10 Le Systeme Endomembranaire

Le système endomembranaire 2010 / 2011

Francois HELLE Laboratoire de Virologie

Le système endomembranaire Définition : Le système endomembranaire correspond à l’ensemble des compartiments intracellulaires limités par une membrane (bicouche lipidique) à l’exception des peroxysomes, des mitochondries et des chloroplastes pour les cellules végétales.

- Reticulum endoplasmique - Enveloppe nucléaire - Appareil de Golgi - Endosomes (phagosomes) et lysosomes - Toutes les vésicules, canicules et vacuoles permettant la communication des compartiments entre eux et avec la membrane plasmique.

Le système endomembranaire Définition : Le système endomembranaire correspond à l’ensemble des compartiments intracellulaires limités par une membrane (bicouche lipidique) à l’exception des peroxysomes, des mitochondries et des chloroplastes pour les cellules végétales.

- Reticulum endoplasmique - Enveloppe nucléaire - Appareil de Golgi - Endosomes (phagosomes) et lysosomes - Toutes les vésicules, canicules et vacuoles permettant la communication des compartiments entre eux et avec la membrane plasmique. - Rq : • Procaryotes : généralement constitués d’un seul compartiment (cytosol) • Eucaryotes : nombreux compartiments fonctionnellement distincts entourés d’une membrane

Le système endomembranaire Noyau Reticulum endoplasmique lisse Endosome / Lysosome

mitochondrie

peroxysome

Reticulum endoplasmique rugueux

Golgi

Flux membranaires Expérience de marquage métabolique et chasse (pulse-chase) :

% de la radioactivité totale 80 REG Golgi Sécrétion Noyau Mitochondrie

60

40

20

0

temps 0

40

80

120

160

200

240

280

Flux membranaires

Flux membranaires

Flux membranaire vectoriel (antérograde)

Flux membranaire rétrograde

Autre flux membranaire

Le reticulum endoplasmique - Représente 50 % des membranes cellulaires totales (surface totale : 10 à 30 fois celle de la membrane plasmique) - La membrane du réticulum est en continuité avec la membrane nucléaire externe.
La lumière du RE et l'intérieur du noyau sont donc séparés par une seule membrane : La membrane nucléaire interne
Les lumières du RE et de l’appareil de Golgi sont séparées par deux membranes. - La membrane du RE est plus riche en phophatidylcholine que la membrane plasmique - Divisé en 2 catégories :

- le réticulum endoplasmique rugueux - le réticulum endoplasmique lisse

Le reticulum endoplasmique

Le reticulum endoplasmique

Le RE lisse - Il représente un compartiment peu important dans la plupart des cellules. - Il participe à la synthèse de lipides (phospholipides membranaires, stéroïdes...)

une flipase

Le RE lisse - Il représente un compartiment peu important dans la plupart des cellules. - Il participe à la synthèse de lipides (phospholipides membranaires, stéroïdes...) - Il a un rôle important dans la détoxification des cellules et le stockage du calcium.

Le RE lisse - Il représente un compartiment peu important dans la plupart des cellules. - Il participe à la synthèse de lipides (phospholipides membranaires, stéroïdes...) - Il a un rôle important dans la détoxification des cellules et le stockage du calcium.

- Exception : les cellules hépatiques (hépatocytes) - il peut être très abondant - il est spécialisé dans la production de lipoprotéines dans la détoxification de composés solubles. Rq : Dans des situations particulières (ex: prise de médicaments), le RE lisse des cellules hépatiques peut doubler de surface en quelques jours, puis revenir ensuite aux dimensions d'origine pour augmenter la capacité fonctionnelle de cette structure.

Le RE rugueux ou granuleux

Présence de ribosomes liés à la surface du RER
rôle majeur dans la synthèse des protéines (membranaires et exportées) (≠ des ribosomes libres dans le cytosol
synthèse des protéines cytosoliques)

- Autres fonctions très importantes du RER :
le maintien de la structure des cellules.
le contrôle-qualité des protéines membranaires et sécrétées.

La synthèse des protéines

La synthèse des protéines

Les peptides signaux

Les peptides signaux

La synthèse des protéines

La synthèse des protéines

La synthèse des protéines

Translocation des protéines solubles dans la lumière du RE En général : mécanisme co-traductionnel on distingue deux phases dans ce processus : - une phase de ciblage - une phase de transport

SRP = particule de reconnaissance du signal (6 polypeptides + une petite molécule d’ARN)

Translocation des protéines solubles dans la lumière du RE


Ciblage - dans le cytosol - liaison de la séquence hydrophobe (séquence signal) à une particule ribonucléoprotéique (signal recognition particle = SRP) (1) - arrêt de la traduction - reconnaissance de l'ensemble ribosome-chaîne naissante-SRP par une protéine réceptrice du RER (2) - hydrolyse du GTP en GDP
libération du SRP dans le cytosol - Le complexe ribosome-chaîne polypeptidique naissante reste lié à la membrane du RER - transport de la protéine en croissance dans la lumière du RER

Translocation des protéines solubles dans la lumière du RE


Transport - Il se fait par un canal appelé translocon (complexe protéique constitué, des protéines Sec 61, TRAM (= translocated chain associated membrane), d’une peptidase…)

- Reprise de la traduction de l'ARNm en protéine - Lorsque la protéine atteint la lumière du RER, clivage de la séquence signal (‘’signal peptide peptidase’’) - Repliement de la protéine assistée par une protéine chaperon (BIP=binding protein) appartenant à la famille des Hsp (heat schock protein). - A la fin de la synthèse protéique, libération du ribosome dans le cytosol (recyclage). C’est la séquence KDEL (Lys-Asp-Glu-Leu) qui semble être caractéristique des protéines résidentes solubles.

Translocation des protéines solubles dans la lumière du RE

Intégration des protéines transmembranaires
Intégration des protéines transmembranaires. - Mécanisme d'intégration très mal connu. - Deux modèles proposés pour les protéines à un domaine transmembranaire : 1er modèle : - utilisation de la séquence signal non clivée comme signal d'ancrage dans la bicouche lipidique. - mécanisme d'orientation des extrémités C- ou N-ter (face cytosolique ou luminale) non connu.

2ème modèle : - clivage de la séquence signal - reconnaissance d’une séquence hydrophobe par une protéine de la paroi du pore - utilisation de cette séquence comme domaine transmembranaire

Intégration des protéines transmembranaires
Intégration des protéines transmembranaires. - Mécanisme d'intégration très mal connu. - Deux modèles proposés pour les protéines à un domaine transmembranaire : 1er modèle : - utilisation de la séquence signal non clivée comme signal d'ancrage dans la bicouche lipidique. - mécanisme d'orientation des extrémités C- ou N-ter (face cytosolique ou luminale) non connu.

2ème modèle : - clivage de la séquence signal - reconnaissance d’une séquence hydrophobe par une protéine de la paroi du pore - utilisation de cette séquence comme domaine transmembranaire

protéines à plusieurs domaines transmembranaires ????

Intégration des protéines transmembranaires

Intégration des protéines transmembranaires

Modifications co- et post-traductionnelles dans le RE - Clivage de la séquence signal : catalysé par un complexe de 5 protéines différentes faisant partie du translocon (= signal peptide peptidase).

- Glypiation : addition d'un groupement glycosyl-phosphatidylinositol préassemblé dans la membrane (= ancre GPI) sur un acide aminé en C-ter
ancrage de la protéine à la face externe de la membrane plasmique. (Phénomène co-traductionnel)

- Myristoylation : addition de myristate (acide gras saturé en C14) sur une glycine de l'extrémité N-ter par une liaison amide. (Phénomène co-traductionnel)

Modifications co- et post-traductionnelles dans le RE - Repliement des protéines et formation des ponts disulfure : Conformation acquise grâce à des molécules chaperones (ex : BiP, calnexine, calreticuline) Ponts disulfures catalysés par la Protein Disulfide Isomerase (PDI) dans le RE

- Palmitoylation : addition d‘un acide palmitique (acide gras saturé en C16) sur une cystéine de l'extrémité N-ter par une liaison thioester. (Phénomène post-traductionnel)

- Isoprénylation : addition de chaînes farnésyl (C15) ou géranylgéranyl (C20) sur une cystéine au voisinage de l'extrémité C-ter. (Phénomène post-traductionnel)

Modifications co- et post-traductionnelles dans le RE - La N-glycosylation : Ajout d’une chaîne oligosaccharidique ou glycane (= sucre) sur les résidus Asn de la protéine dans un motif Asn-X-Ser/Thr-X’ (X et X’= AA quelconque)

Cytosol

Elle commence dans la lumière du RER et se poursuit dans le Golgi.

Rôle majeur dans le repliement et le contrôle qualité des protéines

Cytosol

L’appareil de Golgi - Réseau complexe de membranes lisses - Empilement de citernes aplaties, parallèles (saccules d’environ 1µm de diamètre) = dictyosome

+ vésicules de transition et de sécrétion d‘environ 50nm

L’appareil de Golgi - On distingue en général : - la face cis proche du noyau - le Golgi median - la face trans orientée vers la zone d'accumulation des grains de sécrétion

Constitution biochimique différente

L’appareil de Golgi - Position juxtanucléaire dans la région apicale du cytoplasme pour les cellules polarisées (C glandulaires, neurones) imptce des microtubules : colchicine, nocodazole
dispersion du Golgi

L’appareil de Golgi

Fonctions de l’appareil de Golgi Gare de triage

Fonctions de l’appareil de Golgi

Fonctions de l’appareil de Golgi

Les fonctions de l’appareil de Golgi 1 - Addition covalente - Fin de la N-glycosylation des protéines - O-glycosylation des protéines ajout d'une chaîne glycosylée sur un résidu sérine ou thréonine. chaîne glycosylée très variable. - Glycosylation des lipides Certains lipides peuvent être glycosylés dans la lumière de l'appareil de Golgi. - Sulfatation des protéines Ajout d’un groupement SO42- à des résidus tyrosines ou à des chaînes glycosylées issues de la N-glycosylation 2 - Coupures protéolytiques Les coupures protéolytiques sont initiées dans le trans Golgi et se poursuivent dans les grains de sécrétion du compartiment post-golgien.

Les endosomes

Endosomes précoces : - maturation des constituants importés - tri (dissociation ligand/récepteur) - recyclage des récepteurs de surface

Endosome tardifs : S’enrichissent en hydrolases lysosomales et en membranes lysosomales par fusion avec vésicules recouvertes clathrine,

Les lysosomes Structure : - petites vésicules sphériques de 250 Å à 500 Å de diamètre - membrane dérivée des saccules de l'appareil de Golgi, constituée de: - protéines (50 à 60%) (enzymes (ADPase, ATPase), transporteurs d'ions) - lipides (phospholipides, cholestérol), - oligosaccharides, qui correspondent à la présence de glycoprotéines. - structure interne extrêmement irrégulière et très variable.

Les lysosomes Action des enzymes lysosomiques : les hydrolases acides
organites cellulaires de digestion

activité optimale à pH acide
Forte concentration de protons à l’intérieur du lysosome maintenue par un transporteur de protons (H+-ATPase)

Les lysosomes Enzymes lysosomiques dans la tête du spermatozoïde dans acrosome  digestion de l’enveloppe externe de l’ovule

Les lysosomes Fonction : site majeur de la dégradation intracellulaire de molécules d'origine exogène et endogène. - dégradation de molécules exogènes (hormones, facteurs de croissance, lipoprotéines, virus, bactéries, etc) = endocytose / phagocytose - dégradation de molécules endogènes (fragments de membranes, mitochondries, grains de sécrétion) = autophagie

Contenu des lysosomes :
biochimiquement et morphologiquement hétérogène :
hydrolases acides dont l'activité optimale s'exerce à pH 5 (pH maintenu par une ATPase à protons) - protéases - nucléases - glycosidases - lipases - phosphatases


produits de dégradation parvenant de l’autophagie ou de l’endocytose.

Transport des enzymes lysosomales vers les lysosomes

Transport des enzymes lysosomales vers les lysosomes

Flux membranaires antérograde

rétrograde

Le transport vésiculaire

Cavéoline

assemblage des complexes protéiques
déformation mécanique de la membrane COP : coat proteins ou protéines du manteau - COP I : protéines assurant le transport rétrograde entre les compartiments golgiens et du Golgi vers le RE. - COPII : protéines assurant le transport antérograde des protéines du RE vers le Golgi.

Le transport vésiculaire • Vésicules tapissées : • • •

De PCOII : pour matériaux du RE en direction du CIREG et du Golgi De PCOI : du CIREG et des empilements de Golgi vers RE De clathrine du RTG aux endosomes aux lysosomes

Le transport vésiculaire

Le transport vésiculaire 1 - formation d'un bourgeon à la membrane d'un compartiment donneur 2 - formation d'une vésicule par pincement du bourgeon. isolement d’une fraction du compartiment donneur et des composants membranaires

3 - accostage (arrimage) de la vésicule au compartiment accepteur 4 - fusion - déversement du contenu de la vésicule dans le compartiment accepteur - intégration de la membrane de la vésicule à celle du compartiment accepteur 1

2

3

4

Le transport vésiculaire : l’endocytose

Le transport vésiculaire : l’endocytose

Le transport vésiculaire : l’endocytose

Les puits de clathrine 3 grosses sous-unités + 3 petites sous-unités
triskèle (3 branches) (chaînes lourdes) (chaînes légères)

L’endocytose (Université Lyon 1/ IBCP)

Accostage et fusion des vésicules - vésicule dirigée vers le compartiment accepteur grâce aux protéines Rab = protéines d'adressage

- accostage au compartiment receveur facilité par l'interaction des protéines SNAREs = Soluble-NSF-Acceptors-Receptors

- v-SNARE : associées à la vésicule

- t-SNARE : associées au compartiment accepteur (target).

Fusion des vésicules

Flux membranaire vectoriel