observe au microscope et le contre jour de l'échantillon observé.

                                                                                                                                                                  

2. Microscope à fluorescence

Une deuxième méthode d'étude de la cellule est le microscope à fluorescence.  Il permet de voir jusqu'à 100 nm . Ce qu'on observe est des molécules qui ont étés excitées par une lumière, on les appelles les fluorophores. Le premier fluorophore connu est le GFP. Il a été extrait d'une méduse. Il permet de voir les cellules en vert . Un mutagène du GFP a permis de trouver le CFP et le YFP. Plusieurs années plus tard, ils ont extrait du corail le RFP qui émet le rouge. Certain corps possède déjà des fluorophores, d'autres faut leur donner les molécules par transfection, le transfère des gènes. On peut également faire une immunofluorescence. Ceci consiste à donner l'anticorps (A) à un anti-gène (A). L'anticorps devient ensuite un antigène (B) qui va être reconnu par un anticorps (B) qui possède la capacité de fluorescence.Il est possible de voir ce que l'on désire par le biais d'un anticorps luminescent.
                                                                                                                                                                   

3. Microscope électronique

Une autres méthode est le microscope électronique. Il existe à ce jour deux microscopes électriques, à transmission et à balayage.
- Microscope électronique à transmission: Permet de voir à petite échelle un échantillon grâce à un jeu de contraste de lumière, mais en 2D.

-Microscope électronique à balayage : En bombardent l'échantillon d'électron, on obtient une image donc les contrastes de lumière permettent une impression de 3D

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4. Microscope Confocal

Le microscope confocal est la méthode d'étude la plus précise à ce jour. La lumière utilisé est un laser qui est projeté sur un écran, ce qui permet de voir l'échantillon en 3D. Elle consiste à passer dans l'échantillon le laser en différentes couches. C'est un peu comme si l'échantillon était séparé en plusieurs images. C'est l'addition de toutes ces couches qui permettent l'obtention d'une image nette et en 3D.

La cellule - ses fonctions

La cellule a plusieurs fonctions différentes essentielles à la vie d'un organisme.

• La cellule libère et consomme de l'énergie ( Le métabolisme)
• Elle transforme l'énergie chimique, tel que l'ATP en travail (Des usines biochimiques)
• Elle fait la synthèse des protéines, et ce grâce à l'information génétique héréditaire qu'elle a obtenue.
• Elle ne cesse pas de reproduire le matériel génétique, et ainsi elle est sujette à l'évolution
• Elle a la capacité de faire des échanges contrôlés avec l'extérieur, ce qui l'aide à s'adapter rapidement au changement brusque de l'extérieur.

On peut dire que la cellule fonctionne selon une économie cellulaire. Elle gère la production, la distribution et la consommation de chaque organelle pour assurer un bon maintient des richesses. 

La cellule - composition

L'être vivant est constitué essentiellement des même éléments que la terre. Soit le carbone (C), l'hydrogène(H), l'oxygène (o) et l'azote (N). Évidement ça prend plus que c'est quelques élément pour le faire fonctionner. Il y a aussi le phosphore (P), le sodium (Na), le potassium (K), Le chlore (Cl), le magnésium (Mg) et le fer (Fe) pour ce qui est des macromolécules. Il y a également les oligo-molécules tel que le zinc, le cuivre, le cobalt, l'iode et autres. Il est important de savoir que chaque ion est régulé par des canaux ioniques.