Université de Provence - Marseille L1 Mention Sciences de la Vie UE 4TV1BC14 (Biologie Cellulaire 1) L. De Jong-Moreau UMR CNRS 6116 IMEP
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Equipe "Biomarqueurs & Bioindicateurs Environnementaux"
LE SYSTEME ENDOMEMBRANAIRE DES CELLULES EUCARYOTES 1.
Réticulum endoplasmique (RE)........................................................................................... 2 1.1. Structure du RE................................................................................................................2 1.2. Organisation moléculaire du RE ......................................................................................3 1.3. Fonctions du REG............................................................................................................3 1.3.1. Synthèses protéiques ................................................................................................ 3 1.3.2. Assemblage des phospholipides............................................................................... 4 1.4. Fonctions du REL ............................................................................................................4 1.4.1. Synthèses lipidiques................................................................................................. 4 1.4.2. Rôle dans le métabolisme des glucides.................................................................... 4 1.4.3. Rôle dans la détoxication ......................................................................................... 5 1.4.4. Stockage et libération du calcium ............................................................................ 5
2.
Appareil de Golgi .................................................................................................................. 5 2.1. Structure ...........................................................................................................................6 2.1.1. Face cis..................................................................................................................... 6 2.1.2. Saccules intermédiaires............................................................................................ 6 2.1.3. Face trans ................................................................................................................. 6 2.2. Fonctions..........................................................................................................................6
3.
Lysosomes .............................................................................................................................. 7 3.1. Structure et fonctions .......................................................................................................7 3.2. Identification des lysosomes dans la cellule ....................................................................9
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LE SYSTEME ENDOMEMBRANAIRE DES CELLULES EUCARYOTES INTRODUCTION Le système endomembranaire est présent uniquement dans les cellules eucaryotes. Il correspond à l'ensemble des compartiments intracellulaires limités par une membrane (cytomembrane) et communiquant entre eux et avec le milieu extérieur par des échanges de vésicules. Les compartiments du système endomembranaire comportent des caractéristiques morphologiques et fonctionnelles qui permettent de les subdiviser en groupes distincts: -
Le réticulum endoplasmique (RE)
-
L'appareil de Golgi
-
Les lysosomes
-
Les endosomes (déjà étudiés dans la partie membrane et cytosquelette du cours de biologie cellulaire de l'UE 14BC4).
1.
Réticulum endoplasmique (RE) 1.1.
Structure du RE
Fig. 1. RE. Le terme "réticulum" signifie réseau et le terme "endoplasmique" signifie à l'intérieur du cytoplasme. Il s'agit d'un ensemble de tubules et de saccules (ou citernes) formant un vaste labyrinthe membraneux. Dans certaines cellules (∈ ∈), le RE peut-être très développé. C'est le cas des ∈ exocrines du pancréas, où il représente plus de la moitié des membranes ∈aires (cf. TD micrographies série RG9). Les cytomembranes du RE forment un feuillet continu et délimitent un compartiment interne: la lumière du RE. Le contenu luminal est donc isolé du cytosol. Les cytomembranes du RE sont en continuité avec l’enveloppe nucléaire. L'enveloppe nucléaire n'est en fait qu'une portion différenciée du RE dotée de pores. L'enveloppe nucléaire est toujours lisse intérieurement (vers le noyau) et porte généralement des ribosomes sur sa face externe. Il existe deux types de RE: - Granulaire ou rugueux (REG): Recouvert de ribosomes sur la face cytosolique (d'où son nom). Il forme un réseau serré de citernes aplaties et parallèles. - Agranulaire ou Lisse (REL): Dépourvu de ribosomes. Il est généralement tubulaire. Les deux types de RE peuvent exister dans la même cellule et sont bien sûr en communication. Remarque: Le REG peut-être partiellement dégranulé. Cet état est transitoire et l'on parle de RE de transition. Ex: des ∈ hépatiques en cas de jeûne prolongé (cf. TD). 2
Nous verrons que la diversité morphologique du RE est en rapport avec ses multiples fonctions.
1.2.
Organisation moléculaire du RE
Les cytomembranes du RE possèdent moins de lipides (30%) que la membrane plasmique (60%). Elles présentent également moins de cholestérol. De plus, les chaînes d'acides gras des phospholipides sont moins longues, ce qui confère à ces cytomembranes une épaisseur moindre que celle de la membrane plasmique. Les cytomembranes du RE sont riches en protéines (70%). Parmi les protéines des cytomembranes du RE on trouve: √
Les protéines de la MP, mais en proportion plus faible et souvent sous forme « inachevées »
√
Des protéines spécifiques du RE: en rapport avec ses diverses fonctions. Parmi ces protéines spécifiques on trouve des enzymes: - du métabolisme des acides gras - de la synthèse des phospholipides et des stéroïdes - de la synthèse des glycolipides et des glycoprotéines
Les cavités du RE sont comparables à une solution aqueuse de protéines de composition variable en fonction du type cellulaire. Exemples: - Zymogène dans les ∈ acineuses du pancréas exocrine - Procollagène dans les fibroblastes - Immunoglobulines dans les plasmocytes
1.3.
Fonctions du REG
Le REG intervient dans les synthèses protéiques (d'où la présence de ribosomes sur sa face cytosolique) et dans l'assemblage des phospholipides (grâce à trois enzymes affleurant sur sa face cytosolique).
1.3.1.
Synthèses protéiques
L'élaboration des protéines débute dans le cytosol (traduction). Certaines protéines restent dans le cytosol (ex: enzymes de la glycolyse), mais d'autres sont internalisées pendant l'élongation dans le RE. Parmi les protéines internalisées on distingue des protéines hydrophiles (qui se retrouvent dans la lumière du RE) et des protéines transmembranaires amphiphiles (qui seront enchâssées dans les cytomembranes du RE). Les mécanismes qui assurent l'internalisation des protéines dans le RE ainsi que les modalités de l'internalisation ne seront pas abordés dans ce cours, ils sont au programme de la deuxième année de licence (L2).
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1.3.2.
Assemblage des phospholipides
Fig. 2. RE. Le REG synthétise des cytomembranes: il assemble les phospholipides à partir de composants cytosoliques. L'assemblage est réalisé par 3 enzymes qui affleurent sur sa face cytosolique. L'assemblage se fait donc en 3 étapes successives. Etape 1: Une Acyl-transférase synthétise dans la monocouche externe un diacyl glycérol-P à partir de 2 acyl-CoA (longue chaîne carbonée associée avec un coenzyme A) et d'un glycérol-P. Etape 2: Le diacyl glycérol-P est déphosphorylé par une phosphatase. Etape 3: Une choline transférase permet l'amarrage d'une choline-P (libérée d'un nucléoside diphosphate). Dans cet exemple, le phospholipide ainsi assemblé (une phosphatidyl-choline) a trois destinations possibles: - il reste dans la monocouche externe, où il se déplace par diffusion. - il bascule dans la monocouche interne. Cette translocation fait intervenir une translocase (flippase). - il est prélevé par des protéines cytosoliques, qui le transportent dans une poche hydrophobe jusqu'aux membranes présentant un déficit de ce phospholipide. Les membranes présentant un déficit sont généralement celles qui ne sont pas directement alimentées par les membranes des vésicules membranaires (à savoir: mitochondries et chloroplastes).
1.4. 1.4.1.
Fonctions du REL Synthèses lipidiques
Les enzymes du RE jouent un rôle important dans la synthèse des lipides (Ex: Stéroïdes). Les ∈ qui synthétisent et sécrètent les hormones stéroïdes (folliculine dans les ovaires; testostérone dans les testicules) sont riches en REL: cette caractéristique structurale est conforme à leur fonction.
1.4.2.
Rôle dans le métabolisme des glucides
Les ∈ hépatiques stockent les glucides sous forme de glycogène (polysaccharide). Pour être utilisé par la ∈, le glycogène est hydrolysé en glucose-6- phosphate. Or, le glucose-6- phosphate est une forme ionique (donc hydratée) ne pouvant sortir de la ∈ pour entrer dans le sang. C'est une enzyme des cytomembranes du REL qui va transformer le glucose-6- phosphate en glucose et permettre ainsi son exportation vers le sang. Dans les ∈ hépatiques, les cytomembranes du REL jouent donc un rôle important dans la régulation de la glycémie.
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1.4.3.
Rôle dans la détoxication
Le REL assure la détoxication de substances exogènes toxiques telles que les pesticides, les médicaments, les hydrocarbures aromatiques issus notamment de la combustion des cigarettes, les additifs alimentaires tels que les colorants et les conservateurs… Cette détoxication est réalisée par des complexes multienzymatiques, comprenant notamment les enzymes des cytochromes P450, insérés dans la membrane du REL (cas des hépatocytes). Ces enzymes sont capables de transformer des milliers de substrats hydrophobes en dérivés plus hydrophiles qui seront plus facilement excrétés hors de la cellule. Ces enzymes peuvent également rendre actif un médicament (après métabolisation). Ce système de détoxication a des limites et peut même présenter un danger, puisque dans certains cas la métabolisation d'un composé inactif peut aboutir à des dérivés très toxiques.
1.4.4.
Stockage et libération du calcium
Fig. 3. RE. Toutes les ∈ renferment des vésicules ou des citernes spécialisées du REL servant au stockage du calcium. Le RE peut présenter une concentration en calcium 10 à 100 fois plus élevée que dans le cytosol. Le stockage et la libération du calcium font intervenir 3 types de molécules: -
une pompe à calcium qui est une ATPase calcium dépendante. Elle transporte le calcium du cytosol vers la lumière du REL. L'énergie du transport provient de l'hydrolyse de l'ATP en ADP+P.
-
des protéines contenues dans la lumière du RE et spécialisées dans la fixation du calcium (ex: la calséquestrine que l'on trouve dans le réticulum sarcoplasmique et qui joue donc un rôle important lors de la contraction musculaire).
-
un canal de libération du calcium situé dans la membrane du RE.
En contrôlant la concentration cytosolique en calcium (par capture et libération), le RE participe à de très nombreuses fonctions cellulaires telles que: la contraction musculaire, la division cellulaire, la sécrétion, l'endocytose, la transmission synaptique… Le calcium est alors utilisé comme un véritable messager intracellulaire.
2.
Appareil de Golgi Ce composant du système endomembranaire fut découvert en 1898 par Camillo Golgi dans les
neurones de vertébrés. A la sortie du réticulum endoplasmique beaucoup de vésicules de transition se dirigent vers l'appareil de Golgi. Dans l'appareil de Golgi, le matériel en provenance du RE est modifié puis exporté vers d'autres compartiments. 5
Dans la cellule animale, l'appareil de Golgi est localisé à proximité du noyau près du centrosome.
2.1.
Structure
Fig. 1G. L'appareil de Golgi est formé par un ensemble de dictyosomes. Le dictyosome est un empilement de saccules membraneux discoïdaux et aplatis. Chaque dictyosome est entouré de nombreuses vésicules. Chaque dictyosome peut-être subdivisé en 3 compartiments: face cis, saccules intermédiaires et face trans.
2.1.1.
Face cis
La face cis est habituellement convexe. Elle est située près du RE puisqu'elle reçoit les vésicules de transition issues du RE. La lame de REG d’où sont issues les vésicules de transition est dégranulée. Les vésicules de transition contiennent le matériel protéique élaboré dans le REG. Les vésicules de transition fusionnent avec la cytomembrane du saccule cis golgien et déchargent leur contenu dans la lumière du saccule.
2.1.2.
Saccules intermédiaires
Le matériel luminal transite de saccule en saccule par l’intermédiaire des vésicules latérales. Chaque saccule possède des enzymes particulières qui modifient légèrement la protéine issue du RE (en ajoutant généralement des oligosaccharides). L’appareil de Golgi affine les protéines par étapes: - chaque saccule intermédiaire correspond à une étape - chaque étape est importante et les étapes doivent se succéder dans l’ordre.
2.1.3.
Face trans
La face trans est généralement concave. Elle donne naissance à des vésicules de sécrétions qui s’acheminent vers d’autres sites. Ces jeunes grains de sécrétion sont appelés vacuoles de condensation.
2.2.
Fonctions
On peut comparer l'appareil de Golgi à un centre d'affinage, de triage, d'entreposage et d'expédition. En d'autres termes on parle d'adressage, de tri, de concentration et exportation des molécules. L'adressage est une sorte d'étiquetage des molécules. Au niveau de chaque saccule les protéines se voient ajouter des sucres. Le motif sucré final constitue l'étiquette de la protéine. En fonction de leur destinée les protéines sont étiquetées différemment. L'étiquetage permet donc de trier les molécules. Au niveau de la face trans, les molécules sont concentrées et exportées vers d'autres compartiments cellulaires. Pour l'exportation, on distingue 3 voies principales: celle des 6
sécrétions contrôlées∗ (régulées), celle des lysosomes et celle des sécrétions constitutives (ex: matrices extracellulaires) (Fig. 2G.). Le revêtement protéique (clathrine, coatomère) des vésicules sécrétoires est d'ailleurs différent en fonction du type de sécrétion. Ces mécanismes seront traités en détail en deuxième année de licence (L2).
3.
Lysosomes 3.1.
Structure et fonctions
Les lysosomes sont des organites en forme de sacs globuleux limités par une cytomembrane et contenant de très nombreuses hydrolases acides. Les lysosomes résultent de la fusion entre les prolysosomes (=prélysosomes) porteurs d'hydrolases et différentes vacuoles prédigestives contenant le substrat à hydrolyser. Hydrolases acides
prolysosomes (= prélysosomes) Substrats Hydrolases
= Enzymes hydrolytiques décomposant à pH5 un type de molécule
FUSION
R1-R2 + H2O Lysosome
Hydrolase
R1-OH + R2-H
Les lysosomes sont le site de la digestion intracellulaire. On dénombre une quarantaine d'hydrolases différentes qui assurent l'hydrolyse de toutes les grandes familles de molécules. On trouve ainsi: - phosphatase acide - des protéases, - des nucléases, - des glycosidases, - des lipases, - des sulfatases. Toutes ces enzymes ne coexistent pas dans la même cellule: le nombre et la nature des hydrolases varient avec le type cellulaire. Cependant, pratiquement tous les lysosomes contiennent de la phosphatase acide. C'est grâce à cette enzyme que l'on pourra identifier les lysosomes dans une cellule. La membrane des lysosomes présente 3 catégories importantes de protéines très adaptées à la fonction de l'organite (Fig. 1.L.): -
des glycoprotéines qui la protègent des hydrolases. Les oligosaccharides constituent un écran de protection.
∗
Les sécrétions contrôlées sont principalement des sécrétions produites par des cellules glandulaires et exocytées en réponse à un signal exogène, souvent hormonal comme par exemple dans le cas des cellules acineuses du pancréas.
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-
des ATPases H+ dépendantes, qui maintiennent le pH du lysosome à 5
-
des perméases qui facilitent la diffusion des produits d'hydrolyse dans le cytosol. On trouve ainsi des perméases spécifiques pour acides aminés, oses, nucléosides…
Fig. 2. L. Les Lysososmes (cellule animale/cellule végétale) Dans la cellule animale, les lysosomes sont représentés par les endolysosomes, les phagolysosomes et les autophagolysosomes. Dans la cellule végétale, les lysosomes sont représentés par les endolysosomes, les autophagolysosomes et par une vacuole (= vacuome) comparable à un lysosome géant. √
Les endolysosmes résultent de la fusion entre endosomes (phénomène de pinocytose) et
prolysosomes. √
Les phagolysosomes résultent de la fusion entre phagosomes (phénomène de phagocytose) et
prolysosomes. Les macrophages et les granulocytes sont des globules blancs spécialisés dans la phagocytose. Grâce aux phagolysosomes, ils assurent la défense et le nettoyage de l'organisme. Remarque: les endosomes et les phagolysosomes sont des vacuoles hétérophagiques (c'est-à-dire à substrat exogène). Ce type de nutrition est essentiel chez de nombreux protozoaires (ex: chez les ciliés; ex: paramécie). Chez les crustacés, certaines cellules digestives (intestin, hépatopancrés) présentent une immense vacuole qui correspond à un endolysosome géant dans lequel est lysé et accumulé le substrat intestinal avant que la cellule n'éclate et ne libère le lysat dans la lumière (Fig. 3. L.). √
Les autophagolysosomes résultent de la fusion entre autophagosomes et prolysosomes. Un
autophagosome est une vacuole autophagique (substrat endogène). C'est-à-dire une vacuole qui séquestre un territoire cytoplasmique et/ou un organite. La vacuole autophagique se forme à partir d'une lame de REL. Cette lame de REL entoure et isole une plage cytoplasmique sénile qui sera ensuite décomposée dans l'autophagolysosome. Remarque: L'autophagie assure aussi la digestion programmée des cellules d'organes entiers lors des métamorphoses notamment chez les insectes et les batraciens. Les cellules de tissus ou d'organes entiers (ex: tube digestif des tétards) sont alors envahis d'autophagolysosomes géants qui produisent ainsi la matière première nécessaire aux nouveaux organes. De même, en période de jeûne prolongé, une histolyse partielle de certains tissus (musculaire surtout) pourvoit au plus pressé chez beaucoup d'organismes. Enfin, l'autophagie peut aussi éliminer les constituants excédentaires. C'est le cas de grains de sécrétions non exocytés. On parle alors de crinophagie. La crinophagie est particulièrement intense dans les glandes mammaires à la suite d'un sevrage (arrêt de l'allaitement chez les mammifères). Après diffusion des produits de la digestion dans le cytosol, les lysosomes accumulent des déchets (corps résiduels). Ces corps résiduels sont essentiellement des pigments (à cause d'une absence d'hydrolases spécifiques) et des membranes (à cause d'une insuffisance des phospholipases). Dans quelques cas, les corps résiduels peuvent être exocytés (ex: macrophage). 8
Mais le plus souvent, ils s'accumulent dans les cellules et leur abondance est le signe d'une sénescence cellulaire. Le dysfonctionnement lysosomal cause des pathologies sévères. Exemples: (1) Dans les macrophages, des aiguilles de silice (cas de la silicose), des cristaux d'acide urique (cas de la goutte) et des fibres d'amiante (cas de l'asbestose) sont à l'origine de la perforation des membranes des phagolysosomes. Le cytoplasme des macrophages est alors lysé. Les cristaux sont réabsorbés par de nouveaux macrophages et ainsi de suite produisant des destructions importantes (ex: destruction des zones périarticulaires dans le cas de la goutte ou des alvéoles pulmonaires dans le cas de la silicose). (2) Il existe des maladies résultant d'une surcharge lysosomale. En d'autres termes par une accumulation dans le lysosome de substrat non lysé. Ce sont des maladies génétiques. Le problème provient généralement d'un défaut d'étiquetage des hydrolases qui ne sont donc pas dirigées vers le lysosome (ex: mucolipidose). √
Le vacuome accumule des déchets. Dans les cellules végétales, l'exocytose est limitée aux
sécrétions de petits polysaccharides et de glycoprotéines destinés à la paroi: le stockage des déchets est donc obligatoire. Cependant, le vacuome stocke aussi des substances de réserve et surtout de l'eau et des ions, permettant la turgescence cellulaire. La turgescence donne aux végétaux leur port aérien qui épanouit les fleurs et tend les feuilles pour mieux les exposer au soleil. Elle aide les cellules et toute la plante dans leurs croissances pour contrebalancer la forte résistance de la paroi. Enfin, elle permet la circulation de la sève brute qui doit remonter des racines. Dans les graines, les vacuoles peuvent se déshydrater et stocker des substances, principalement des protéines, qui seront décomposées lors de la germination après réhydratation et réactivation des hydrolases (ex: grains d'aleurone).
3.2.
Identification des lysosomes dans la cellule
L’aspect du lysosome n’est pas suffisant pour l’identifier dans la cellule. On effectue donc un test cytochimique spécifique: la détection de l’activité de la phosphatase acide (seule hydrolase présente dans tous les lysosomes). Ce test permet de marquer les lysosomes dans les coupes. En microscopie électronique à transmission (MET) on repèrera un précipité noir (opaque aux électrons). Le principe du test est schématisé sur la figure 4.L. Etape 1: On fournit à la cellule un substrat phosphaté (ex: glycérophosphate) pour accentuer la réaction. Etape 2: Le substrat est hydrolysé dans les lysosomes par la phosphatase acide (à pH5) libérant ainsi le groupement phosphate (HPO4 2-). Etape 3: On fournit à la cellule du nitrate de plomb. Le plomb forme des liaisons ioniques avec (HPO4 2-) formant ainsi un précipité visualisable au MET.
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