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Biologie moléculaire de la cellule | r des prot ines travers la membrane externe, alors que la membrane a d j de grands pores form s par des porines ? 12 13 Examiner la prot ine transmembranaire multipasse illustr e la figure Q12 3. Selon vous, quel serait l'effet de la conversion du premier segment transmembranaire hydrophobe en un segment hydrophile ? Esquissez la disposition de la prot ine modifi e dans la membrane du RE. Figure Q12 3 Disposition d'une prot ine transmembranaire multipasse dans la membrane du re (probl me 12 13). Les hexagones bleus repr sentent des oligosaccharides attach s de mani re covalente. Les positions des acides amin s charg s positivement et n gativement flanquant le deuxi me segment transmembranaire sont montr es. 12 14 Tous les nouveaux phospholipides sont ajout s au feuillet cytosolique de la membrane du RE, mais la membrane du RE a une distribution sym trique de diff rents phospholipides dans ses deux feuillets. En revanche, la membrane plasmique, qui re oit tous ses composants membranaires en fin de compte du RE, a une distribution tr s asym trique des phospholipides dans les deux feuillets de sa bicouche lipidique. Comment la sym trie est-elle g n r e dans le Et comment l'asym trie est-elle g n r e et maintenue dans la membrane plasmique ? palade G (1975) aspects intracellulaires du processus de synth se des prot ines. Science 189, 347-358. La compartimentation des cellulesBlobel G (1980) topogen se des prot ines intracellulaires. Proc. Natl Acad. Sci. USA 77, 1496-1500. Devos Dp, Gr f r & field mC (2014) volution du noyau. Curr. Opin. Cell Biol. 28, 8 15. Warren G & Wickner W (1996) h r dit des organites. Cellule 84, 395 400. Le transport des mol cules entre le noyau et le cytosol adam sa & Gerace l (1991) Les prot ines cytosoliques qui se lient sp cifiquement aux signaux de localisation nucl aire sont des r cepteurs d'importation nucl aire. Cellule 66, 837 847. Burke B & stewart Cl (2013) Les lamines nucl aires : flexibilit dans la fonction. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 14, 13 24. Cole, Cn & scarcelli, JJ (2006) Transport de l'ARN messager du noyau au cytoplasme. Curr. Opin. Cell Biol. 18, 299 306. G ttinger s, laurell e & Kutay U (2009) orchestrant le d sassemblage et le r assemblage de l'enveloppe nucl aire pendant la mitose. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 10, 178 191. hetzer mW & Wente sr (2009) Contr le des fronti res au niveau du noyau : biogen se et organisation de la membrane nucl aire et des complexes de pores. Cellule de d veloppement 17, 606 616. hoelz a, Debler eW & Blobel G (2011) La structure du complexe de pores nucl aires. Annu. R v. Biochem. 80, 613 643. h lsmann BB, labokha aa & G rlich D (2012) La perm abilit des pores nucl aires reconstitu s fournit une preuve directe du mod le de phase s lective. Cellule 150, 738 751. K hler a & hurt e (2007) exportation de l'ARN du noyau vers le cytoplasme. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 8, 761 773. rothballer A & Kutay U (2013) Se pencher sur les pores : insertion du complexe de pores nucl aires dans l'enveloppe nucl aire. Tendances Biochem. Sci. 38, 292 301. strambio-De-Castilla C, niepel m & rout mp (2010) Le complexe de pores nucl aires : faire le lien entre le transport nucl aire et la r gulation des g nes. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 11, 490 501. Tran eJ & Wente sr (2006) Complexes de pores nucl aires dynamiques : la vie la limite. Cellule 125, 1041 1053. Le transport des prot ines dans les mitochondries et les chloroplastes Chacinska a, Koehler Cm, milenkovic D et al. (2009) importation de prot ines mitochondriales : machineries et m canismes. Cellule 138, 628 644. Jarvis p & robinson C (2004) m canismes d'importation et de routage des prot ines dans les chloroplastes. Curr. Biol. 14, r1064 r1077. Kessler f & schnell DJ (2009) Biogen se des chloroplastes : diversit et r gulation de l'importation de prot ines appareil. Curr. Opin. Cell Biol. 21, 494 500.prakash s & Matouschek une prot ine (2004) se d ployant dans la cellule. Tendances Biochem. Sci. 29, 593 600. schleiff e & Becker T (2011) Terrain d'entente pour la translocation des prot ines : contr le d'acc s pour les mitochondries et les chloroplastes. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 12, 48-59. Dimitrov l, lam sK & schekman r (2013) Le r le du r ticulum endoplasmique dans la biogen se des peroxysomes. Printemps froid Harb. Perspect. Biol. 5, a013243. fujiki Y, Yagita Y & matsuzaki T (2012) Troubles de la biogen se des peroxysomes. Biochim. Biophys. Acta 1822, 1337-1342. schliebs W, Girzalsky W& erdmann r (2010) Importation et re de prot ines peroxysomales : variations sur un th me commun. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 11, 885 890. La formation et l'entretien des peroxysomes (2013) d pendent du r ticulum endoplasmique. Annu. R v. Biochem. 82, 723 744. La particule de reconnaissance du signal Endoplasmic Reticulum akopian D, shen K, zhang X & shan so (2013) : une machine essentielle de ciblage des prot ines. Annu. R v. Biochem. 82, 693 721. Blobel G & |
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Biologie moléculaire de la cellule | , ou lumi re, de chaque compartiment membranaire le long des voies s cr toires et endocytaires est quivalent la lumi re de la plupart des autres compartiments membranaires et l'ext rieur de la cellule, en ce sens que les prot ines peuvent voyager dans cet espace sans avoir traverser une membrane lorsqu'elles sont pass es d'un compartiment un autre au moyen de nombreux conteneurs de transport entour s d'une membrane. Ces r cipients sont form s partir du compartiment donneur et sont soit de petites v sicules sph riques, soit des v sicules irr guli res plus grandes, soit des tubules. Nous utiliserons le terme v sicule de transport pour l'appliquer toutes les formes de ces conteneurs. l'int rieur d'une cellule eucaryote, les v sicules de transport se d tachent continuellement d'une membrane et fusionnent avec une autre, transportant des composants membranaires et des mol cules lumineuses solubles, appel es cargaison (Figure 13 2). Ce trafic v siculaire s' coule le long de routes directionnelles tr s organis es, qui permettent la cellule de s cr ter, de manger et de remodeler sa membrane plasmique et ses organites. La voie s cr toire m ne vers l'ext rieur du r ticulum endoplasmique (RE) vers l'appareil de Golgi et la surface cellulaire, avec une voie lat rale menant aux lysosomes, tandis que la voie endocytaire m ne vers l'int rieur partir de la membrane plasmique. Dans chaque cas, les voies de r cup ration Les m canismes mol culaires du transport de MeMbrane et la gestion de la cellule de la cellule TransporT de la Trans golgI neTwork l'exTerIor cellulaire : exocyTosIs Figure 13 1 Exocytose et endocytose. (a) Dans l'exocytose, une v sicule de transport fusionne avec la membrane plasmique. Son contenu est lib r dans l'espace extracellulaire, tandis que la membrane v siculaire (rouge) devient continue avec la membrane plasmique. (b) Dans l'endocytose, un patch de membrane plasmique (rouge) est internalis , formant une v sicule de transport. Son contenu provient de l'espace extracellulaire. 696 Chapitre 13 : Le trafic membranaire intracellulaire quilibre le flux de membrane entre les compartiments dans la direction oppos e, Figure 13 2 Transport des v sicules. Les v sicules de transport bourgeonnent d'un compartiment, ramenant la membrane et les prot ines s lectionn es dans le compartiment d'origine et fusionnent avec un autre. ce faisant, ils (figure 13-3). transporter du mat riel comme cargaison de la lumi re Pour remplir sa fonction, chaque v sicule de transport qui bourgeonne partir d'un compartiment (l'espace l'int rieur d'une membrane ferm e doit tre s lective. Il ne doit absorber que les mol cules appropri es et doit fusionner le compartiment) et la membrane du donneur uniquement avec la membrane cible appropri e. Une v sicule transportant la cargaison du compartiment du RE la lumi re et la membrane du compartiment cible, comme illustr . l'appareil de Golgi, par exemple, doit exclure la plupart des prot ines qui doivent rester dans le RE, et il ne doit fusionner qu'avec l'appareil de Golgi et non avec un autre organite. Nous commen ons ce chapitre en examinant les m canismes mol culaires du bourgeonnement et de la fusion qui sous-tendent tout transport v siculaire. Nous abordons ensuite le probl me fondamental de savoir comment, face ce transport, la cellule maintient les Figure 13 3 Une carte routi re des voies s cr toires et endocytaires. (a) Dans cette feuille de route sch matique, qui a t introduite au chapitre 12, les voies endocytaires et s cr toires sont illustr es par des fl ches vertes et rouges, respectivement. De plus, les fl ches bleues indiquent les voies de r cup ration pour le reflux de Composants. (b) Les compartiments de la cellule eucaryote impliqu s dans le transport des v sicules. La lumi re de chaque compartiment entour d'une membrane est topologiquement quivalente celle de l'ext rieur de la cellule. Tous les compartiments repr sent s communiquent entre eux et avec l'ext rieur de la cellule au moyen de v sicules de transport. Dans la voie s cr toire (fl ches rouges), les mol cules de prot ines sont transport es du re vers la membrane plasmique ou (via les endosomes) vers les lysosomes. Dans la voie endocytaire (fl ches vertes), les mol cules sont ing r es dans des v sicules endocytaires d riv es de la membrane plasmique et d livr es aux endosomes pr coces, puis (via les endosomes tardifs) aux lysosomes. De nombreuses mol cules endocytos es sont extraites des endosomes pr coces et renvoy es (certaines via le recyclage des endosomes) la surface cellulaire pour tre r utilis es. De m me, certaines mol cules sont extraites des endosomes pr coces et tardifs et renvoy es l'appareil de Golgi, et d'autres sont r cup r es de l'appareil de Golgi et renvoy es au RE. Toutes ces voies de r cup ration sont indiqu es par des fl ches bleues, comme dans la partie (A). diff rences fonctionnelles entre ses compartiments. Enfin, nous consid rons |
Biologie moléculaire de la cellule | la fonction de l'appareil de Golgi, des lysosomes, des v sicules s cr toires et des endosomes, en tra ant les voies qui relient ces organites. Les m canismes mol culaires du transport de MeMbrane et la gestion des technologies de transport Le transport des v sicules permet un change continu de composants entre les dix compartiments chimiquement distincts et enferm s dans une membrane qui comprennent collectivement les voies s cr toires et endocytaires. Avec cet change massif, comment chaque compartiment peut-il conserver son identit particuli re ? Pour r pondre cette question, nous devons d'abord examiner ce qui d finit le caract re d'un compartiment. C'est avant tout la composition de la membrane qui l'entoure : les marqueurs mol culaires affich s sur la surface cytosolique de la membrane servent de rep res pour le trafic entrant afin de s'assurer que les v sicules de transport ne fusionnent qu'avec le bon compartiment. Cependant, bon nombre de ces marqueurs membranaires se trouvent sur plus d'un compartiment, et c'est la combinaison sp cifique de mol cules marqueurs qui donne chaque compartiment son adresse mol culaire. Comment ces marqueurs membranaires sont-ils maintenus une concentration lev e sur un compartiment et une faible concentration sur un autre ? Pour r pondre cette question, nous devons examiner comment des plaques de membrane, enrichies ou appauvries en composants membranaires sp cifiques, se d tachent d'un compartiment et se transf rent dans un autre. Nous commen ons par discuter de la fa on dont les cellules s parent les prot ines en domaines membranaires distincts en assemblant une couche prot ique sp ciale sur la face cytosolique de la membrane. Nous examinons comment les manteaux se forment, de quoi ils sont faits et comment ils sont utilis s pour extraire des composants sp cifiques de la cargaison d'une membrane et d'une lumi re de compartiment pour les livrer un autre compartiment. Enfin, nous discutons de la fa on dont les v sicules de transport s'amarrent la membrane cible appropri e, puis fusionnent avec celle-ci pour livrer leur cargaison. Il existe diff rents types de v sicules enrob es La plupart des v sicules de transport se forment partir de r gions sp cialis es et rev tues de membranes. Ils bourgeonnent sous forme de v sicules enrob es, qui ont une cage distinctive de prot ines recouvrant leur surface cytosolique. Avant que les v sicules ne fusionnent avec une membrane cible, elles jettent leur enveloppe, comme cela est n cessaire pour que les deux surfaces de la membrane cytosolique interagissent directement et fusionnent. Le pelage remplit deux fonctions principales qui se refl tent dans une structure commune deux couches. Tout d'abord, une couche de couche interne concentre des prot ines membranaires sp cifiques dans un patch sp cialis , qui donne ensuite naissance la membrane v siculaire. De cette fa on, la couche interne s lectionne les mol cules membranaires appropri es pour le transport. Deuxi mement, une couche de couche externe s'assemble en un treillis incurv en forme de panier qui d forme la plaque de la membrane et fa onne ainsi la v sicule. Il existe trois types bien caract ris s de v sicules enrob es, qui se distinguent par leurs principales prot ines d'enveloppe : enrob de clathrine, de COPI et de COPII (Figure 13 4). Chaque type est utilis pour diff rentes tapes de transport. Les v sicules recouvertes de clathrine, par exemple, assurent le transport partir de l'appareil de Golgi et de la membrane plasmique, tandis que les v sicules rev tues de COPI et COPII assurent le plus souvent le transport partir du RE et des citernes de Golgi (Figure 13 5). Cependant, il y a beaucoup plus de vari t dans les v sicules enrob es et leurs fonctions que cette courte liste ne le sugg re. Comme nous le verrons ci-dessous, il existe plusieurs types de v sicules recouvertes de clathrine, chacune sp cialis e pour une tape de transport diff rente, et les v sicules recouvertes de COPI et de COPII peuvent tre tout aussi diverses. L'assemblage d'une couche de clathrine entra ne la formation de v sicules Les v sicules recouvertes de clathrine, les premi res v sicules rev tues tre identifi es, transportent le mat riel de la membrane plasmique et entre les compartiments endosomal et de Golgi. Les v sicules recouvertes de COPI et les v sicules recouvertes de COPII transportent le mat riel au d but de la voie s cr toire : les v sicules recouvertes de COPI bourgeonnent partir des compartiments de Golgi et les v sicules recouvertes de COPII bourgeonnent du RE (voir Figure 13 5). Nous discutons d'abord des v sicules recouvertes de clathrine, car elles fournissent un bon exemple de la fa on dont les v sicules se forment. Le principal composant prot ique des v sicules enrob es de clathrine est la clathrine elle-m me, qui forme la couche externe de l'enveloppe. Chaque sous-unit de clathrine se compose de trois grandes et trois petites cha nes |
Biologie moléculaire de la cellule | polypeptidiques qui forment ensemble une structure trois pattes appel e triskel (Figure 13 6A,B). Les triskels clathrines s'assemblent en un cadre en forme de panier d'hexagones et de pentagones pour former des fosses enrob es (bourgeons) sur la surface cytosolique des membranes (Figure 13 7). Dans des conditions appropri es, des triskels isol s s'auto-assemblent spontan ment dans des cages poly driques typiques dans un tube essai, m me en l'absence des v sicules membranaires que ces paniers renferment normalement (Figure 13 6C, D). Ainsi, les triskels clathrines d terminent la g om trie de la cage de clathrine (Figure 13 6E). Les prot ines adaptatrices, un autre composant majeur de l'enveloppe des v sicules enrob es de clathrine, forment une couche interne discr te de la couche, positionn e entre la cage de clathrine et la membrane. Ils lient l'enveloppe de clathrine la membrane et pi gent diverses prot ines transmembranaires, y compris les r cepteurs transmembranaires qui capturent les mol cules de cargaison solubles l'int rieur de la v sicule appel es r cepteurs de cargaison. De cette fa on, les prot ines adaptatrices s lectionnent un ensemble sp cifique de prot ines transmembranaires, ainsi que les prot ines solubles qui interagissent avec elles, et les empaquetent dans chaque v sicule de transport nouvellement form e recouverte de clathrine (Figure 13 8). CL : Figure 13 4 Micrographies lectroniques de v sicules enrob es de clathrine, de COPI et de COPII. Tous sont repr sent s en micrographie lectronique la m me chelle. (des v sicules recouvertes de clathrine. (b) v sicules et citernes de Golgi (fl ches rouges) d'un syst me acellulaire dans lequel les v sicules rev tues de copI bourgeonnent dans le tube essai. v sicules recouvertes de copII. (a et b, de l. orci, B. Glick et J. Rothman, Cell 46:171-184, 1986. avec l'autorisation d'Elsevier ; C, avec l'aimable autorisation de Charles Barlowe et Lelio Orci.) Figure 13 5 Utilisation de diff rentes couches pour diff rentes tapes dans la circulation des v sicules. Diff rentes prot ines d'enveloppe s lectionnent diff rentes cargaisons et fa onnent les v sicules de transport qui interviennent dans les diff rentes tapes des voies s cr toires et endocytaires. Lorsque les m mes enveloppes fonctionnent diff rents endroits de la cellule, elles incorporent g n ralement diff rentes sous-unit s de prot ines d'enveloppe qui modifient leurs propri t s (non illustr ). De nombreuses cellules diff renci es ont des voies suppl mentaires en plus de celles montr es ici, y compris une voie de tri du r seau trans golgi la surface apicale des cellules pith liales et une voie de recyclage sp cialis e pour les prot ines des v sicules synaptiques dans les terminaisons nerveuses des neurones (voir figure 11-36). Les fl ches sont color es comme sur la figure 13-3. Figure 13 6 Structure d'une couche de clathrine. (a) Micrographie lectronique d'un triskel clathrine ombrag avec platine. Chaque triskel est compos de trois cha nes lourdes de clathrine et de trois cha nes l g res de clathrine, comme le montre le sch ma. (c et une cryomicrographie lectronique prise d'une couche de clathrine compos e de 36 trisklions organis s en un r seau de 12 pentagones et 6 hexagones, avec quelques cha nes lourdes (c) et des cha nes l g res (d) mises en vidence (Vid o 13.1). Les cha nes l g res sont li es au cytosquelette d'actine, ce qui aide g n rer une force pour le bourgeonnement de la membrane et le mouvement des v sicules, et leur phosphorylation r gule l'assemblage de la couche de clathrine. Les pattes entrelac es des triskels clathrines forment une coquille externe partir de laquelle les domaines n-terminaux des triskels font saillie vers l'int rieur. Ces domaines se lient aux prot ines adaptatrices illustr es sur les figures 13 8. Le manteau montr a t assembl biochimiquement partir de triskels de clathrine purs et est trop petit pour enfermer une v sicule membranaire. e) Images de v sicules enrob es de clathrine isol es du cerveau de bovin. Les manteaux de clathrine sont construits de mani re similaire mais moins r guli re, partir de pentagones, d'un plus grand nombre d'hexagones et parfois d'heptagones, ressemblant l'architecture de ballons de football d form s. Les structures ont t d termin es par cryomicroscopie lectronique et reconstruction tomographique. (a, d'apr s E. Ungewickell et D. Branton, Nature 289:420 422, 1981 ; C et D, d'apr s A. Fotin et al., Nature 432:573 579, 2004. le tout avec l'autorisation de Macmillan publishers ltd ; e, d'apr s Y. Cheng et al., J. Mol. Biol. 365:892 899, 2007. avec l'autorisation d'Elsevier.) Il existe plusieurs types de prot ines adaptatrices. Les mieux caract ris s ont quatre sous-unit s prot iques diff rentes ; d'autres sont des prot ines cha ne unique. Chaque type de prot ine adaptatrice est sp cifique d'un ensemble diff rent de r cepteurs de cargo. Les v sicules enrob es de clathrine bourgeo |
Biologie moléculaire de la cellule | nnant partir de diff rentes membranes utilisent diff rentes prot ines adaptatrices et emballent ainsi diff rents r cepteurs et mol cules de chargement. L'assemblage des prot ines adaptatrices sur la membrane est troitement contr l , en partie par l'interaction coop rative des prot ines adaptatrices avec d'autres composants de l'enrobage. La prot ine adaptatrice AP2 est un exemple bien compris. Lorsqu'il se lie un lipide phosphatidylinositol phosphoryl sp cifique (un phosphoinositide), il modifie sa conformation, exposant des sites de liaison pour les r cepteurs de cargaison dans la membrane. La liaison simultan e aux r cepteurs cargo et aux groupes de t te lipidique am liore consid rablement la liaison d'AP2 la membrane (Figure 13 9). tant donn que plusieurs conditions doivent tre remplies simultan ment pour lier de mani re stable les prot ines AP2 une membrane, les prot ines agissent comme des d tecteurs de co ncidence qui ne s'assemblent qu'au bon moment et au bon endroit. Lors de la liaison, ils induisent une courbure membranaire, ce qui rend plus probable la liaison de prot ines AP2 suppl mentaires proximit . L'assemblage coop ratif de la couche de couche AP2 est ensuite amplifi par la liaison de la clathrine, ce qui conduit la formation et au bourgeonnement d'une v sicule de transport. Les prot ines adaptatrices pr sentes dans d'autres enveloppes se lient galement aux phosphoinositides, qui jouent non seulement un r le majeur dans la direction du moment et de l'endroit o les couches s'assemblent dans la cellule, mais sont galement utilis es beaucoup plus largement comme marqueurs mol culaires de l'identit du compartiment. Cela aide contr ler le trafic v siculaire, comme nous le voyons maintenant. Figure 13 7 Fosses et v sicules recouvertes de clathrine. Cette cong lation rapide, en profondeur, sur la surface interne de la membrane plasmique des fibroblastes cultiv s. Les cellules ont t rapidement congel es dans de l'h lium liquide, fractur es et grav es profond ment pour exposer la surface cytoplasmique de la membrane plasmique. (avec l'aimable autorisation de John Heuser.) 0,2 m Bien que les phospholipides d'inositol repr sentent g n ralement moins de 10 % du total des phospholipides d'une membrane, ils ont d'importantes fonctions r gulatrices. Ils peuvent subir des cycles rapides de phosphorylation et de d phosphorylation aux positions 3, 4 et 5 de leurs groupes de t te de sucre d'inositol pour produire divers types de phosphoinositides (phosphates de phosphatidylinositol, ou PIP). L'interconversion du phosphatidylinositol (PI) et des PIP est fortement compartiment e : les diff rents organites des voies endocytaires et s cr toires ont des ensembles distincts de PI et de PIP kinases et de phosphatases PIP (Figure 13 10). La distribution, la r gulation et l' quilibre local de ces enzymes d terminent la distribution l' tat d' quilibre de chaque esp ce de PIP. En cons quence, la distribution des PIP varie d'un organite l'autre, et souvent l'int rieur d'une membrane continue d'une r gion l'autre, d finissant ainsi une membrane sp cialis e Domaines. De nombreuses prot ines impliqu es diff rentes tapes du transport des v sicules contiennent des domaines qui se lient avec une grande sp cificit aux groupes de t te de PIP particuliers, distinguant une forme phosphoryl e d'une autre (voir Figure 13 10 E et F). Le contr le local des kinases PI et PIP et des phosphatases PIP peut donc tre utilis pour contr ler rapidement la liaison des prot ines une membrane ou un domaine membranaire. La production d'un type particulier de PIP recrute des prot ines contenant des domaines de liaison PIP correspondants. Les prot ines de liaison PIP aident ensuite r guler la formation des v sicules et d'autres tapes du contr le du trafic v siculaire (Figure 13-11). La m me strat gie est largement utilis e pour recruter des prot ines de signalisation intracellulaire sp cifiques la membrane plasmique en r ponse des signaux extracellulaires (discut e au chapitre 15). phosphoinositide PI(4,5)P2 signaux d'endocytose AP2 ouvert AP2 verrouill 2 2 2 Figure 13 8 L'assemblage et le d montage d'une couche de clathrine. L'assemblage de la couche introduit une courbure dans la membrane, ce qui conduit son tour la formation d'un bourgeon enrob (appel noyau enrob s'il se trouve dans la membrane plasmique). Les prot ines adaptatrices lient la fois les triskels clathrines et les r cepteurs de cargaison li s la membrane, m diant ainsi le recrutement s lectif des mol cules de cargaison membranaires et solubles dans la v sicule. D'autres prot ines de flexion et de fission de la membrane sont recrut es dans le col de la v sicule bourgeonnante, o une forte courbure de la membrane est introduite. Le pelage est rapidement perdu peu de temps apr s le d collement de la v sicule. Figure 13 9 Commutation de conformation d'AP2 induite par les lipides. Le complexe prot ique adapt |
Biologie moléculaire de la cellule | ateur ap2 comporte quatre sous-unit s ( , 2, 2 et 2). Lors de l'interaction avec le phosphoinositide pI(4,5)p2 (voir figure 13-10) dans le feuillet cytosolique de la membrane plasmique, ap2 se r organise de sorte que les sites de liaison des r cepteurs de la cargaison sont expos s. chaque complexe ap2 se lie quatre mol cules pI(4,5)p2 (pour plus de clart , une seule est repr sent e). Dans le complexe ouvert ap2, les sous-unit s 2 et 2 se lient aux queues cytosoliques des r cepteurs cargo qui affichent les signaux d'endocytose appropri s. Ces signaux sont constitu s de courts motifs de s quence d'acides amin s. Lorsque Ap2 se lie troitement la membrane, il induit une courbure, ce qui favorise la liaison de complexes AP2 suppl mentaires proximit . OHOHHOHOHOPOOOOOOCCOO_CH2CH2CH123456123456PIPI(3,4)P2PI(3,5)P2PI(3)PPI(3,4)P2PIPI(4)PPI(5) )PPI(4,5)P2PI(3,4,5)P3(A)(C)(E)(F)(B)(D)PPPP Les prot ines qui plient la membrane aident d former la membrane lors de la formation des v sicules Les forces g n r es par l'assemblage de la couche de clathrine ne sont pas suffisantes pour fa onner et pincer une v sicule de la membrane. D'autres prot ines qui courbent la membrane et g n rent des forces participent chaque tape du processus. Les prot ines de flexion de la membrane qui contiennent des domaines en forme de croissant, appel s domaines BAR, se lient la membrane sous-jacente et lui imposent leur forme via des interactions lectrostatiques avec les groupes de t te lipidiques (Figure 13-12 ; voir aussi Figure 10-40). On pense que ces prot ines du domaine BAR aident l'endocytose m di e par la clathrine nucl e AP2 en fa onnant la membrane plasmique pour permettre la formation d'un bourgeon enrob de clathrine. Certaines de ces prot ines contiennent galement des h lices amphiphiles qui induisent la courbure de la membrane apr s avoir t ins r es sous forme de coins dans le feuillet cytoplasmique de la membrane. D'autres prot ines du domaine BAR sont importantes dans la formation du col d'une v sicule bourgeonnante, o la stabilisation des courbures brusques de la membrane est essentielle. Enfin, la machinerie de la clathrine nucl e l'assemblage local des filaments d'actine qui introduisent une tension pour aider pincer et propulser la v sicule en formation loin de la membrane. Les prot ines cytoplasmiques r gulent le pincement et le d voilement des v sicules enrob es Au fur et mesure qu'un bourgeon enrob de clathrine se d veloppe, des prot ines cytoplasmiques solubles, y compris la dynamine, s'assemblent au col de chaque bourgeon (figures 13 et 13). Dynamin contient un domaine de liaison PI(4,5) P2, qui attache la prot ine la membrane, et un domaine GTPase, qui r gule la vitesse laquelle les v sicules se d tachent de la membrane. Figure 13 11 Localisation intracellulaire des phosphoinositides. diff rents types de pIps sont situ s dans diff rentes membranes et domaines membranaires, o ils sont souvent associ s des v nements sp cifiques de transport de v sicules. La membrane des v sicules s cr toires, par exemple, contient pI(4)p. Lorsque les v sicules fusionnent avec la membrane plasmique, une pI 5-kinase qui y est localis e convertit le pI(4)p en pI(4,5)p2. Le pI(4,5)p2, son tour, aide recruter des prot ines adaptatrices, qui initient la formation d'une fosse enrob e de clathrine, comme premi re tape de l'endocytose m di e par la clathrine. une fois que la v sicule enrob e de clathrine se d tache de la membrane plasmique, une phosphatase pI(5)p hydrolyse pI(4,5)p2, ce qui affaiblit la liaison des prot ines adaptatrices, favorisant le d senrobage de la v sicule. Nous discutons de la phagocytose et de la distinction entre l'exocytose r gul e et l'exocytose constitutive plus loin dans le chapitre. (Modifi de M.a. de Matteis et a. godi, nat. Cell Biol. 6:487 492, 2004. avec l'autorisation de Macmillan publishers ltd.) Figure 13 10 Phosphatidylinositol (PI) et phosphoinositides (PIP). (a, b) La structure de pI montre les groupes hydroxyles libres dans le sucre inositol qui peuvent en principe tre modifi s. (c) la phosphorylation d'un, deux ou trois des groupes hydroxyles sur pI par les kinases pI et pIp produit une vari t d'esp ces pIp. Ils sont nomm s en fonction de la position du cycle (entre parenth ses) et du nombre de groupes phosphate (indice) ajout s pI. pI(3,4)p2 est repr sent . d) les cellules animales ont plusieurs kinases pI et pIp et un nombre similaire de phosphatases pIp, qui sont localis es dans diff rents organites, o elles sont r gul es pour catalyser la production de pIps particuliers. Les fl ches rouge et verte montrent respectivement les r actions de la kinase et de la phosphatase. (e, f) Les groupes de t te des phosphoinositides sont reconnus par des domaines prot iques qui font la distinction entre les diff rentes formes. De cette fa on, des groupes s lectionn s de prot ines contenant de tels domaines sont recrut s dans les r gions de la membrane dans |
Biologie moléculaire de la cellule | lesquelles ces phosphoinositides sont pr sents. pI(3)p et pI(4,5)p2 sont repr sent s. (d, modifi de M.a. de Matteis et a. godi, nat. Cell Biol. 6:487 492, 2004. avec l'autorisation de Macmillan publishers ltd.) exocytose constitutive exocytose r gul e endocytose phagocytose L GENDE : PI(3)P PI(4)P PI(4,5)P2 PI(3,5)P2 PI(3,4,5)P3 702 Chapitre 13 : Trafic membranaire intracellulaire Dim res de domaine BAR Figure 13 12 Structure des domaines BAR. Les prot ines domaine bar sont diverses et permettent de nombreux processus de flexion de la membrane dans la cellule. Les domaines de barres sont construits partir de bobines enroul es qui se dim risent en modules avec une surface int rieure + charg e positivement, qui interagit pr f rentiellement avec les groupes de t tes lipidiques charg s n gativement pour plier les membranes. Les d formations membranaires locales caus es par les prot ines domaine bar facilitent la liaison de prot ines domaine bar suppl mentaires, g n rant ainsi un cycle de r troaction positif pour la propagation de la courbure. Domaine de barres individuel Le processus de pincement rapproche les deux feuillets non cytosoliques des prot ines membranaires qui ont une courbure distinctive et les fusionne, scellant ainsi la v sicule en formation (voir la figure ont souvent des caract ristiques suppl mentaires qui les adaptent leurs t ches sp cifiques : certains ont 13 2). Pour effectuer cette t che, la dynamine recrute d'autres prot ines dans le col du bourgeon. Avec la dynamine, ils aident courber la partie de la membrane en d formant directement la structure bicouche, ou en modifiant sa composition lipidique travers les autres sont flanqu s de domaines de liaison pIp, de recrutement d'enzymes modifiant les lipides, ou des deux m canismes. qui les dirigent vers des membranes enrichies en Une fois lib r e de la membrane, la v sicule perd rapidement sa couche de clathrine. Un phosphoinositides apparent . La phosphatase PIP qui est co-emball e dans des v sicules recouvertes de clathrine puise PI(4,5) P2 de la membrane, ce qui affaiblit la liaison des prot ines adaptatrices. De plus, une prot ine chaperonne hsp70 (voir Figure 6-80) fonctionne comme une ATPase de d senrobage, en utilisant l' nergie de l'hydrolyse de l'ATP pour d coller l'enveloppe de la clathrine. On pense que l'auxiline, une autre prot ine de la v sicule, active l'ATPase. La lib ration du pelage, cependant, ne doit pas se produire pr matur ment, donc Des m canismes de contr le suppl mentaires doivent emp cher d'une mani re ou d'une autre l' limination de la clathrine avant qu'elle n'ait form une v sicule compl te (voir ci-dessous). GTPase domaine de dynamine Figure 13 13 Le r le de la dynamine dans le pincement des v sicules recouvertes de clathrine. (a) Plusieurs mol cules de dynamine s'assemblent en une spirale autour du col du bourgeon en formation. On pense que la spirale de dynamine recrute d'autres prot ines dans le collet du bourgeon, qui, avec la dynamine, d stabilisent les bicouches lipidiques en interaction afin que les feuillets non cytoplasmiques circulent ensemble. La v sicule nouvellement form e se d tache ensuite de la membrane. Des mutations sp cifiques de la dynamine peuvent am liorer ou bloquer le processus de pincement. (b) la dynamine a t d couverte comme la prot ine d fectueuse chez le mutant shibire de la drosophile. Ces mouches mutantes deviennent paralys es parce que l'endocytose m di e par la clathrine s'arr te et que la membrane de la v sicule synaptique ne parvient pas se recycler, bloquant la lib ration de neurotransmetteurs. Des fosses profond ment invagin es recouvertes de clathrine se forment dans les terminaisons nerveuses des cellules nerveuses de la mouche, avec une ceinture de dynamine mutante assembl e autour du cou, comme le montre cette micrographie lectronique section mince. Le processus de pincement choue parce que la fusion membranaire requise n'a pas lieu. (c, d) un mod le de la fa on dont les changements conformationnels dans les domaines gTpase de la dynamine assembl e sur membrane peuvent alimenter un changement conformationnel qui resserre le col du bourgeon. une seule mol cule de dynamine est repr sent e en orange dans d. (b, d'apr s J.h. koenig et k. Ikeda, J. neurosci. 9:3844 3860, 1989. avec la permission de la Society of Neuroscience ; c et d, adapt s de M.g.J. ford, s. Jenni et J. nunnari, nature 477:561 566, 2011. avec la permission de Macmillan publishers.) Pour quilibrer le trafic v siculaire vers et depuis un compartiment, les prot ines d'enrobage ne doivent s'assembler qu'au moment et l'endroit o elles sont n cessaires. Alors que la production locale de PIP joue un r le majeur dans la r gulation de l'assemblage des couches de clathrine sur la membrane plasmique et l'appareil de Golgi, les cellules superposent des moyens suppl mentaires de r guler la formation de la couche. Les GTPases de recrutement de robes, par exemple, contr lent l'assemblage |
Biologie moléculaire de la cellule | des couches de clathrine sur les endosomes et des couches COPI et COPII sur les membranes de Golgi et de RE. De nombreuses tapes du transport des v sicules d pendent d'une vari t de prot ines de liaison au GTP qui contr lent la fois les aspects spatiaux et temporels de la formation et de la fusion des v sicules. Comme nous l'avons vu au chapitre 3, les prot ines de liaison au GTP r gulent la plupart des processus dans les cellules eucaryotes. Ils agissent comme des commutateurs mol culaires, qui basculent entre un tat actif li au GTP et un tat inactif li au GDP. Deux classes de prot ines r gulent le retournement : les facteurs d' change de nucl otides (GEF) de guanine activent les prot ines en catalysant l' change de GDP pour le GTP, et les prot ines activatrices de la GTPase (GAPase) inactivent les prot ines en d clenchant l'hydrolyse du GTP li au GDP (voir les figures 3-68 et 15-7). Bien que les prot ines monom res de liaison au GTP (GTPases monom res) et les prot ines trim res de liaison au GTP (prot ines G) jouent un r le important dans le transport des v sicules, les r les des GTPases monom res sont mieux compris, et nous nous concentrons ici sur elles. Les GTPases de recrutement du pelage sont membres d'une famille de GTPases monom res. Il s'agit notamment des prot ines ARF, qui sont responsables de l'assemblage des enrobages COPI et clathrine au niveau des membranes de Golgi, et de la prot ine Sar1, responsable de l'assemblage des enrobages COPII au niveau de la membrane RE. Les GTPases de recrutement de pelage se trouvent g n ralement en forte concentration dans le cytosol dans un tat inactif li au GDP. Lorsqu'une v sicule recouverte de COPII doit bourgeonner partir de la membrane du RE, par exemple, un Sar1-GEF sp cifique int gr dans la membrane du RE se lie au Sar1 cytosolique, ce qui fait que le Sar1 lib re son GDP et se lie au GTP sa place. (Rappelez-vous que le GTP est pr sent en concentration beaucoup plus lev e dans le cytosol que le GDP et qu'il se liera donc spontan ment apr s la lib ration du GDP.) Dans son tat li au GTP, la prot ine Sar1 expose une h lice amphiphile, qui s'ins re dans le feuillet cytoplasmique de la bicouche lipidique de la membrane du RE. Le Sar1, troitement li , recrute maintenant des sous-unit s de la prot ine d'enveloppe adaptatrice la membrane du RE pour initier le bourgeonnement (Figure 13-14). D'autres GEF et GTPases de recrutement d'enrobage fonctionnent de mani re similaire sur d'autres membranes. Les GTPases de recrutement du pelage jouent galement un r le dans le d montage du pelage. L'hydrolyse de la GTP li e au GDP provoque un changement de conformation de la GTPase de sorte que sa queue hydrophobe sort de la membrane, provoquant le d sassemblage de la couche de la v sicule. Bien que l'on ne sache pas ce qui d clenche l'hydrolyse du GTP, il a Il a t propos que les GTPases fonctionnent comme des minuteries, qui hydrolysent les GTP des taux lents mais pr visibles, pour garantir que la formation des v sicules est synchronis e avec les exigences du moment. Les couches COPII acc l rent l'hydrolyse du GTP par Sar1, et une v sicule enti rement form e ne sera produite que lorsque la formation des bourgeons se produira plus rapidement que le processus de d sassemblage chronom tr ; Sinon, le d montage sera d clench avant qu'une v sicule ne se pince, et le processus devra recommencer, peut- tre un moment et un endroit plus appropri s. Une fois qu'une v sicule se pince, l'hydrolyse du GTP lib re Sar1, mais la couche scell e est suffisamment stabilis e par de nombreuses interactions coop ratives, y compris la liaison aux r cepteurs de cargaison dans la membrane, pour qu'elle puisse rester sur la v sicule jusqu' ce que la v sicule s'amarre une membrane cible. L , une kinase phosphoryle les prot ines de l'enveloppe, ce qui ach ve le d sassemblage de l'enveloppe et pr pare la v sicule la fusion. Les v sicules recouvertes de Clathrine et de COPI, en revanche, perdent leur pelage peu de temps apr s avoir pinc . Pour les v sicules COPI, la courbure de la membrane v siculaire sert de d clencheur pour commencer le d voilement. Un ARF-GAP est recrut pour le manteau COPI au fur et mesure de son assemblage. Il interagit avec la membrane et d tecte la densit de l'accumulation de lipides. Il s'active lorsque la courbure de la membrane s'approche de celle d'une v sicule de transport. Il inactive ensuite l'ARF, provoquant le d montage du pelage. inactive, soluble Sar1-GDP (A) h lice amphiphile active et membranaire Sar1-GTP membrane donneuse (ER) Sar1-GEF GTPGTPGDPGDPCYTOSOL ER LUMEN toutes les v sicules de transport ne sont pas sph riques Bien que le bourgeonnement des v sicules soit similaire divers endroits de la cellule, chaque membrane cellulaire pose ses propres d fis. La membrane plasmique, par exemple, est relativement plate et rigide, en raison de sa composition lipidique riche en cholest rol et de son cortex sous-jacent rich |
Biologie moléculaire de la cellule | e en actine. Ainsi, l'action coordonn e des couches de clathrine et des prot ines de flexion de la membrane doit produire une force suffisante pour introduire une courbure, en particulier au col du bourgeon o des courbures brusques sont n cessaires pour les processus de pincement. En revanche, le bourgeonnement des v sicules de nombreuses membranes intracellulaires se produit pr f rentiellement dans les r gions o les membranes sont d j courb es, comme les bords des citernes de Golgi ou les extr mit s des tubules membranaires. ces endroits, la fonction principale des enveloppes est de capturer les prot ines de cargaison appropri es plut t que de d former la membrane. Les v sicules de transport se pr sentent galement sous diff rentes tailles et formes. Diverses v sicules COPII sont n cessaires pour le transport de grosses mol cules de chargement. Le collag ne, par exemple, est assembl dans le RE sous la forme de b tonnets de procollag ne rigides de 300 nm de long qui sont ensuite s cr t s partir de la cellule o ils sont cliv s par des prot ases en collag ne, qui est int gr dans la matrice extracellulaire (discut au chapitre 19). Les b tonnets de procollag ne ne s'ins rent pas dans les v sicules COPII de 60 80 nm normalement observ es. Pour contourner ce probl me, les mol cules cargo de procollag ne se lient aux prot ines d'emballage transmembranaire dans le RE, qui contr lent l'assemblage des composants de l'enveloppe COPII (Figure 13 15). Ces v nements entra nent l'assemblage local de v sicules COPII beaucoup plus grandes qui accueillent la cargaison surdimensionn e. Les mutations humaines dans les g nes codant pour ces prot ines d'emballage entra nent des d fauts de collag ne aux cons quences graves, telles que des anomalies squelettiques et d'autres d fauts de d veloppement. Des m canismes similaires doivent r guler la taille des v sicules n cessaires la s cr tion d'autres grands complexes macromol culaires, y compris les particules de lipoprot ines qui transportent les lipides hors des cellules. Figure 13 14 Formation d'une v sicule recouverte de COPII. (a) Le SAR1-PIB inactif et soluble se lie un SAR1-GEF dans la membrane RE, ce qui oblige le SAR1 lib rer son PIB et se lier au gTp. Un changement conformationnel d clench par gTp dans sar1 expose une h lice amphiphile, qui s'ins re dans le feuillet cytoplasmique de la membrane du RE, initiant la flexion de la membrane (qui n'est pas illustr e). (b) sar1 li gTp se lie un complexe de deux prot ines d'enveloppe adaptatrice copII, appel es sec23 et sec24, qui forment l'enveloppe interne. SEC24 poss de plusieurs sites de liaison diff rents pour les queues cytosoliques des r cepteurs de fret. Toute la surface du complexe qui se fixe la membrane est l g rement incurv e, correspondant au diam tre des v sicules recouvertes de copII. (c) un complexe de deux prot ines d'enrobage copII suppl mentaires, appel es sec13 et sec 31, forme l'enveloppe externe de l'enveloppe. comme la clathrine, ils peuvent s'assembler par eux-m mes en cages sym triques de dimensions appropri es pour enfermer une v sicule recouverte de copII. (d) Li la membrane, actif sar1-gTp recrute des prot ines adaptatrices copII la membrane. Ils s lectionnent certaines prot ines transmembranaires et provoquent la d formation de la membrane. Les prot ines adaptatrices recrutent ensuite les prot ines de l'enveloppe externe qui aident former un bourgeon. Un v nement de fusion membranaire ult rieur pince la v sicule rev tue. On pense que d'autres v sicules recouvertes se forment de la m me mani re. (c, modifi de s.M. stagg et al., nature 439:234 238, 2006. avec la permission de Macmillan publishers ltd.) De nombreux autres v nements de bourgeonnement des v sicules impliquent galement des variations de m canismes communs. Lorsque les cellules vivantes sont g n tiquement modifi es pour exprimer des composants de membrane fluorescente, les endosomes et le r seau trans Golgi sont observ s dans un microscope fluorescence pour envoyer continuellement de longs tubules. Les prot ines d'enrobage s'assemblent sur les tubules membranaires et aident recruter une cargaison sp cifique. Les tubules r gressent ensuite ou se pincent l'aide de prot ines de type dynamine pour former des v sicules de transport de diff rentes tailles et formes. Les tubules ont un rapport surface/volume plus lev que les organites plus grands partir desquels ils se forment. Elles sont donc relativement enrichies en prot ines membranaires par rapport aux prot ines cargo solubles. Comme nous le verrons plus loin, cette propri t des tubules est une caract ristique importante pour le tri des prot ines dans les endosomes. Les prot ines rab guident les v sicules de transport vers leur membrane cible Pour assurer un flux ordonn de circulation v siculaire, les v sicules de transport doivent tre tr s pr cises dans la reconnaissance de la membrane cible correcte avec laquelle fusionner. En rais |
Biologie moléculaire de la cellule | on de la diversit et de l'encombrement des syst mes membranaires dans le cytoplasme, une v sicule est susceptible de rencontrer de nombreuses membranes cibles potentielles avant de trouver la bonne. La sp cificit du ciblage est assur e par le fait que toutes les v sicules de transport pr sentent des marqueurs de surface qui les identifient en fonction de leur origine et du type de cargaison, et que les membranes cibles pr sentent des r cepteurs compl mentaires qui reconnaissent les marqueurs appropri s. Ce processus crucial se d roule en deux tapes. Tout d'abord, les prot ines Rab et les effecteurs Rab dirigent la v sicule vers des points sp cifiques de la membrane cible correcte. Deuxi mement, les prot ines SNARE et les r gulateurs SNARE m dient la fusion des bicouches lipidiques. Les prot ines rab jouent un r le central dans la sp cificit du transport des v sicules. Comme les GTPases de recrutement de l'enveloppe discut es pr c demment (voir Figure 13-14), les prot ines Rab sont galement des GTPases monom res. Avec plus de 60 membres connus, la sous-famille Rab est la plus grande des sous-familles monom res GTPase. Chaque prot ine Rab est associ e un ou plusieurs organites membranaires des voies s cr toires ou endocytaires, et chacun de ces organites a au moins une prot ine Rab sur sa surface cytosolique (Tableau 13 1). Leur distribution tr s s lective sur ces syst mes membranaires fait des prot ines Rab des marqueurs mol culaires id aux pour identifier chaque type de membrane et guider le trafic des v sicules entre eux. Les prot ines Rab peuvent fonctionner sur les v sicules de transport, sur les membranes cibles, ou les deux. l'instar des GTPases de recrutement d'enveloppe, les prot ines Rab circulent entre une membrane et le cytosol et r gulent l'assemblage r versible de complexes prot iques sur la membrane. Dans leur tat li au GDP, ils sont inactifs et li s une autre prot ine (inhibiteur de dissociation Rab-GDP, ou GDI) qui les maintient solubles dans le Figure 13 15 Emballage du procollag ne dans de grandes v sicules tubulaires recouvertes de COPII. Les dessins anim s montrent des mod les pour deux modes d'assemblage de manteaux copII. Les mod les sont bas s sur des images de cryotomographie lectronique de v sicules copII reconstitu es. Sur une membrane sph rique ( gauche), les prot ines de l'enveloppe interne du SEC23/24 s'assemblent en plaques qui ancrent la cage prot ique de l'enveloppe externe du SEC13/31. Les tiges sec13/31 assemblent une cage de triangles, de carr s et de pentagones. Lorsque le procollag ne doit tre emball ( droite), des prot ines d'emballage sp ciales d tectent la cargaison et modifient le processus d'assemblage du rev tement. Cette interaction recrute la prot ine d'enveloppe interne copII sec24 et am liore localement la vitesse laquelle sar1 se d clenche et se d connecte de la membrane (non illustr ). De plus, une monoubiquitine est ajout e la prot ine sec31, modifiant les propri t s d'assemblage de la cage externe. Les prot ines SEC23/24 s'organisent en r seaux plus grands et les prot ines SEC13/31 s'organisent en un r seau r gulier de formes de diamant. En cons quence, une grande v sicule tubulaire se forme qui peut accueillir les grosses mol cules de chargement. Les prot ines d'emballage ne font pas partie de la v sicule bourgeonnante mais restent dans le re. (Modifi de g. Zanetti et al., eLife 2 :e00951, 2013.) cytosol; dans leur tat li au GTP, ils sont actifs et troitement associ s la membrane d'un organite ou d'une v sicule de transport. Les Rab-GEF li s la membrane activent les prot ines Rab la fois sur la v sicule de transport et les membranes cibles ; pour certains v nements de fusion membranaire, des mol cules Rab activ es sont n cessaires des deux c t s de la r action. Une fois dans l' tat li au GTP et li la membrane par une ancre lipidique maintenant expos e, les prot ines Rab se lient d'autres prot ines, appel es effecteurs Rab, qui sont les m diateurs en aval du transport des v sicules, de l'attache membranaire et de la fusion membranaire (Figure 13 16). Le taux d'hydrolyse du GTP fixe la concentration de Rab actif et, par cons quent, la concentration de ses effecteurs sur la membrane. Contrairement la structure hautement conserv e des prot ines Rab, les structures et les fonctions des effecteurs Rab varient consid rablement, et les m mes prot ines Rab peuvent souvent se lier de nombreux effecteurs diff rents. Certains effecteurs Rab sont des prot ines motrices qui propulsent les v sicules le long de filaments d'actine ou de microtubules jusqu' leur membrane cible. D'autres sont des prot ines d'attache, dont certaines ont de longs domaines filiformes qui servent de lignes de p che qui peuvent s' tendre pour relier deux membranes distantes de plus de 200 nm ; D'autres prot ines d'attache sont de grands complexes prot iques qui lient deux membranes plus proches l'une de l'autre et interagissent avec une grande |
Biologie moléculaire de la cellule | vari t d'autres prot ines qui facilitent l' tape de fusion membranaire. Le complexe d'attache qui accoste avec rev tement COPII Figure 13 16 Attache d'une v sicule de transport une membrane cible. Les prot ines effectrices rab interagissent avec les prot ines rab actives (rab-gTps, jaune) situ es sur la membrane cible, la membrane v siculaire, ou les deux, pour tablir la premi re connexion entre les deux membranes qui vont fusionner. Dans l'exemple montr ici, l'effecteur rab est une prot ine d'attache filamenteuse (vert fonc ). Ensuite, les prot ines pi ges sur les deux membranes (rouge et bleue) s'apparient, amarrant la v sicule la membrane cible et catalysant la fusion des deux bicouches lipidiques appos es. Pendant l'amarrage et la fusion, un rab-gap (non illustr ) induit la prot ine rab hydrolyser sa gTp li e au gdp, provoquant la dissociation de la membrane et le retour au cytosol sous forme de rab-gdp, o il est li par une prot ine gdI qui maintient le rab soluble et inactif. Les v sicules, par exemple, contiennent une prot ine kinase qui phosphoryle les prot ines d'enrobage pour terminer le processus de d senrobage. Le couplage du d pouillement la distribution des v sicules permet d'assurer la directionnalit du processus de transport et la fusion avec la membrane appropri e. Les effecteurs Rab peuvent galement interagir avec les SNARE pour coupler l'attache membranaire la fusion (voir Figure 13 16). L'assemblage des prot ines Rab et de leurs effecteurs sur une membrane est coop ratif et aboutit la formation de grandes plaques membranaires sp cialis es. Rab5, par exemple, s'assemble sur les endosomes et m die la capture des v sicules endocytaires arrivant de la membrane plasmique. L'appauvrissement exp rimental de Rab5 entra ne la disparition de l'ensemble du syst me membranaire endosomal et lysosomal, mettant en vidence le r le crucial des prot ines Rab dans la biogen se et le maintien des organites. Un domaine Rab5 concentre les prot ines d'attache qui attrapent les v sicules entrantes. Son assemblage sur des membranes endosomiques commence lorsqu'un complexe Rab5-GDP/GDI rencontre un Rab-GEF. Le GDI est lib r et Rab5-GDP est converti en Rab5-GTP. Le Rab5-GTP actif s'ancre la membrane et recrute plus de Rab5GEF dans l'endosome, stimulant ainsi le recrutement de plus de Rab5 sur le m me site. De plus, Rab5 active active une PI 3-kinase, qui convertit localement PI en PI(3)P, qui son tour se lie certains des effecteurs de Rab, y compris les prot ines d'attache, et stabilise leur attachement membranaire local (Figure 13 17). Ce type de r troaction positive amplifie consid rablement le processus d'assemblage et aide tablir des domaines membranaires fonctionnellement distincts au sein d'une membrane continue. La membrane endosomale fournit un exemple frappant de la fa on dont diff rentes prot ines Rab et leurs effecteurs aident cr er plusieurs domaines membranaires sp cialis s, chacun remplissant un ensemble particulier de fonctions. Ainsi, alors que le domaine membranaire Rab5 re oit les v sicules endocytaires entrantes de la membrane plasmique, les domaines Rab11 et Rab4 distincts de la m me membrane organisent le bourgeonnement des v sicules de recyclage qui renvoient les prot ines de l'endosome la membrane plasmique. Les cascades peuvent changer l'identit d'un organite Un domaine Rab peut tre d sassembl et remplac par un autre domaine Rab, ce qui modifie l'identit d'un organite. Un tel recrutement ordonn de prot ines Rab action s quentielle est appel une cascade Rab. Au fil du temps, par exemple, les domaines Rab5 sont remplac s par des domaines Rab7 sur les membranes endosomales. Cela convertit un endosome pr coce, marqu par Rab5, en un endosome tardif, marqu par Rab7. Parce que l'ensemble des effecteurs Rab recrut s par Rab7 est diff rent de ceux recrut s par Rab5, ce changement reprogramme le compartiment : comme nous le verrons plus loin, il modifie la dynamique de la membrane, y compris le trafic entrant et sortant, et repositionne l'organite loin de la membrane plasmique vers l'int rieur de la cellule. Toute la cargaison contenue dans l'endosome pr coce qui n'a pas t recycl e dans la membrane plasmique fait maintenant partie d'un endosome tardif. Ce processus est galement appel maturation des endosomes. La nature auto-amplifiante des domaines Rab rend le processus de maturation des endosomes unidirectionnel et irr versible (Figure 13 18). Figure 13 17 La formation d'un domaine Rab5 sur la membrane de l'endosome. Un rab5-gef sur la membrane de l'endosome se lie une prot ine rab5 et l'incite changer gdp contre gTp. gdI est perdu et la liaison de gTp modifie la conformation de la prot ine rab, exposant une h lice amphiphile et un groupe lipidique attach de mani re covalente, qui ensemble ancrent le rab5-gTp la membrane. active rab5 active la pI 3-kinase, qui convertit pI en pI(3) p. pI(3)p et active rab5 se lient ensemble une vari |
Biologie moléculaire de la cellule | t de prot ines effectrices rab qui contiennent des sites de liaison pI(3)p, y compris des prot ines d'attache filamenteuses qui attrapent les v sicules endocytaires recouvertes de clathrine entrantes de la membrane plasmique. Avec l'aide d'un autre effecteur, RAB5 actif recrute galement plus de RAB5-GEF, am liorant ainsi l'assemblage du domaine RAB5 sur la membrane. Les cycles contr l s d'hydrolyse gTp et d' change gdp-gTp r gulent dynamiquement la taille et l'activit de ces domaines rab. contrairement aux collets, qui sont des prot ines membranaires int grales, le cycle gdp/gTp, coupl au cycle de translocation membranaire/cytosol, conf re la machinerie rab la capacit de subir un assemblage et un d sassemblage sur la membrane. (adapt de M. Zerial et h. Mcbride, nat. rev. Mol. Cell Biol. 2:107 117, 2001. avec la permission de Macmillan publishers ltd.) Une fois qu'une v sicule de transport a t attach e sa membrane cible, elle d charge sa cargaison par fusion membranaire. La fusion membranaire n cessite de ramener les bicouches lipidiques de deux membranes moins de 1,5 nm l'une de l'autre afin qu'elles puissent fusionner. Lorsque les membranes sont en apposition si troite, les lipides peuvent s' couler d'une bicouche l'autre. Pour cette approche rapproch e, l'eau doit tre d plac e de la surface hydrophile de la membrane, un processus qui est tr s d favorable sur le plan nerg tique et n cessite des prot ines de fusion sp cialis es qui surmontent cette barri re nerg tique. Nous avons d j discut du r le de la dynamine dans une t che connexe lors du pincement des v sicules recouvertes de clathrine (voir Figure 13-13). Les prot ines SNARE ( galement appel es SNARE, en abr g ) catalysent les r actions de fusion membranaire dans le transport des v sicules. Il existe au moins 35 SNARE diff rents dans une cellule animale, chacun associ un organite particulier dans les voies s cr toires ou endocytaires. Ces prot ines transmembranaires existent sous forme d'ensembles compl mentaires, les v-SNARE se trouvant g n ralement sur les membranes des v sicules et les t-SNARE g n ralement trouv s sur les membranes cibles (voir Figure 13 16). Un v-SNARE est une cha ne polypeptidique unique, tandis qu'un t-SNARE est g n ralement compos de trois prot ines. Les v-SNARE et les t-SNARE ont des domaines h lico daux caract ristiques, et lorsqu'un v-SNARE interagit avec un t-SNARE, les domaines h lico daux de l'un s'enroulent autour des domaines h lico daux de l'autre pour former un fibr tr s stable quatre h lices. Le complexe trans-SNARE qui en r sulte verrouille les deux membranes ensemble. Les tests de fusion membranaire biochimique avec toutes les diff rentes combinaisons de SNARE montrent que l'appariement vand t-SNARE est tr s sp cifique. Les SNARE fournissent ainsi une couche suppl mentaire de sp cificit dans le processus de transport en aidant garantir que les v sicules ne fusionnent qu'avec la bonne membrane cible. Les complexes trans-SNARE catalysent la fusion membranaire en utilisant l' nergie lib r e lorsque les h lices en interaction s'enroulent les unes autour des autres pour rapprocher les faces membranaires, simultan ment expulsant les mol cules d'eau de l'interface (figures 13 19). Lorsque des liposomes contenant des V-SNARE purifi s sont m lang s des liposomes contenant des T-SNARE compl mentaires, leurs membranes fusionnent, bien que lentement. Dans la cellule, d'autres prot ines recrut es sur le site de fusion, vraisemblablement des effecteurs Rab, coop rent avec les SNARE pour acc l rer la fusion. La fusion ne suit pas toujours imm diatement l'appariement des v-SNARE et des t-SNARE. Comme nous le verrons plus loin, dans le processus d'exocytose r gul e, la fusion est retard e jusqu' ce que la s cr tion soit d clench e par un signal extracellulaire sp cifique. Les prot ines Rab, qui peuvent r guler la disponibilit des prot ines SNARE, exercent une couche suppl mentaire de contr le. Les t-SNARE dans les membranes cibles sont souvent associ s des prot ines inhibitrices qui doivent tre lib r es avant que le t-SNARE puisse fonctionner. Les prot ines rab et leurs effecteurs d clenchent la lib ration de ces inhibiteurs de SNARE Figure 13 19 Un mod le de la fa on dont les prot ines SNARE peuvent catalyser la fusion membranaire. La fusion bicouche se produit en plusieurs tapes. Un appariement serr entre les pi ges en T VAND force les bicouches lipidiques une apposition troite et expulse les mol cules d'eau de l'interface. Les mol cules lipidiques des deux feuillets (cytosoliques) en interaction des bicouches s' coulent ensuite entre les membranes pour former une tige de liaison. Les lipides des deux feuillets non cytosoliques entrent ensuite en contact l'un avec l'autre, formant une nouvelle bicouche, qui largit la zone de fusion (h mifusion, ou demi-fusion). La rupture de la nouvelle bicouche compl te la r action de fusion. Figure 13 18 Un mod le pour une cascade Rab g n |
Biologie moléculaire de la cellule | rique. L'activation locale d'un raba-gef conduit l'assemblage d'un domaine raba sur la membrane. La RABA active recrute ses prot ines effectrices, dont l'une est un FEM pour RAB. Le rabb-gef recrute ensuite rabb la membrane, qui son tour commence recruter ses effecteurs, parmi lesquels un espace pour raba. Le raba-gap active l'hydrolyse de raba gTp conduisant l'inactivation du raba et au d sassemblage du domaine raba mesure que le domaine rabb se d veloppe. De cette fa on, le domaine raba est remplac de mani re irr versible par le domaine rabb. En principe, cette s quence peut se poursuivre par le recrutement d'un gef suivant par rabb. (Adapt de A.H. Hutagalung et P.J. Novick, Physiol. rev. 91:119 149, 2011. avec la permission de la Soci t am ricaine de physiologie.) prot ine. De cette fa on, les prot ines SNARE sont concentr es et activ es au bon endroit sur la membrane, o les prot ines d'attache capturent les v sicules entrantes. Les prot ines Rab acc l rent ainsi le processus par lequel les prot ines SNARE appropri es dans deux membranes se trouvent. Pour que le transport des v sicules fonctionne normalement, les v sicules de transport doivent incorporer les prot ines SNARE et Rab appropri es. Il n'est donc pas surprenant que de nombreuses v sicules de transport ne se forment que si elles incorporent le compl ment appropri de prot ines SNARE et Rab dans leur membrane. La fa on dont ce processus de contr le crucial fonctionne pendant le bourgeonnement des v sicules reste un myst re. Les pi ges en interaction doivent tre s par s avant de pouvoir fonctionner nouveau La plupart des prot ines SNARE dans les cellules ont d j particip plusieurs cycles de transport de v sicules et sont parfois pr sentes dans une membrane sous forme de complexes stables avec des SNARE partenaires. Les complexes doivent tre d mont s avant que les SNARE puissent arbitrer de nouvelles tourn es de transport. Une prot ine cruciale appel e NSF circule entre les membranes et le cytosol et catalyse le processus de d sassemblage. La NSF est une ATPase hexam rique de la famille des AAA-ATPases (voir Figure 6 85) qui utilise l' nergie de l'hydrolyse de l'ATP pour d m ler les interactions intimes entre les domaines h lico daux des prot ines SNARE appari es (Figure 13 20). La n cessit d'une r activation des SNARE par le d sassemblage complexe de SNARE par NSF permet d'emp cher les membranes de fusionner sans discernement : si les t-SNARE d'une membrane cible taient toujours actifs, toute membrane contenant un v-SNARE appropri pourrait fusionner chaque fois que les deux membranes entraient en contact. On ne sait pas comment l'activit de la NSF est contr l e de mani re ce que la machinerie SNARE soit activ e au bon moment et au bon endroit. On ne sait pas non plus comment les v-SNARE sont r cup r s de mani re s lective et renvoy s dans leur compartiment d'origine afin qu'ils puissent tre r utilis s dans les v sicules de transport nouvellement form es. La fusion membranaire est importante dans d'autres processus que le transport des v sicules. Les membranes plasmiques d'un spermatozo de et d'un ovule fusionnent pendant la f condation, et les myoblastes fusionnent les uns avec les autres pendant le d veloppement des fibres musculaires multinucl es (discut es au chapitre 22). De m me, le r seau RE et les mitochondries fusionnent et se fragmentent de mani re dynamique (voir les chapitres 12 et 14). Toutes les fusions de membranes cellulaires n cessitent des prot ines sp ciales et sont troitement r gul es pour garantir que seules les membranes appropri es fusionnent. Les contr les sont cruciaux pour maintenir la fois l'identit des cellules et l'individualit de chaque type de compartiment intracellulaire. Les fusions membranaires catalys es par les prot ines de fusion virales sont bien comprises. Ces prot ines jouent un r le crucial dans l'entr e des virus envelopp s (qui ont une couche membranaire base de bicouches lipidiques) dans les cellules qu'ils infectent (voir les chapitres 5 et 23). Par exemple, des virus tels que le virus de l'immunod ficience humaine (VIH), qui cause le sida, se lient aux r cepteurs de surface des cellules, puis fusionnent avec la membrane plasmique de la cellule cible (figures 13-21). Cet v nement de fusion permet l'acide nucl ique viral l'int rieur de la nucl ocapside de p n trer dans le cytosol, o il se r plique. D'autres virus, comme le virus de la grippe, p n trent d'abord dans la cellule par endocytose m di e par le r cepteur (voir plus loin) et sont administr s aux endosomes ; le faible pH dans les endosomes active une prot ine de fusion dans l'enveloppe virale qui catalyse la fusion des membranes virale et endosomale, lib rant l'acide nucl ique viral dans le cytosol. Les prot ines de fusion virale et les SNARE favorisent la fusion des bicouches lipidiques de mani re similaire. Figure 13 20 Dissociation des paires de SNARE par NSF apr s un cycle de fusion membranai |
Biologie moléculaire de la cellule | re. Apr s qu'un v-snare et un t-snare aient m di la fusion d'une v sicule de transport avec une membrane cible, la NSF se lie au complexe de la caisse claire et, l'aide de prot ines accessoires, hydrolyse l'aTp pour s parer les collets. Le transport dirig et s lectif de composants membranaires particuliers d'un compartiment un autre dans une cellule eucaryote maintient les diff rences entre ces compartiments. Les v sicules de transport, qui peuvent tre sph riques, tubulaires ou de forme irr guli re, bourgeonnent partir de r gions recouvertes sp cialis es de la membrane donneuse. L'assemblage de la couche aide collecter des mol cules sp cifiques de membrane et de cargaison soluble pour le transport et la formation de la v sicule. Il existe diff rents types de v sicules rev tues. Les mieux caract ris es sont les v sicules recouvertes de clathrine, qui assurent le transport partir de la membrane plasmique et du r seau trans Golgi, et les v sicules recouvertes de COPI et COPII, qui assurent le transport entre les citernes de Golgi et entre le RE et l'appareil de Golgi, respectivement. Les manteaux ont une structure commune deux couches : une couche interne form e de prot ines adaptatrices relie la couche externe (ou cage) la membrane de la v sicule et pi ge galement des mol cules de cargaison sp cifiques pour l'emballage dans la v sicule. Le pelage est perdu avant que la v sicule ne fusionne avec sa membrane cible appropri e. La synth se locale de phosphoinositides sp cifiques cr e des sites de liaison qui d clenchent l'assemblage de la couche de clathrine et le bourgeonnement des v sicules. De plus, les GTPases monom res aident r guler diverses tapes du transport des v sicules, y compris le bourgeonnement et l'amarrage des v sicules. Les GTPases de recrutement du pelage, y compris Sar1 et les prot ines ARF, r gulent l'assemblage et le d sassemblage du pelage. Une grande famille de prot ines Rab fonctionne comme des GTPases ciblant les v sicules. Les prot ines rab sont recrut es dans les deux, formant des v sicules de transport et des membranes cibles. L'assemblage et le d sassemblage des prot ines Rab et de leurs effecteurs dans des domaines membranaires sp cialis s sont contr l s dynamiquement par liaison et hydrolyse du GTP. Les prot ines Rab actives recrutent des effecteurs Rab, tels que les prot ines motrices, qui transportent les v sicules le long des filaments d'actine ou des microtubules, et les prot ines d'attache filamenteuses, qui aident garantir que les v sicules d livrent leur contenu uniquement la membrane cible appropri e. Les prot ines v-SNARE compl mentaires sur les v sicules de transport et les prot ines t-SNARE sur la membrane cible forment des complexes trans-SNARE stables, qui forcent les deux membranes s'appositionner troitement afin que leurs bicouches lipidiques puissent fusionner. TransporT de l' re travers le golgI apparaTus Comme nous l'avons vu au chapitre 12, les prot ines nouvellement synth tis es traversent la membrane du RE partir du cytosol pour entrer dans la voie s cr toire. Au cours de leur transport ult rieur, du RE l'appareil de Golgi et de l'appareil de Golgi la surface cellulaire et ailleurs, ces prot ines sont successivement modifi es au fur et mesure qu'elles Passez travers une s rie de compartiments. Le transfert d'un compartiment l'autre implique un quilibre d licat entre les voies de transport avant et arri re (r cup ration). Certaines v sicules de transport s lectionnent les mol cules de cargaison et les d placent vers le compartiment suivant de la voie, tandis que d'autres r cup rent les prot ines chapp es et les renvoient dans un compartiment pr c dent o elles fonctionnent normalement. Ainsi, le chemin du RE la surface cellulaire se compose de nombreuses tapes de tri, qui s lectionnent en permanence les prot ines membranaires et lum nales solubles pour l'emballage et le transport. Figure 13 21 L'entr e des virus envelopp s dans les cellules. Micrographies lectroniques montrant comment le hIv p n tre dans une cellule en fusionnant sa membrane avec la membrane plasmique de la cellule. (D'apr s B.S. Stein et al., Cell 49:659 668, 1987. avec la permission d'Elsevier.) Dans cette section, nous nous concentrons principalement sur l'appareil de Golgi ( galement appel complexe de Golgi). C'est un site majeur de synth se de glucides, ainsi qu'un poste de tri et d'exp dition des produits du RE. La cellule fabrique de nombreux polysaccharides dans l'appareil de Golgi, y compris la pectine et l'h micellulose de la paroi cellulaire chez les plantes et la plupart des glycosaminoglycanes de la matrice extracellulaire chez les animaux (discut s au chapitre 19). L'appareil de Golgi se trouve galement sur la voie de sortie du RE, et une grande partie des glucides qu'il produit sont attach s sous forme de cha nes lat rales oligosaccharidiques aux nombreuses prot ines et lipides que le RE lui envoie. Un sous-ensemble de ces g |
Biologie moléculaire de la cellule | roupes d'oligosaccharides sert de marqueurs pour diriger des prot ines sp cifiques dans des v sicules qui les transportent ensuite vers les lysosomes. Mais la plupart des prot ines et des lipides, une fois qu'ils ont acquis leurs oligosaccharides appropri s dans l'appareil de Golgi, sont reconnus d'autres mani res pour cibler les v sicules de transport allant vers d'autres destinations. les prot ines quittent le re dans les v sicules de transport recouvertes de copII Pour amorcer leur voyage le long de la voie s cr toire, les prot ines qui sont entr es dans le RE et qui sont destin es l'appareil de Golgi ou au-del sont d'abord emball es dans des v sicules de transport recouvertes de COPII. Ces v sicules bourgeonnent partir de r gions sp cialis es du RE appel es sites de sortie du RE, dont la membrane manque de ribosomes li s. La plupart des cellules animales ont des sites de sortie du RE dispers s dans tout le r seau RE. L'entr e dans les v sicules qui quittent le RE peut tre un processus s lectif ou se produire par d faut. De nombreuses prot ines membranaires sont activement recrut es dans ces v sicules, o elles se concentrent. Ces prot ines membranaires cargo affichent des signaux de sortie (transport) sur leur surface cytosolique que les prot ines adaptatrices de la couche COPII interne reconnaissent (Figure 13 22) ; certains de ces composants agissent comme des r cepteurs de fret et sont recycl s vers les urgences apr s avoir livr leur cargaison l'appareil de Golgi. Les prot ines cargo solubles dans la lumi re du RE, en revanche, ont des signaux de sortie qui les attachent aux r cepteurs de cargaison transmembranaires. Les prot ines sans signaux de sortie peuvent galement p n trer dans les v sicules de transport, y compris les mol cules de prot ines qui fonctionnent normalement dans le RE (appel es prot ines r sidentes du RE), dont certaines s' chappent lentement du RE et sont d livr es l'appareil de Golgi. Diff rentes prot ines de transport p n trent dans les v sicules de transport avec des taux et des efficacit s sensiblement diff rents, ce qui peut r sulter de diff rences dans leur efficacit et leur cin tique de repliement et d'oligom risation, ainsi que des facteurs d j discut s. L' tape de sortie du RE est un point de contr le majeur o le contr le de la qualit est exerc sur les prot ines qu'une cellule s cr te ou affiche sa surface, comme nous l'avons vu au chapitre 12. Les signaux de sortie qui dirigent les prot ines solubles hors du RE pour tre transport es vers l'appareil de Golgi et au-del ne sont pas bien compris. Certaines prot ines transmembranaires qui servent de r cepteurs de cargaison pour l'emballage de certaines prot ines s cr toires dans des v sicules recouvertes de COPII sont des lectines qui se lient aux oligosaccharides sur le Figure 13 22 Le recrutement de mol cules membranaires et de cargaisons solubles dans les v sicules de transport du RE. Les prot ines membranaires sont emball es dans des v sicules de transport bourgeonnantes par des interactions de signaux de sortie sur leurs queues cytosoliques avec des prot ines adaptatrices de l'enveloppe copII interne. Certaines de ces prot ines membranaires fonctionnent comme des r cepteurs de fret, liant les prot ines solubles dans la lumi re du RE et aidant les emballer dans des v sicules. D'autres prot ines peuvent p n trer dans la v sicule par coulement en vrac. Une v sicule de transport typique de 50 nm contient environ 200 prot ines membranaires, qui peuvent tre de diff rents types. Comme indiqu , les prot ines d pli es ou incompl tement assembl es sont li es des chaperons et retenues transitoirement dans le compartiment RE. prot ine. L'une de ces lectines, par exemple, se lie au mannose sur deux facteurs de coagulation sanguine s cr t s (facteur V et facteur VIII), empaquetant ainsi les prot ines dans des v sicules de transport dans le RE ; son r le dans le transport des prot ines a t identifi parce que les humains qui en sont d pourvus en raison d'une mutation h r ditaire ont des taux s riques abaiss s de facteurs V et VIII, et donc ils saignent excessivement. seules les prot ines correctement repli es et assembl es peuvent quitter le Pour sortir du RE, les prot ines doivent tre correctement repli es et, si elles sont des sous-unit s de complexes multiprot iques, elles doivent tre compl tement assembl es. Ceux qui sont mal repli s ou incompl tement assembl s restent transitoirement dans le RE, o ils sont li s des prot ines chaperonnes (discut es au chapitre 6) telles que BiP ou calnexine. Les chaperons peuvent couvrir les signaux de sortie ou ancrer d'une mani re ou d'une autre les prot ines dans le RE. Ces prot ines d faillantes sont finalement transport es dans le cytosol, o elles sont d grad es par les prot asomes (discut s dans les chapitres 6 et 12). Cette tape de contr le de la qualit emp che le transport ult rieur de prot ines mal repli es ou mal assembl es qui pourraient pote |
Biologie moléculaire de la cellule | ntiellement interf rer avec les fonctions des prot ines normales. De tels checs sont tonnamment courants. Plus de 90 % des sous-unit s nouvellement synth tis es du r cepteur des lymphocytes T (discut au chapitre 24) et du r cepteur de l'ac tylcholine (discut au chapitre 11), par exemple, sont normalement d grad es sans jamais atteindre la surface cellulaire o elles fonctionnent. Ainsi, les cellules doivent fabriquer un grand exc s de certaines mol cules de prot ines pour en produire quelques-unes qui se plient, s'assemblent et fonctionnent correctement. Parfois, cependant, le m canisme strict de contr le de la qualit pr sente des inconv nients. Les mutations pr dominantes l'origine de la mucoviscidose, une maladie h r ditaire courante, entra nent la production d'une forme l g rement mal repli e d'une prot ine de membrane plasmique importante pour le transport de Cl-. Bien que la prot ine mutante fonctionnerait normalement si elle atteignait la membrane plasmique, elle est retenue dans le RE et est ensuite d grad e par les prot asomes cytosoliques. Cette maladie d vastatrice r sulte donc non pas du fait que la mutation inactive la prot ine, mais du fait que la prot ine active est limin e avant d'atteindre la membrane plasmique. Amas tubulaires v siculaires M die Transport de l'appareil er l'appareil de Golgi Une fois que les v sicules de transport ont bourgeonn des sites de sortie des urgences et ont perdu leur pelage, elles commencent fusionner les unes avec les autres. La fusion des membranes d'un m me compartiment est appel e fusion homotypique, pour la distinguer de la fusion h t rotypique, dans laquelle une membrane d'un compartiment fusionne avec la membrane d'un compartiment diff rent. Comme pour la fusion h t rotypique, la fusion homotypique n cessite un ensemble de SNARE correspondants. Dans ce cas, cependant, l'interaction est sym trique, les deux membranes contribuant aux v-SNARE et aux t-SNARE (Figure 13 23). Les structures form es lorsque les v sicules d riv es du RE fusionnent les unes avec les autres sont appel es amas tubulaires v siculaires, car elles ont un aspect alambiqu dans Figure 13 23 Fusion membranaire homotypique. l' tape 1, nsf s pare des paires identiques de pi ges en V et en T dans les deux membranes (voir figure 13 20). Dans les tapes 2 et 3, les collets d'appariement s par s sur des membranes identiques adjacentes interagissent, ce qui conduit la fusion membranaire et la formation d'un compartiment continu. Par la suite, le compartiment se d veloppe par fusion homotypique suppl mentaire avec des v sicules du m me type de membrane, affichant des pi ges correspondants. La fusion homotypique se produit lorsque les v sicules de transport d riv es du RE fusionnent les unes avec les autres, mais aussi lorsque les endosomes fusionnent pour g n rer des endosomes plus grands. Les prot ines RAB aident r guler l' tendue de la fusion homotypique et donc la taille des compartiments d'une cellule (non illustr ). Figure 13 24 Amas tubulaires v siculaires. a) une micrographie lectronique d'amas tubulaires v siculaires se formant autour d'un site de sortie. De nombreuses structures v siculaires observ es dans la micrographie sont des sections transversales de tubules qui s' tendent au-dessus et au-dessous du plan de cette section mince et sont interconnect es. (b) tubulaire v siculaire se d placent le long des microtubules pour transporter les prot ines de la ER er l'appareil de Golgi. Les v sicules enrob es de copI m dient le bourgeonnement des v sicules qui retournent l'unit (A) 0,2 m de ces amas (et de l'appareil de Golgi). (A, avec l'aimable autorisation de William Balch.) le microscope lectronique (figures 13 24A). Ces grappes constituent un compartiment s par du RE et d pourvu de nombreuses prot ines qui fonctionnent dans le RE. Ils sont g n r s en permanence et fonctionnent comme des conteneurs de transport qui acheminent le mat riel du RE l'appareil de Golgi. Les amas se d placent rapidement le long des microtubules jusqu' l'appareil de Golgi avec lequel ils fusionnent (Figure 13-24B et Vid o 13.2). D s que des amas tubulaires v siculaires se forment, ils commencent bourgeonner partir de leurs propres v sicules de transport. Contrairement aux v sicules recouvertes de COPII qui bourgeonnent du RE, ces v sicules sont recouvertes de COPI (voir Figure 13-24A). Les v sicules recouvertes de COPI sont uniques en ce sens que les composants qui composent les couches de couche interne et externe sont recrut s sous la forme d'un complexe pr assembl , appel coatomer. Ils fonctionnent comme une voie de r cup ration, ramenant les prot ines r sidentes du RE qui se sont chapp es, ainsi que des prot ines telles que les r cepteurs de cargaison et les SNAREs qui ont particip aux r actions de bourgeonnement et de fusion des v sicules du RE. Ce processus de r cup ration d montre les m canismes de contr le exquis qui r gulent les r actions d'assemblage de |
Biologie moléculaire de la cellule | la couche. L'assemblage de la couche COPI commence quelques secondes seulement apr s que les couches COPII ont t jet es, et la fa on dont cette commutation dans l'assemblage de la couche est contr l e reste un myst re. Le transport de r cup ration (ou r trograde) se poursuit mesure que les amas tubulaires v siculaires se d placent vers l'appareil de Golgi. Ainsi, les grappes m rissent continuellement, changeant progressivement de composition au fur et mesure que les prot ines s lectionn es sont renvoy es dans le RE. La r cup ration se poursuit partir de l'appareil de Golgi, apr s que les amas tubulaires v siculaires ont livr leur cargaison. Le chemin de r cup ration vers le service d'urgence utilise des signaux de tri La voie de r cup ration pour renvoyer les prot ines chapp es vers le RE d pend des signaux de r cup ration du RE. Les prot ines membranaires r sidentes du RE, par exemple, contiennent des signaux qui se lient directement aux enrobages COPI et sont donc emball s dans des v sicules de transport recouvertes de COPI pour une livraison r trograde au RE. Le signal de r cup ration le mieux caract ris de ce type se compose de deux lysines, suivies de deux autres acides amin s, l'extr mit C-terminale de la prot ine membranaire du RE. C'est ce qu'on appelle une s quence KKXX, bas e sur le code d'acide amin une lettre. Les prot ines solubles r sidentes du RE, telles que BiP, contiennent galement un signal court de r cup ration du RE leur extr mit C-terminale, mais il est diff rent : il s'agit d'un Lys-Asp-Glu-Leu ou d'une s quence similaire. Si ce signal (appel s quence KDEL) est retir de BiP par g nie g n tique, la prot ine est lentement s cr t e par la cellule. Si le signal est transf r une prot ine qui est normalement s cr t e, la prot ine est maintenant efficacement renvoy e au RE, o elle s'accumule. VOIE AVANT VOIE DE R CUP RATION VOIE COPII couche COPI couche v siculaire tubulaire grappe cis cis, m diale et trans Contrairement aux signaux de r cup ration sur les prot ines membranaires du RE, qui peuvent interagir directement avec l'enveloppe du COPI, les prot ines solubles r sidentes du RE doivent se lier des prot ines r ceptrices sp cialis es telles que le r cepteur KDEL une prot ine transmembranaire multipasse qui se lie la s quence KDEL et emballe toute prot ine l'affichant dans des v sicules de transport r trogrades rev tues de COPI (Figure 13 25). Pour accomplir cette t che, le r cepteur KDEL lui-m me doit alterner entre le RE et l'appareil de Golgi, et son affinit pour la s quence KDEL doit diff rer dans ces deux compartiments. Le r cepteur doit avoir une forte affinit pour la s quence KDEL dans les amas tubulaires v siculaires et l'appareil de Golgi, afin de capturer les prot ines r sidentes du RE solubles, chapp es et pr sentes faible concentration. Cependant, il doit avoir une faible affinit pour la s quence KDEL dans le RE pour d charger sa cargaison malgr la tr s forte concentration de prot ines r sidentes solubles contenant du KDEL dans le RE. Comment l'affinit du r cepteur KDEL change-t-elle en fonction du compartiment dans lequel il r side ? La r ponse est probablement li e au pH plus bas dans les compartiments de Golgi, qui est r gul par les pompes H+. Comme nous le verrons plus loin, les interactions prot ine-prot ine sensibles au pH constituent la base de nombreuses tapes de tri des prot ines dans la cellule. La plupart des prot ines membranaires qui fonctionnent l'interface entre le RE et l'appareil de Golgi, y compris les t-SNARE vand et certains r cepteurs de chargement, entrent galement dans la voie de r cup ration vers le RE. De nombreuses prot ines sont s lectivement retenues dans les compartiments dans lesquels elles fonctionnent La voie de r cup ration KDEL n'explique que partiellement comment les prot ines r sidentes du RE sont maintenues dans le RE. Comme nous l'avons mentionn , les cellules qui expriment des prot ines r sidentes du RE g n tiquement modifi es, dont la s quence KDEL a t retir e exp rimentalement, s cr tent ces prot ines. Mais le taux de s cr tion est beaucoup plus lent que pour une prot ine s cr toire normale. Il semble qu'un m canisme ind pendant de leur signal KDEL conserve normalement les prot ines r sidentes du RE et que seules les prot ines qui chappent ce m canisme de r tention sont captur es et renvoy es via le r cepteur KDEL. Un m canisme de r tention sugg r est que les prot ines r sidentes du RE se lient les unes aux autres, formant ainsi des complexes trop gros pour p n trer efficacement dans les v sicules de transport. tant donn que les prot ines r sidentes du RE sont pr sentes dans le RE des concentrations tr s lev es (estim es millimolaires), des interactions d'affinit relativement faibles suffiraient retenir la plupart des prot ines dans de tels complexes. L'agr gation de prot ines qui fonctionnent dans le m me compartiment est un m canisme g n ral que les compartiments u |
Biologie moléculaire de la cellule | tilisent pour organiser et conserver leurs prot ines r sidentes. Les enzymes de Golgi qui fonctionnent ensemble, par exemple, se lient galement les unes aux autres et sont ainsi emp ch es de p n trer dans les v sicules de transport sortant de l'appareil de Golgi. Figure 13 25 R cup ration des prot ines solubles r sidentes du RE. Les prot ines r sidentes du RE qui s' chappent du RE sont renvoy es par le transport des v sicules. (a) Le r cepteur kdel pr sent la fois dans les amas tubulaires v siculaires et dans l'appareil de Golgi capture les prot ines r sidentes solubles du RE et les transporte dans les v sicules de transport recouvertes de copI vers le RE. (rappelez-vous que les v sicules recouvertes de copI perdent leur enveloppe d s qu'elles sont form es.) en liant ses ligands dans le cluster tubulaire ou golgi, le r cepteur kdel peut changer de conformation, afin de faciliter son recrutement dans les v sicules bourgeonnantes recouvertes de copI. (b) La r cup ration des prot ines er commence dans les amas tubulaires v siculaires et se poursuit partir des parties ult rieures de l'appareil de Golgi. Dans l'environnement du re, les prot ines r sidentes du reer se dissocient du r cepteur kdel, qui est ensuite renvoy l'appareil de Golgi pour tre r utilis . Nous aborderons bri vement les diff rents compartiments de l'appareil de Golgi. L'appareil de Golgi se compose d'une s rie ordonn e de compartiments Parce qu'il pouvait tre visualis s lectivement par des colorants argent s, l'appareil de Golgi a t l'un des premiers organites d crits par les premiers microscopistes optiques. Il s'agit d'une collection de compartiments aplatis et ferm s par une membrane, appel s citernes, qui ressemblent un peu une pile de pains pita. Chaque empilement de Golgi se compose g n ralement de quatre six citernes (Figure 13-26), bien que certains flagell s unicellulaires puissent en avoir plus de 20. Dans les cellules animales, les connexions tubulaires entre les citernes correspondantes relient de nombreux empilements, formant ainsi un seul complexe, qui est g n ralement situ pr s du noyau cellulaire et pr s du centrosome (Figure 13-27A). Cette localisation d pend des microtubules. Si les microtubules sont d polym ris s exp rimentalement, l'appareil de Golgi se r organise en empilements individuels que l'on retrouve dans tout le cytoplasme, c t des sites de sortie du RE. Certaines cellules, y compris la plupart des cellules v g tales, ont des centaines d'empilements de Golgi individuels dispers s dans tout le cytoplasme o ils se trouvent g n ralement proximit des sites de sortie du RE (Figure 13-27B). Figure 13 26 L'appareil de Golgi. Reconstruction tridimensionnelle partir de micrographies lectroniques de l'appareil de Golgi dans une cellule animale s cr toire. La face cis de l'empilement de Golgi est celle qui est la plus proche du er. (b) Une micrographie lectronique section mince d'une cellule animale. Dans les cellules v g tales, l'appareil de Golgi est g n ralement plus distinct et plus clairement s par des autres membranes intracellulaires que dans les cellules animales. (A, redessin partir de A. Rambourg et Y. Clermont, Eur. J. Cell Biol. 51:189 200, 1990. avec l'autorisation de Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft ; b, avec l'aimable autorisation de brij J. gupta.) Figure 13 27 Localisation de l'appareil de Golgi dans les cellules animales et v g tales. L'appareil de Golgi dans un fibroblaste en culture color avec un anticorps fluorescent qui reconna t une prot ine r sidente de Golgi (orange vif). L'appareil de Golgi est polaris , faisant face la direction dans laquelle la cellule rampait avant la fixation. L'appareil de Golgi dans une cellule v g tale qui exprime une prot ine de fusion compos e d'une enzyme de Golgi r sidente fusionn e une prot ine fluorescente verte. (a, avec l'aimable autorisation de John Henley et Mark Mcniven ; b, avec l'aimable autorisation de Chris Hawes.) Au cours de leur passage dans l'appareil de Golgi, les mol cules transport es subissent une s rie ordonn e de modifications covalentes. Chaque pile Golgi a deux faces distinctes : une face cis (ou face d'entr e) et une face trans (ou face de sortie). Les deux faces cis et trans sont troitement associ es des compartiments sp ciaux, chacun compos d'un r seau de structures tubulaires et cisternales interconnect es : le r seau de Golgi cis (CGN) et le r seau de Golgi trans (TGN), respectivement. Le CGN est un ensemble d'amas tubulaires v siculaires fusionn s arrivant du RE. Les prot ines et les lipides entrent dans le r seau de Golgi cis et sortent du r seau de Golgi trans, destination de la surface cellulaire ou d'un autre compartiment. Les deux r seaux sont importants pour le tri des prot ines : les prot ines qui entrent dans le CGN peuvent soit se d placer dans l'appareil de Golgi, soit tre renvoy es dans le RE. De m me, les prot ines sortant du TGN se d placent et sont tri es en fonction d |
Biologie moléculaire de la cellule | e leur prochaine destination : endosomes, v sicules s cr toires ou surface cellulaire. Ils peuvent galement tre remis dans un compartiment plus ancien. Certaines prot ines membranaires sont retenues dans la partie de l'appareil de Golgi o elles fonctionnent. Comme d crit au chapitre 12, une seule esp ce d'oligosaccharide li l'azote est attach e en bloc de nombreuses prot ines dans le RE, puis coup e pendant que la prot ine est encore dans le RE. Les interm diaires oligosaccharidiques cr s par les r actions de parage servent aider les prot ines se replier et transporter les prot ines mal repli es vers le cytosol pour la d gradation dans les prot asomes. Ainsi, ils jouent un r le important dans le contr le de la qualit des prot ines sortant du RE. Une fois que ces fonctions du RE ont t remplies, la cellule r utilise les oligosaccharides pour de nouvelles fonctions. Cela commence dans l'appareil de Golgi, qui g n re les structures oligosaccharidiques h t rog nes observ es dans les prot ines matures. Apr s leur arriv e dans le CGN, les prot ines p n trent dans le premier des compartiments de traitement de Golgi (les citernes de Golgi cis). Ils se d placent ensuite vers le compartiment suivant (les citernes m diales) et enfin vers les transciternes, o la glycosylation est termin e. On pense que la lumi re des transciternes est continue avec le TGN, l'endroit o les prot ines sont s par es en diff rents colis de transport et exp di es vers leurs destinations finales. Les tapes de traitement des oligosaccharides se d roulent dans une s quence organis e dans l'empilement de Golgi, chaque citerne contenant un m lange caract ristique d'enzymes de traitement. Les prot ines sont modifi es par tapes successives au fur et mesure qu'elles se d placent d'une citerne l'autre travers la pile, de sorte que la pile forme une unit de traitement plusieurs tapes. Les chercheurs ont d couvert les diff rences fonctionnelles entre les subdivisions cis, m diale et trans de l'appareil de Golgi en localisant les enzymes impliqu es dans le traitement des oligosaccharides li s l'azote dans des r gions distinctes de l'organite, la fois par fractionnement physique de l'organite et en marquant les enzymes dans des coupes au microscope lectronique avec des anticorps (Figure 13-28). L' limination du mannose et l'ajout de N-ac tylglucosamine, par exemple, se produisent dans les citernes cis et m diales, tandis que l'ajout de galactose et l'acide sialique est pr sent dans le r seau trans cisterna et trans Golgi. La figure 13-29 r sume la compartimentation fonctionnelle de l'appareil de Golgi. Les cha nes d'oligosaccharides sont trait es dans l'appareil de Golgi Alors que la lumi re du RE est pleine de prot ines et d'enzymes r sidentes lum nales solubles, les prot ines r sidentes de l'appareil de Golgi sont toutes li es la membrane, car les r actions enzymatiques se produisent apparemment enti rement sur les surfaces membranaires. Toutes les glycosidases de Golgi et les glycosyltransf rases, par exemple, sont des prot ines transmembranaires passage unique, dont beaucoup sont organis es en complexes multienzymatiques. Figure 13 28 Compartimentation mol culaire de l'appareil de Golgi. Une s rie de micrographies lectroniques montre que l'appareil de Golgi (a) n'est pas color , (b) est color l'osmium, ce qui marque pr f rentiellement les citernes du compartiment cis, et (c et d) color pour r v ler l'emplacement d'enzymes sp cifiques. La nucl oside diphosphatase se trouve dans les citernes trans golgi (C), tandis que la phosphatase acide se trouve dans le r seau trans Golgi (D). Notez que g n ralement plus d'une citerne est tach e. On pense donc que les enzymes sont fortement enrichies plut t que localis es avec pr cision dans une citerne sp cifique. (Avec l'aimable autorisation de Daniel S. Friend.) 1 m Deux grandes classes d'oligosaccharides li s l'azote, les oligosaccharides complexes et les oligosaccharides haute teneur en mannose, sont attach s aux glycoprot ines de mammif res. Parfois, les deux types sont attach s ( des endroits diff rents) la m me cha ne polypeptidique. Des oligosaccharides complexes sont g n r s lorsque l'oligosaccharide original li l'azote ajout dans le RE est coup et que d'autres sucres sont ajout s ; en revanche, les oligosaccharides haute teneur en mannose sont coup s mais n'ont pas de nouveaux sucres ajout s dans l'appareil de Golgi (Figure 13-30). Les acides sialiques dans le = acide N-ac tylneuraminique (acide sialique, ou NANA) (C) OLIGOSACCHARIDE HAUTE TENEUR EN MANNOSE Figure 13 30 Les deux principales classes d'oligosaccharides li s l'asparagine (li s l'N) trouv s dans les glycoprot ines de mammif res matures. (a) Les oligosaccharides complexes et les oligosaccharides haute teneur en mannose partagent une r gion centrale commune d riv e de l'oligosaccharide N-li original ajout dans le RE (voir figure 12-50) et contenant g n ralement deux |
Biologie moléculaire de la cellule | n-ac tylglucosamines (GLCNAC) et trois mannoses (Man). (b) Chaque oligosaccharide complexe est constitu d'une r gion centrale, ainsi que d'une r gion terminale qui contient un nombre variable de copies d'une unit trisaccharide sp ciale (n-ac tylglucosamine-galactose-acide sialique) li e aux mannoses centraux. Fr quemment, la r gion terminale est tronqu e et ne contient que du GLCNAC et du galactose (GAL) ou simplement du GLCNAC. De plus, un fucose peut tre ajout , g n ralement la glcnac centrale attach e l'asparagine (asn). Ainsi, bien que les tapes de traitement et d'ajout ult rieur de sucre soient ordonn es de mani re rigide, les oligosaccharides complexes peuvent tre h t rog nes. De plus, bien que l'oligosaccharide complexe pr sent ait trois branches terminales, deux et quatre branches sont galement courantes, en fonction de la glycoprot ine et de la cellule dans laquelle il est fabriqu . (c) Les oligosaccharides haute teneur en mannose ne sont pas coup s jusqu' la r gion centrale et contiennent des mannoses suppl mentaires. Des oligosaccharides hybrides avec une branche Man et une branche glcnac et gal sont galement trouv s (non illustr s). Les trois acides amin s indiqu s en (a) constituent la s quence reconnue par l'enzyme oligosaccharyl transf rase qui ajoute l'oligosaccharide initial la prot ine. ser, serine ; Thr, thr onine ; x, n'importe quel acide amin , l'exception de la proline. Figure 13 29 Traitement des oligosaccharides dans les compartiments de Golgi. La localisation de chaque tape de traitement a t d termin e par une combinaison de techniques, y compris la sous-fractionnement biochimique des membranes de l'appareil de Golgi et la microscopie lectronique apr s coloration avec des anticorps sp cifiques de certaines des enzymes de traitement. les enzymes de traitement ne sont pas limit es une citerne particuli re ; au lieu de cela, leur distribution est gradu e sur l'ensemble de la pile, de sorte que les enzymes action pr coce sont Pr sentes principalement dans les citernes de Golgi cis, et les enzymes action ult rieure sont principalement dans les citernes de Golgi trans. L'homme, le mannose ; glcnac, n-ac tylglucosamine ; gal, galactose ; Nana, acide N-ac tylneuraminique (acide sialique). L GENDE : = Acide N-ac tylneuraminique (acide sialique, ou NANA) Figure 13 31 Traitement des oligosaccharides dans le RE et l'appareil de Golgi. Le chemin de traitement est tr s ordonn , de sorte que chaque tape affich e d pend de la pr c dente. tape 1 : Le traitement commence dans le RE avec l' limination des glucoses de l'oligosaccharide initialement transf r la prot ine. Ensuite, une mannosidase dans la membrane du reer limine un mannose sp cifique. Les tapes restantes se produisent dans la pile de golgi. tape 2 : la mannosidase golgi I enl ve trois autres mannoses. tape 3 : n-ac tylglucosamine transf rase I ajoute ensuite une n-ac tylglucosamine. tape 4 : La mannosidase II enl ve ensuite deux mannoses suppl mentaires. Cela donne le noyau final de trois mannoses qui est pr sent dans un oligosaccharide complexe. ce stade, la liaison entre les deux n-ac tylglucosamines dans le noyau devient r sistante l'attaque d'une endoglycosidase hautement sp cifique (Endo H). tant donn que toutes les structures ult rieures de la voie sont galement r sistantes l'endo H, le traitement avec cette enzyme est largement utilis pour distinguer les oligosaccharides complexes des oligosaccharides forte teneur en mannose. tape 5 : Enfin, comme le montre la figure 13-30, des N-ac tylglucosamines, des galactoses et des acides sialiques suppl mentaires sont ajout s. Ces derni res tapes de la synth se d'un oligosaccharide complexe se produisent dans les compartiments cisternaux de l'appareil de Golgi : trois types d'enzymes glycosyl transf rases agissent s quentiellement, en utilisant des substrats de sucre qui ont t activ s par liaison au nucl otide indiqu ; Les membranes des citernes de Golgi contiennent des prot ines porteuses sp cifiques qui permettent chaque nucl otide de sucre d'entrer en change des phosphates nucl osidiques qui sont lib r s apr s que le sucre est attach la prot ine sur la face lum nale. Notez que, en tant qu'organite biosynth tique, l'appareil de Golgi diff re du RE : tous les sucres du GOLGI sont assembl s l'int rieur de la lumi re partir d'un nucl otide de sucre, tandis que dans le RE, l'oligosaccharide pr curseur li l'azote est assembl en partie dans le cytosol et en partie dans la lumi re, et la plupart des r actions lum nales utilisent des sucres li s au dolichol comme substrats (voir figure 12-51). Les oligosaccharides complexes sont d'une importance particuli re car ils portent une charge n gative. Le fait qu'un oligosaccharide donn reste haute teneur en mannose ou qu'il soit transform d pend en grande partie de sa position dans la prot ine. Si l'oligosaccharide est accessible aux enzymes de traitement dans l'appareil d |
Biologie moléculaire de la cellule | e Golgi, il est probable qu'il soit converti en une forme complexe ; S'il est inaccessible parce que ses sucres sont troitement maintenus la surface de la prot ine, il est probable qu'il reste sous une forme riche en mannose. Le traitement qui g n re des cha nes d'oligosaccharides complexes suit la voie hautement ordonn e illustr e la figure 13-31. Au-del de ces points communs dans le traitement des oligosaccharides qui sont partag s par la plupart des cellules, les produits des modifications glucidiques effectu es dans l'appareil de Golgi sont tr s complexes et ont donn naissance un nouveau domaine d' tude appel glycobiologie. Le g nome humain, par exemple, code pour des centaines de glycosyltransf rases de Golgi diff rentes et de nombreuses glycosidases, qui sont exprim es diff remment d'un type de cellule l'autre, ce qui donne une vari t de formes glycosyl es d'une prot ine ou d'un lipide donn dans diff rents types de cellules et diff rents stades de diff renciation, en fonction du spectre des enzymes exprim es par la cellule. La complexit des modifications ne se limite pas aux oligosaccharides li s l'N, mais se produit galement aux sucres li s l'O, comme nous le verrons ci-dessous. Les prot oglycanes sont assembl s dans l'appareil de Golgi En plus des alt rations oligosaccharidiques li es l'N apport es aux prot ines lorsqu'elles traversent les citernes de Golgi en route du RE vers leurs destinations finales, de nombreuses prot ines sont galement modifi es dans l'appareil de Golgi d'autres mani res. Certaines prot ines ont des sucres ajout s aux groupes hydroxyles de s rines ou de thr onines s lectionn es, H, H, NHCOCH3 reste de la cha ne lat rale de H NHCOCH3 oligosaccharide, reste de la cha ne lat rale oligosaccharidique ou, dans certains cas, comme les collag nes, des cha nes lat rales hydroxyl es, de la proline et de la lysine. Ce lien O La glycosylation (Figure 13-32), comme l'extension des cha nes d'oligosaccharides li es l'azote, est catalys e par une s rie d'enzymes glycosyltransf rases qui utilisent les nucl otides de sucre dans la lumi re de l'appareil de Golgi pour ajouter des sucres une prot ine un par un. Habituellement, la N-ac tylgalactosamine est ajout e en premier, suivie d'un nombre variable de sucres suppl mentaires, allant de quelques-uns 10 ou plus. L'appareil de Golgi conf re la glycosylation li e l'O la plus lourde de toutes aux mucines, aux glycoprot ines dans les s cr tions de mucus et aux prot ines centrales des prot oglycanes, qu'il modifie pour produire des prot oglycanes. Comme nous l'avons vu au chapitre 19, ce processus implique la polym risation d'une ou plusieurs cha nes de glycosaminoglycanes (longs polym res non ramifi s compos s d'unit s disaccharides r p titives ; voir les figures 19 35) sur des s rines sur une prot ine centrale. De nombreux prot oglycanes sont s cr t s et deviennent des composants de la matrice extracellulaire, tandis que d'autres restent ancr s la face extracellulaire de la membrane plasmique. D'autres encore forment un composant majeur des mat riaux visqueux, tels que le mucus qui est s cr t pour former une couche protectrice la surface de nombreux pith liums. Les sucres incorpor s dans les glycosaminoglycanes sont fortement sulfat s dans l'appareil de Golgi imm diatement apr s la fabrication de ces polym res, ajoutant ainsi une partie importante de leur charge n gative caract ristique. Certaines tyrosines dans les prot ines deviennent galement sulfat es peu de temps avant de sortir de l'appareil de Golgi. Dans les deux cas, la sulfatation d pend du donneur de sulfate 3'-phosphoad nosine-5'-phosphosulfate (PAPS) (Figure 13-33), qui est transport du cytosol dans la lumi re du r seau trans-Golgi. Quel est le but de la glycosylation ? Il existe une diff rence importante entre la construction d'un oligosaccharide et la synth se d'autres macromol cules telles que l'ADN, l'ARN et les prot ines. Alors que les acides nucl iques et les prot ines sont copi s partir d'une matrice dans une s rie r p t e d' tapes identiques utilisant la m me enzyme ou un ensemble d'enzymes, les glucides complexes n cessitent une enzyme diff rente chaque tape, chaque produit tant reconnu comme le substrat exclusif de l'enzyme suivante de la s rie. La grande abondance de glycoprot ines et les voies compliqu es qui ont volu pour les synth tiser soulignent que les oligosaccharides sur les glycoprot ines et les glycosphingolides ont des fonctions tr s importantes. La glycosylation li e l'azote, par exemple, est r pandue chez tous les eucaryotes, y compris les levures. Les oligosaccharides li s l'azote se pr sentent galement sous une forme tr s similaire dans les prot ines de la paroi cellulaire des arch es, ce qui sugg re que l'ensemble de la machinerie n cessaire leur synth se est ancienne sur le plan de l' volution. La glycosylation li e l'azote favorise le repliement des prot ines de deux mani res. Tout d'abord |
Biologie moléculaire de la cellule | , il joue un r le direct dans l'aggravation des interm diaires de pliage, emp chant ainsi leur agr gation. Deuxi mement, les modifications s quentielles de l'oligosaccharide li l'azote tablissent un glyco-code qui marque la progression de l' Figure 13 32 Glycosylation li e au Nand O. Dans chaque cas, seul le groupe sucre unique qui est directement attach la cha ne prot ique est indiqu . Figure 13 33 Structure du PAPS. repliement des prot ines et m die la liaison de la prot ine aux chaperons (discut s au chapitre 12) et aux lectines, par exemple, pour guider le transport ER-Golgi. Comme nous le verrons plus loin, les lectines participent galement au tri des prot ines dans le r seau trans Golgi. Parce que les cha nes de sucres ont une flexibilit limit e, m me un petit oligosaccharide li l'azote d passant de la surface d'une glycoprot ine (Figure 13-34) peut limiter l'approche d'autres macromol cules la surface de la prot ine. De cette fa on, par exemple, la pr sence d'oligosaccharides tend rendre une glycoprot ine plus r sistante la digestion par les enzymes prot olytiques. Il se peut que les oligosaccharides pr sents sur les prot ines de surface cellulaire aient fourni l'origine une cellule ancestrale une enveloppe protectrice ; Par rapport la paroi cellulaire bact rienne rigide, une telle couche de sucre a l'avantage de laisser la cellule la libert de changer de forme et de bouger. Les cha nes sucri res ont depuis t modifi es pour servir d'autres fins. La couche muqueuse des cellules pulmonaires et intestinales, par exemple, prot ge contre de nombreux agents pathog nes. La reconnaissance des cha nes de sucre par les lectines dans l'espace extracellulaire est importante dans de nombreux processus de d veloppement et dans la reconnaissance cellule-cellule : les s lectines, par exemple, sont des lectines transmembranaires qui fonctionnent dans l'adh sion cellule-cellule pendant la migration des cellules sanguines, comme nous l'avons vu au chapitre 19. La pr sence d'oligosaccharides peut modifier les propri t s antig niques et fonctionnelles d'une prot ine, faisant de la glycosylation un facteur important dans la production de prot ines des fins pharmaceutiques. La glycosylation peut galement avoir d'importants r les r gulateurs. La signalisation par le r cepteur de signalisation de surface cellulaire Notch, par exemple, est un facteur important pour d terminer le destin de la cellule en d veloppement (discut au chapitre 21). Notch est une prot ine transmembranaire qui est O-glycosyl e par l'ajout d'un seul fucose certaines s rines, thr onines et hydroxylysines. Certains types de cellules expriment une glycosyl transf rase suppl mentaire qui ajoute une N-ac tylglucosamine chacune de ces fucoses dans l'appareil de Golgi. Cet ajout modifie la sp cificit de Notch pour les prot ines de signal de surface cellulaire qui l'activent. Le transport travers l'appareil de Golgi peut se produire par maturation cisternale. On ne sait toujours pas comment l'appareil de Golgi atteint et maintient sa structure polaris e et comment les mol cules se d placent d'une citerne une autre, et il est probable que plus d'un m canisme soit impliqu dans chaque cas. Une hypoth se, appel e mod le de maturation cisternale, consid re les citernes de Golgi comme des structures dynamiques qui m rissent du d but la fin en acqu rant puis en perdant des prot ines sp cifiques r sidentes de Golgi. Selon ce point de vue, de nouvelles citernes cisculaires se forment continuellement mesure que des amas tubulaires v siculaires arrivent du RE et m rissent progressivement pour devenir une citerne m diale, puis une citerne trans (Figure 13-35A). Une citerne se d place donc travers la pile de Golgi avec une cargaison dans sa lumi re. Le transport r trograde des enzymes de Golgi par les v sicules bourgeonnantes recouvertes de COPI explique leur distribution caract ristique. Comme nous le verrons plus loin, lorsqu'une citerne finit par faire partie du r seau trans Golgi, divers types de v sicules enrob es s'en d tachent jusqu' ce que ce r seau disparaisse, pour tre remplac e par une citerne en cours de maturation juste derri re. Dans le m me temps, d'autres v sicules de transport r cup rent continuellement la membrane des compartiments post-Golgi et la renvoient au r seau trans-Golgi. Le mod le de maturation cisternale est soutenu par des tudes utilisant des enzymes de Golgi provenant de diff rentes citernes qui ont t marqu es par fluorescence avec diff rentes couleurs. De telles tudes r alis es dans des cellules de levure o les citernes de Golgi ne sont pas empil es r v lent que les citernes de Golgi changent de couleur, d montrant ainsi qu'elles changent leur compl ment d'enzymes r sidentes mesure qu'elles m rissent, m me si elles ne sont pas empil es. l'appui du mod le, des observations au microscope lectronique ont r v l que de grandes structures telles que les b tonnets de procol |
Biologie moléculaire de la cellule | lag ne dans les fibroblastes et les cailles dans certaines algues se d placent progressivement travers l'empilement de Golgi. Un autre point de vue soutient que les citernes de Golgi sont des structures longue dur e de vie qui conservent leur ensemble caract ristique de prot ines r sidentes de Golgi fermement en place, et que les prot ines cargo sont transport es d'une citerne l'autre par des v sicules de transport (Figure 13-35B). Selon ce mod le de transport de v sicules, coulement r trograde des v sicules Figure 13 34 La structure tridimensionnelle d'un petit oligosaccharide li l'azote. La structure a t d termin e par analyse cristallographique aux rayons X d'une glycoprot ine. Cet oligosaccharide ne contient que 6 sucres, alors qu'il y a 14 sucres dans l'oligosaccharide li l'azote qui est initialement transf r aux prot ines dans le re (voir figure 12-47). a) un mod le de base montrant tous les atomes sauf les hydrog nes ; Seule l'asparagine de la prot ine est repr sent e. b) un mod le qui remplit l'espace, avec l'asparagine et les sucres indiqu s en utilisant la m me palette de couleurs qu'en a). (B, avec l'aimable autorisation de Richard Feldmann.) Figure 13 35 Deux mod les possibles expliquant l'organisation de l'appareil de Golgi et comment les prot ines se d placent travers celui-ci. Il est probable que le transport travers l'appareil de Golgi dans le sens de l'avant (fl ches rouges) implique des l ments des deux mod les. (a) Selon le mod le de maturation de la citerne, chaque citerne de Golgi arrive maturit lorsqu'elle migre vers l'ext rieur travers la chemin e. chaque tape, les prot ines r sidentes de Golgi qui sont transport es vers l'avant dans une citerne en maturation sont d plac es vers un compartiment ant rieur dans des v sicules recouvertes de copI. Lorsqu'une citerne nouvellement form e se d place vers une position m diane, par exemple, les enzymes Cis Golgi restantes seraient extraites et transport es r trogradement vers une nouvelle citerne ciscopie situ e derri re. De m me, les enzymes m dianes seraient re ues par transport r trograde partir des citernes juste devant. De cette fa on, une citerne ciscule se transformerait en citerne m diane, puis en citerne trans lorsqu'elle se d placerait vers l'ext rieur. (b) Dans le mod le de transport v siculaire, les citernes de Golgi sont des compartiments statiques, qui contiennent un compl ment caract ristique d'enzymes r sidentes. Le passage des mol cules de cis trans travers le golgi est accompli par des v sicules de transport se d pla ant vers l'avant, qui bourgeonnent d'une citerne et fusionnent avec la suivante dans une direction cis-trans. r cup re les prot ines ER et Golgi chapp es et les renvoie dans les compartiments en amont. L' coulement directionnel pourrait tre obtenu parce que les mol cules de fret se d pla ant vers l'avant sont emball es de mani re s lective dans des v sicules se d pla ant vers l'avant. Bien que les v sicules se d pla ant vers l'avant et vers l'arri re soient probablement recouvertes d'un rev tement COPI, les couches peuvent contenir diff rentes prot ines adaptatrices qui conf rent une s lectivit l'emballage des mol cules de chargement. Alternativement, les v sicules de transport faisant la navette entre les citernes de Golgi peuvent ne pas tre directionnelles du tout, transportant la cargaison au hasard d'avant en arri re ; Un coulement directionnel se produirait alors en raison de l'entr e continue dans la citerne cis-cis et de la sortie de la citerne trans. Le mod le de transport des v sicules est soutenu par des exp riences qui montrent que les mol cules cargo sont pr sentes dans de petites v sicules recouvertes de COPI et que ces v sicules peuvent les livrer aux citernes de Golgi sur de grandes distances. De plus, lorsque des prot ines membranaires agr g es exp rimentalement sont introduites dans les citernes de Golgi, on peut les observer rester en place, tandis que la cargaison soluble, m me si elle est pr sente sous forme de gros agr gats, traverse le Golgi des vitesses normales. Il est probable que certains aspects des deux mod les soient vrais. Un noyau stable de citernes de longue dur e peut exister au centre de chaque citerne de Golgi, tandis que les r gions du bord peuvent subir une maturation continue, peut- tre en utilisant des cascades de Rab qui changent d'identit . Au fur et mesure que des morceaux matures des citernes se forment, ils peuvent se d tacher et fusionner avec les citernes en aval par des m canismes de fusion homotypiques, emportant avec eux de grosses mol cules de cargaison. De plus, de petites v sicules recouvertes de COPI peuvent transporter de petites cargaisons vers l'avant et r cup rer les enzymes de Golgi chapp es et les ramener leurs citernes appropri es en amont. Les prot ines Golgi Golgi Matrix aident organiser la pile L'architecture unique de l'appareil de Golgi d pend la fois du cytosquelette des microtubul |
Biologie moléculaire de la cellule | es, comme nous l'avons d j mentionn , et des prot ines cytoplasmiques de la matrice de Golgi, qui forment un chafaudage entre les citernes adjacentes et donnent l'empilement de Golgi son int grit structurelle. Certaines des prot ines matricielles, appel es golgins, forment de longues attaches compos es de domaines de bobines enroul es rigides avec des r gions charni res intercal es. Les golgins forment une for t Figure 13 36 Un mod le de la fonction du golgin. de tentacules qui peuvent s' tendre de 100 400 nm partir de la surface de l'empilement de Golgi. On pense que les golgins filamenteux ancr s Golgi aident retenir les v sicules de transport de Golgi pr s de l'organite gr ce aux interactions des v sicules de transport avec les prot ines Rab (Figure 13-36). Lorsque la cellule se pr pare se diviser, en se liant aux prot ines rab sur la v sicule, les prot ines mitotiques kinases phosphorylent les prot ines de la matrice de Golgi, provoquant la surface de Golgi. appareil pour se fragmenter et se disperser dans tout le cytosol. Les fragments de Golgi sont ensuite r partis uniform ment dans les deux cellules filles, o les prot ines matricielles sont d phosphoryl es, ce qui conduit au r assemblage de l'empilement de Golgi. De m me, au cours de l'apoptose, le clivage prot olytique des golgins par les caspases s'ensuit (discut au chapitre 18), fragmente l'appareil de Golgi mesure que la cellule s'autod truit. Les prot ines correctement repli es et assembl es dans le RE sont emball es dans des v sicules de transport recouvertes de COPII qui se d tachent de la membrane du RE. Peu de temps apr s, les v sicules perdent leur pelage et fusionnent les unes avec les autres pour former des amas tubulaires v siculaires. Dans les cellules animales, les amas se d placent ensuite sur des pistes de microtubules jusqu' l'appareil de Golgi, o ils fusionnent les uns avec les autres pour former le r seau de Golgi cis. Toutes les prot ines r sidentes du RE qui s' chappent du RE y sont renvoy es partir des amas tubulaires v siculaires et de l'appareil de Golgi par transport r trograde dans les v sicules recouvertes de COPI. L'appareil de Golgi, contrairement au RE, contient de nombreux nucl otides de sucre, que les enzymes glycosyltransf rases utilisent pour glycosyler les mol cules lipidiques et prot iques lorsqu'elles traversent l'appareil de Golgi. Les mannoses sur les oligosaccharides li s l'azote qui sont ajout s aux prot ines dans le RE sont souvent initialement limin es, et d'autres sucres sont ajout s. De plus, l'appareil de Golgi est le site o se produit la glycosylation li e O et o les cha nes de glycosaminoglycanes sont ajout es aux prot ines centrales pour former des prot oglycanes. La sulfatation des sucres dans les prot oglycanes et de certaines tyrosines sur les prot ines se produit galement dans un compartiment de Golgi tardif. L'appareil de Golgi modifie les nombreuses prot ines et lipides qu'il re oit du RE, puis les distribue la membrane plasmique, aux lysosomes et aux v sicules s cr toires. L'appareil de Golgi est un organite polaris , compos d'un ou plusieurs empilements de citernes en forme de disque. Chaque pile est organis e comme une s rie d'au moins trois compartiments fonctionnellement distincts, appel s cis, m dians et trans cisternes. Les citernes cis et trans sont chacune reli es des stations de tri sp ciales, appel es respectivement r seau cis Golgi et r seau trans Golgi. Les prot ines et les lipides se d placent dans la pile de Golgi dans le sens cis-trans. Ce mouvement peut se produire par le transport des v sicules, par la maturation progressive des citernes cisicles au fur et mesure qu'elles migrent continuellement travers la pile, ou, tr s probablement, par une combinaison de ces deux m canismes. On pense que le transport continu des v sicules r trogrades de l'amont vers les citernes plus en aval maintient les enzymes concentr es dans les citernes l o elles sont n cessaires. Les nouvelles prot ines finies se retrouvent dans le r seau trans Golgi, qui les emballe dans des v sicules de transport et les exp die vers leurs destinations sp cifiques dans la cellule. TransporT de la Trans golgI neTwork To lysoSoMes Le r seau trans Golgi trie toutes les prot ines qui passent par l'appareil de Golgi ( l'exception de celles qui y sont conserv es en tant que r sidents permanents) en fonction de leur destination finale. Le m canisme de tri est particuli rement bien compris pour les prot ines destin es la lumi re des lysosomes, et dans cette section, nous consid rons ce processus de transport s lectif. Nous commen ons par un bref compte rendu de la structure et de la fonction des lysosomes. les lysosomes sont les principaux sites de digestion intracellulaire Les lysosomes sont des organites entour s d'une membrane remplis d'enzymes hydrolytiques solubles qui dig rent les macromol cules. Les lysosomes contiennent environ 40 types d'enzymes hydrolytiques, n |
Biologie moléculaire de la cellule | otamment des prot ases, des nucl ases, des glycosidases, des lipases, des phospholipases, des phosphatases et des sulfatases. Tous sont des hydrolases acides ; c'est- -dire les hydrolases qui fonctionnent le mieux pH acide. Pour une activit optimale, ils doivent tre activ s par le clivage prot olytique, qui n cessite galement un environnement acide. Le lysosome fournit cette acidit , en maintenant un pH int rieur d'environ 4,5 5,0. Gr ce cette disposition, le contenu du cytosol est doublement prot g contre les attaques du syst me digestif de la cellule : la membrane du lysosome maintient les enzymes digestives hors du cytosol, mais, m me si elles s' chappent, elles peuvent causer peu de dommages au pH cytosolique d'environ 7,2. Comme tous les autres organites entour s d'une membrane, le lysosome contient non seulement une collection unique de enzymes, mais poss de galement une membrane environnante unique. La plupart des prot ines membranaires des lysosomes, par exemple, sont fortement glycosyl es, ce qui aide les prot ger des prot ases des lysosomes dans la lumi re. Les prot ines de transport dans la membrane des lysosomes transportent les produits finaux de la digestion des macromol cules, tels que les acides amin s, les sucres et les nucl otides, vers le cytosol, o la cellule peut les r utiliser ou les excr ter. Une ATPase vacuolaire H+ dans la membrane du lysosome utilise l' nergie de l'hydrolyse de l'ATP pour pomper H+ dans le lysosome, maintenant ainsi la lumi re son pH acide (Figure 13 37). La pompe lysosome H+ appartient la famille des ATPases de type V et a une architecture similaire celle des ATP synthases mitochondriales et chloroplastes (ATPases de type F), qui convertissent l' nergie stock e dans les gradients H+ en ATP (voir Figure 11-12). Contrairement ces enzymes, cependant, la vacuolaire H+ ATPase fonctionne exclusivement en sens inverse, pompant H+ dans l'organite. Des ATPases de type V similaires ou identiques acidifient tous les organites endocytaires et exocytaires, y compris les lysosomes, les endosomes, certains compartiments de l'appareil de Golgi et de nombreuses v sicules de transport et de s cr tion. En plus de fournir un environnement faible pH qui convient aux r actions se produisant dans la lumi re des organites, le gradient H+ fournit une source d' nergie qui entra ne le transport de petits m tabolites travers la membrane des organites. Les lysosomes sont h t rog nes Les lysosomes se trouvent dans toutes les cellules eucaryotes. Ils ont t initialement d couverts par le fractionnement biochimique d'extraits cellulaires ; Ce n'est que plus tard qu'ils ont t clairement vus au microscope lectronique. Bien qu'extraordinairement divers en forme et en taille, leur coloration avec des anticorps sp cifiques montre qu'ils sont membres d'une seule famille d'organites. Ils peuvent galement tre identifi s par des techniques histochimiques qui r v lent quels organites contiennent de l'hydrolase acide (Figure 13-38). La morphologie h t rog ne des lysosomes contraste avec les structures relativement uniformes de nombreux autres organites cellulaires. La diversit refl te la grande vari t de fonctions digestives m di es par les hydrolases acides, y compris la d composition des d bris intracellulaires et extracellulaires, la destruction des micro-organismes phagocyt s et la production de nutriments pour la cellule. Leur diversit morphologique refl te cependant galement la fa on dont les lysosomes se forment. Les endosomes tardifs contenant du mat riel re u la fois de la membrane plasmique par endocytose et des hydrolases lysosomales nouvellement synth tis es fusionnent avec des lysosomes pr existants pour former des structures parfois appel es endolysosomes, qui fusionnent ensuite les unes avec les autres (Figure 13 39). Lorsque la majorit du mat riel endocytos d'un endolysosome a t dig r e de sorte qu'il ne reste que des r sidus r sistants ou lentement digestibles, ces organites deviennent des lysosomes classiques . Ceux-ci sont relativement denses, ronds et petits, mais ils peuvent entrer nouveau dans le cycle en fusionnant avec des endosomes tardifs ou des endolysosomes. Ainsi, il n'y a pas de r elle distinction entre endolysosomes et lysosomes : ils sont les m mes sauf qu'ils se trouvent des stades diff rents d'un cycle de maturation. Pour cette raison, les lysosomes sont parfois consid r s comme une collection h t rog ne d'organites distincts, dont la caract ristique commune est une teneur lev e en Figure 13 38 Visualisation histochimique des lysosomes. Ces micrographies lectroniques montrent deux sections d'une cellule color es pour r v ler l'emplacement de la phosphatase acide, une enzyme marqueur des lysosomes. Les organites plus grands entour s de membranes, contenant des pr cipit s denses de phosphate de plomb, sont des lysosomes. Leur morphologie diversifi e refl te les variations dans la quantit et la nature de la mati re |
Biologie moléculaire de la cellule | qu'ils dig rent. Les pr cipit s sont produits lorsque le tissu fix avec du glutarald hyde (pour fixer l'enzyme en place) est incub avec un substrat de phosphatase en pr sence d'ions plomb. Les fl ches rouges dans le panneau sup rieur indiquent deux petites v sicules qui transporteraient des hydrolases acides de l'appareil de Golgi. (Avec l'aimable autorisation de Daniel S. Friend.) 0,2 0,5 m pH ~ 7,2 pH ~ 5,0 HYDROLASES ACIDES : nucl ases prot ases glycosidases lipases phosphatases sulfatases phospholipases CYTOSOL + H+ pompe ATPADPPi H+ Figure 13 37 Lysosomes. Les hydrolases acides sont des enzymes hydrolytiques qui sont actives dans des conditions acides. une aTpase h+ dans la membrane pompe h+ dans le lysosome, maintenant sa lumi re un pH acide. digestion du contenu hydrolytiquement actif, compartiments faible pH enzymes hydrolytiques. Il est particuli rement difficile d'appliquer une d finition plus troite que celle-ci aux cellules v g tales, comme nous le verrons ci-dessous. Les vacuoles des plantes et des champignons sont des lysosomes remarquablement polyvalents La plupart des cellules v g tales et fongiques (y compris les levures) contiennent une ou plusieurs tr s grandes v sicules remplies de liquide appel es vacuoles. Ils occupent g n ralement plus de 30 % du volume cellulaire, et jusqu' 90 % dans certains types de cellules (Figure 13 40). Les vacuoles sont apparent es aux lysosomes des cellules animales et contiennent une vari t d'enzymes hydrolytiques, mais leurs fonctions sont remarquablement diverses. La vacuole de la plante peut agir comme un organite de stockage pour les nutriments et les d chets, comme un compartiment de d gradation, comme un moyen conomique d'augmenter la taille des cellules et comme un contr leur de la pression de turgescence (la pression osmotique qui pousse vers l'ext rieur sur la paroi cellulaire et emp che la plante de se faner) (Figure 13-41). La m me cellule peut avoir diff rentes vacuoles avec des fonctions distinctes, telles que la digestion et le stockage. La vacuole est importante en tant que dispositif hom ostatique, permettant aux cellules v g tales de r sister de grandes variations de leur environnement. Lorsque le pH de l'environnement baisse, par exemple, le flux de H+ dans le cytosol est quilibr , au moins en partie, par un transport accru de H+ dans la vacuole, ce qui tend maintenir le pH dans le cytosol constant. De m me, de nombreuses cellules v g tales maintiennent une pression de turgescence presque constante malgr de grands changements dans la tonicit du fluide dans leur environnement imm diat. Ils le font en modifiant la pression osmotique du cytosol et de la vacuole, en partie par la d gradation et la resynth se contr l es de polym res tels que le polyphosphate dans la vacuole, et en partie en modifiant les taux de transport des sucres. Figure 13 39 Un mod le pour la maturation des lysosomes. Les endosomes tardifs fusionnent avec des lysosomes pr existants (fl che du bas) ou des endolysosomes pr existants (fl che du haut). Les endolysosomes finissent par se transformer en lysosomes mesure que les hydrolases terminent la digestion de leur contenu, qui peut inclure des v sicules intralum nales. Les lysosomes fusionnent galement avec les phagosomes, comme nous le verrons plus loin. Figure 13 40 La vacuole de la cellule v g tale. (a) une image confocale de cellules d'un embryon d'Arabidopsis qui exprime une prot ine de fusion aquaporine-YFP (prot ine fluorescente jaune) dans son tonoplaste ou sa membrane vacuole (vert) ; Les parois cellulaires ont t faussement color es en orange. Chaque cellule contient plusieurs grandes vacuoles. (b) Cette micrographie lectronique des cellules d'une jeune feuille de tabac montre le cytosol comme une mince couche, contenant des chloroplastes, press e contre la paroi cellulaire par l' norme vacuole. (a, avec l'aimable autorisation de C. Carroll et L. Frigerio, d'apr s S. Gattolin et al., Mol. Plant 4:180 189, 2011, avec l'autorisation d'Oxford University Press ; b, avec l'aimable autorisation de J. burgess.) acides amin s et d'autres m tabolites travers la membrane plasmique et la membrane vacuolaire. La pression de turgescence r gule les activit s de transporteurs distincts dans chaque membrane pour contr ler ces flux. Les humains r coltent souvent des substances stock es dans des vacuoles v g tales, du caoutchouc l'opium en passant par l'ar me de l'ail. De nombreux produits stock s ont une fonction m tabolique. Les prot ines, par exemple, peuvent tre conserv es pendant des ann es dans les vacuoles des cellules de stockage de nombreuses graines, comme celles des pois et des haricots. Lorsque les graines germent, ces prot ines sont hydrolys es et les acides amin s qui en r sultent fournissent un approvisionnement alimentaire l'embryon en d veloppement. Les pigments anthocyaniques stock s dans les vacuoles colorent les p tales de nombreuses fleurs de mani re attirer les insect |
Biologie moléculaire de la cellule | es pollinisateurs, tandis que les mol cules nocives lib r es par les vacuoles lorsqu'une plante est mang e ou endommag e offrent une d fense contre les pr dateurs. De multiples voies livrent des mat riaux aux lysosomes Les lysosomes sont des lieux de rencontre o convergent plusieurs flux de trafic intracellulaire. Une voie qui m ne vers l'ext rieur du RE via l'appareil de Golgi d livre la plupart des enzymes digestives du lysosome, tandis qu'au moins quatre voies provenant de sources diff rentes alimentent les lysosomes en substances pour la digestion. La mieux tudi e de ces voies de d gradation est celle suivie par les macromol cules pr lev es dans le liquide extracellulaire par endocytose. Une voie similaire trouv e dans les cellules phagocytaires, telles que les macrophages et les neutrophiles chez les vert br s, est d di e l'engloutissement, ou phagocytose, de grosses particules et de micro-organismes pour former des phagosomes. Une troisi me voie appel e macropinocytose est sp cialis e dans l'absorption non sp cifique des fluides, de la membrane et des particules attach es la membrane plasmique. Nous reviendrons sur ces voies plus loin dans le chapitre. Une quatri me voie appel e autophagie prend naissance dans le cytoplasme de la cellule elle-m me et est utilis e pour dig rer le cytosol et les organites us s, comme nous le verrons ensuite. Les quatre voies de d gradation des lysosomes sont illustr es aux figures 13 42. Figure 13 41 Le r le de la vacuole dans le contr le de la taille des cellules v g tales. Une cellule v g tale peut obtenir une forte augmentation de volume sans augmenter le volume du cytosol. L'affaiblissement localis de la paroi cellulaire oriente une hypertrophie cellulaire induite par la turgescence qui accompagne l'absorption d'eau dans une vacuole en expansion. Le cytosol est finalement confin une fine couche p riph rique, qui est reli e la r gion nucl aire par des brins de cytosol stabilis s par des faisceaux de filaments d'actine (non illustr ). Figure 13 42 Quatre voies de d gradation dans les lysosomes. Les mat riaux de chaque voie proviennent d'une source diff rente. Notez que l'autophagosome a une double membrane. Dans tous les cas, l' tape finale est la fusion avec les lysosomes. Tous les types de cellules liminent les parties obsol tes par un processus d pendant des lysosomes appel autophagie, ou auto-alimentation . Le processus de d gradation est important pendant la croissance cellulaire normale et au cours du d veloppement, o il aide restructurer les cellules diff renciatrices, mais aussi dans les r ponses adaptatives des stress tels que la famine et l'infection. L'autophagie peut liminer de gros objets macromol cules, gros agr gats de prot ines et m me des organites entiers que d'autres m canismes d' limination tels que la d gradation prot asomale ne peuvent pas g rer. Les d fauts de l'autophagie peuvent emp cher les cellules d' liminer les microbes envahisseurs, les agr gats de prot ines ind sirables et les prot ines anormales, et contribuer ainsi des maladies allant des troubles infectieux la neurod g n rescence et au cancer. Dans les premiers stades de l'autophagie, la cargaison cytoplasmique est entour e d'une double membrane qui s'assemble par la fusion de petites v sicules d'origine inconnue, formant un autophagosome (Figure 13 43). Quelques dizaines de prot ines diff rentes ont t identifi es dans les levures et les cellules animales qui participent au processus, qui doit tre troitement r gul : trop peu ou trop peut tre d l t re. L'ensemble du processus se d roule dans la s quence d' tapes suivante : 1. Induction par activation de mol cules de signalisation : Les prot ines kinases (y compris le complexe mTOR 1, discut au chapitre 15) qui relaient l'information sur l' tat m tabolique de la cellule, sont activ es et signalent la machinerie autophagique. 2. Nucl ation et extension d'une membrane d limitant dans une coupe en forme de croissant : Les v sicules membranaires, caract ris es par la pr sence d'ATG9, la seule prot ine transmembranaire impliqu e dans le processus, sont recrut es sur un site d'assemblage, o elles nucl ent la formation d'autophagosomes. ATG9 n'est pas incorpor dans l'autophagosome : une voie de r cup ration doit l'extraire de la structure d'assemblage. 3. Fermeture de la cupule de la membrane autour de la cible pour former un autophagosome scell double membrane. 4. Fusion de l'autophagosome avec les lysosomes, catalys e par les SNAREs.5.Digestion de la membrane interne et du contenu lum nal de l'autophagosome. L'autophagie peut tre non s lective ou s lective. Dans l'autophagie non s lective, une partie importante du cytoplasme est s questr e dans les autophagosomes. Cela peut se produire, par exemple, dans des conditions de famine : lorsque les nutriments externes sont limitants, les m tabolites d riv s de la digestion du cytosol captur peuvent aider la cellule survivre. Dans l' |
Biologie moléculaire de la cellule | autophagie s lective, la cargaison sp cifique est emball e dans des autophagosomes qui ont tendance contenir peu de cytosol, et leur forme refl te la forme de la cargaison. L'autophagie s lective m die la d gradation des mitochondries, des peroxysomes, des ribosomes et du RE us s ou non d sir s ; Il peut galement tre utilis pour d truire les microbes envahisseurs. Figure 13 43 Un mod le d'autophagie. (a) L'activation d'une voie de signalisation d clenche un v nement de nucl ation dans le cytoplasme. Un croissant de membrane autophagosomale se d veloppe par fusion de v sicules d'origine inconnue et finit par fusionner pour former un autophagosome double membrane, qui s questre une partie du cytoplasme. L'autophagosome fusionne ensuite avec des lysosomes contenant des hydrolases acides qui dig rent son contenu. Au cours de la formation de la membrane de l'autophagosome, une prot ine semblable l'ubiquitine est activ e par la fixation covalente d'une ancre lipidique de phosphatidyl thanolamine. Ces prot ines interviennent ensuite dans l'attache et la fusion des v sicules, conduisant la formation d'une structure membranaire en forme de croissant qui s'assemble autour de sa cible (non illustr ). b) une micrographie lectronique d'un autophagosome contenant une mitochondrie et un peroxysome. (b, avec l'aimable autorisation de Daniel S. Friend, de D.W. Fawcett, A Textbook of histology, 12e d. New York : Chapman and Hall, 1994. avec la permission de Kluwer.) L'autophagie s lective des mitochondries us es ou endommag es est appel e mitophagie. Comme nous l'avons vu dans les chapitres 12 et 14, lorsque les mitochondries fonctionnent normalement, la membrane mitochondriale interne est nergis e par un gradient lectrochimique H+ qui entra ne la synth se de l'ATP et l'importation de prot ines et de m tabolites pr curseurs mitochondriaux. Les mitochondries endommag es ne peuvent pas maintenir le gradient, de sorte que l'importation de prot ines est bloqu e. En cons quence, une prot ine kinase appel e Pink1, qui est normalement import e dans les mitochondries, est plut t retenue la surface mitochondriale o elle recrute l'ubiquitine ligase Parkin dans le cytosol. Parkin ubiquitylate les prot ines de la membrane externe mitochondriale, qui marquent l'organite pour la destruction s lective dans les autophagosomes. Les mutations de Pink1 ou Parkin provoquent une forme de maladie de Parkinson pr coce, une maladie d g n rative du syst me nerveux central. On ne sait pas pourquoi les neurones qui meurent pr matur ment dans cette maladie sont particuli rement d pendants de la mitophagie. un r cepteur 6-phosphate de mannose trie les hydrolases lysosomales dans le r seau Transgolgi Nous consid rons maintenant la voie qui d livre les hydrolases lysosomales du TGN aux lysosomes. Les enzymes sont d'abord d livr es aux endosomes dans les v sicules de transport qui bourgeonnent partir du TGN, avant de passer aux endolysosomes et aux lysosomes (voir Figure 13-39). Les v sicules qui quittent le TGN incorporent les prot ines lysosomales et excluent les nombreuses autres prot ines emball es dans diff rentes v sicules de transport pour tre administr es ailleurs. Comment les hydrolases lysosomales sont-elles reconnues et s lectionn es dans le TGN avec la pr cision requise ? Dans les cellules animales, ils portent un marqueur unique sous la forme de groupes mannose 6-phosphate (M6P), qui sont ajout s exclusivement aux oligosaccharides li s l'azote de ces enzymes lysosomales solubles lorsqu'ils traversent la lumi re du r seau cis Golgi (Figure 13-44). Les prot ines transmembranaires du r cepteur M6P, qui sont pr sentes dans le TGN, reconnaissent les groupes M6P et se lient aux hydrolases lysosomales du c t lumenal de la membrane et aux prot ines adaptatrices dans l'assemblage des enveloppes de clathrine du c t cytosolique. De cette fa on, le Les r cepteurs aident emballer les hydrolases dans des v sicules enrob es de clathrine qui bourgeonnent partir du TGN et livrent leur contenu aux endosomes pr coces. La prot ine r ceptrice M6P se lie M6P un pH de 6,5 6,7 dans la lumi re TGN et la lib re un pH de 6, qui est le pH dans la lumi re des endosomes. Ainsi, apr s la d livrance du r cepteur, les hydrolases lysosomales se dissocient des r cepteurs M6P, qui sont r cup r s dans des v sicules de transport qui bourgeonnent partir des endosomes. Ces v sicules sont recouvertes de r trom re, un complexe prot ique d'enrobage sp cialis dans le transport de l'endosome au TGN, qui renvoie les r cepteurs au TGN pour tre r utilis s (Figure 13 45). Le transport dans les deux sens n cessite des signaux dans la queue cytoplasmique du r cepteur M6P qui dirigent cette prot ine vers l'endosome ou vers le TGN. Ces signaux sont reconnus par le complexe r trom re qui recrute les r cepteurs M6P dans les v sicules de transport qui bourgeonnent partir des endosomes. Le recyclage du r cepteur M6P ressemble au recyclage du r cep |
Biologie moléculaire de la cellule | teur KDEL discut pr c demment, bien qu'il diff re par le type de v sicules enrob es qui interviennent dans le transport. Toutes les mol cules d'hydrolase qui sont marqu es avec M6P n'atteignent pas les lysosomes. Certains chappent au processus normal d'empaquetage dans le r seau trans Golgi et sont transport s par d faut la surface de la cellule, o ils sont s cr t s dans le liquide extracellulaire. Cependant, certains r cepteurs M6P font galement un d tour par la membrane plasmique, o ils recapturent les hydrolases lysosomales chapp es et les renvoient par endocytose m di e par le r cepteur (discut e plus loin) aux lysosomes via les endosomes pr coces et tardifs. Comme les hydrolases lysosomales ont besoin d'un milieu acide pour fonctionner, elles peuvent faire peu de mal dans le liquide extracellulaire, qui a g n ralement un pH neutre de 7,4. Pour le syst me de tri qui s pare les hydrolases lysosomales et les envoie aux endosomes pour fonctionner, les groupes M6P doivent tre ajout s uniquement aux glycoprot ines appropri es dans l'appareil de Golgi. Cela n cessite une reconnaissance sp cifique des hydrolases par les enzymes de Golgi responsables de l'ajout de M6P. tant donn que toutes les glycoprot ines quittent le RE avec des cha nes d'oligosaccharides N-li es identiques, le signal de Figure 13 44 Structure du mannose 6-phosphate sur une hydrolase lysosomale. l'ajout des unit s M6P aux oligosaccharides doit r sider quelque part dans la cha ne polypeptidique de chaque hydrolase. Des exp riences de g nie g n tique ont r v l que le signal de reconnaissance est un groupe d'acides amin s voisins la surface de chaque prot ine, connu sous le nom de patch de signal (Figure 13-46). tant donn que la plupart des hydrolases lysosomales contiennent plusieurs oligosaccharides, elles acqui rent de nombreux groupes M6P, fournissant un signal de haute affinit pour le r cepteur M6P. Des anomalies de la phosphotransf rase glcnac provoquent une maladie de surcharge lysosomale chez l'homme Les d fauts g n tiques qui affectent une ou plusieurs des hydrolases lysosomales sont l'origine d'un certain nombre de maladies lysosomales humaines. Les d fauts se traduisent par une accumulation de substrats non dig r s dans les lysosomes, avec des cons quences pathologiques s v res, le plus souvent au niveau du syst me nerveux. Dans la plupart des cas, il y a une mutation dans un g ne structurel qui code pour une hydrolase lysosomale individuelle. C'est le cas dans la maladie de Hurler, par exemple, dans laquelle l'enzyme n cessaire la d gradation de certains types de cha nes de glycosaminoglycanes est d fectueuse ou absente. Cependant, la forme la plus grave de maladie de surcharge lysosomale est une maladie m tabolique h r ditaire tr s rare appel e maladie des cellules inclusions (maladie des cellules I). Dans cette condition, presque toutes les enzymes hydrolytiques sont absentes des lysosomes de nombreux types de cellules, et leurs substrats non dig r s s'accumulent dans ces lysosomes, qui forment par cons quent de grandes inclusions dans les cellules. La pathologie qui en r sulte est complexe, affectant tous les syst mes organiques, l'int grit squelettique et le d veloppement mental ; Les individus vivent rarement au-del de six ou sept ans. La maladie des cellules I est due un d faut d'un seul g ne et, comme la plupart des d ficiences enzymatiques g n tiques, elle est r cessive, c'est- -dire qu'elle ne survient que chez les individus ayant deux copies du g ne d fectueux. Chez les patients atteints d'une maladie cellules I, tous les les hydrolases absentes des lysosomes se retrouvent dans le sang : parce qu'elles ne se trient pas correctement dans l'appareil de Golgi, elles sont s cr t es plut t que transport es vers les lysosomes. L'erreur de tri a t attribu e une GlcNAc phosphotransf rase d fectueuse ou manquante. Parce que les enzymes lysosomales ne sont pas phosphoryl es dans le r seau cis de Golgi, les r cepteurs M6P ne les s parent pas dans les v sicules de transport appropri es dans le TGN. Au lieu de cela, les hydrolases lysosomales sont transport es la surface de la cellule et s cr t es. Dans les maladies cellules I, les lysosomes de certains types de cellules, tels que les h patocytes, contiennent un compl ment normal d'enzymes lysosomales, ce qui implique qu'il existe une autre Figure 13 45 Le transport des hydrolases lysosomales nouvellement synth tis es vers les endosomes. L'action s quentielle de deux enzymes dans le r seau cis et trans golgi ajoute des groupes mannose 6-phosphate (M6p) aux pr curseurs des enzymes lysosomales (voir figure 13-46). Les hydrolases marqu es M6p se s parent ensuite de tous les autres types de prot ines dans le Tgn, car les prot ines adaptatrices (non illustr es) de l'enveloppe de clathrine se lient aux r cepteurs M6p, qui, leur tour, se lient aux hydrolases lysosomales modifi es par M6p. Les v sicules recouvertes de clathrine se d tachent |
Biologie moléculaire de la cellule | du Tgn, perdent leur pelage et fusionnent avec les endosomes pr coces. Au pH inf rieur de l'endosome, les hydrolases se dissocient des r cepteurs M6p, et les r cepteurs vides sont r cup r s dans des v sicules r trom res jusqu'au Tgn pour d'autres cycles de transport. Dans les endosomes, le phosphate est limin de la M6p attach e aux hydrolases, ce qui peut garantir que les hydrolases ne retournent pas au Tgn avec le r cepteur. avec la GlcNAc attach e au mannose dans la voie des oligosaccharides pour diriger les hydrolases vers les lysosomes qui est utilis e par certains types de cellules mais pas par d'autres. D'autres r cepteurs de tri fonctionnent dans ces voies ind pendantes de M6P. De m me, une voie ind pendante de M6P dans toutes les cellules trie les prot ines membranaires des lysosomes du TGN pour le transport vers les endosomes tardifs, et ces prot ines sont donc normales dans la maladie des cellules I. Le ciblage du mat riel vers les lysosomes n'est pas n cessairement la fin de la voie. La s cr tion lysosomale de contenu non dig r permet toutes les cellules d' liminer les d bris non digestibles. Pour la plupart des cellules, il semble s'agir d'une voie mineure, utilis e uniquement lorsque les cellules sont stress es. Cependant, certains types de cellules contiennent des lysosomes sp cialis s qui ont acquis la machinerie n cessaire la fusion avec la membrane plasmique. Les m lanocytes de la peau, par exemple, produisent et stockent des pigments dans leurs lysosomes. Ces m lanosomes contenant des pigments lib rent leur pigment dans l'espace extracellulaire de l' piderme par exocytose. Le pigment est ensuite absorb par les k ratinocytes, ce qui entra ne une pigmentation normale de la peau. Dans certaines maladies g n tiques, des d fauts d'exocytose des m lanosomes bloquent ce processus de transfert, conduisant des formes d'hypopigmentation (albinisme). Dans certaines conditions, les corps multiv siculaires peuvent galement fusionner avec la membrane plasmique. Si cela se produit, leurs v sicules intralum nales sont lib r es des cellules. De petites v sicules circulantes, galement appel es exosomes, ont t observ es dans le sang et peuvent tre utilis es pour transporter des composants entre les cellules, bien que l'importance d'un tel m canisme de communication potentielle entre cellules distantes soit inconnue. Certains exosomes peuvent provenir d' v nements de bourgeonnement direct des v sicules au niveau de la membrane plasmique, ce qui est un processus topologiquement quivalent (voir Figure 13-57). Les lysosomes sont sp cialis s dans la digestion intracellulaire des macromol cules. Ils contiennent des prot ines membranaires uniques et une grande vari t d'enzymes hydrolytiques solubles qui fonctionnent mieux pH 5, qui est le pH interne des lysosomes. Une pompe H+ entra n e par l'ATP dans la membrane lysosomale maintient ce pH bas. Prot ines lysosomales nouvellement synth tis es transport es de la lumi re du RE, travers l'appareil de Golgi ; ils sont ensuite transport s du r seau trans Golgi vers les endosomes au moyen de v sicules de transport recouvertes de clathrine, avant de passer aux lysosomes. Les hydrolases lysosomales contiennent des oligosaccharides li s l'azote qui sont modifi s de mani re covalente de mani re unique dans le cis Golgi de sorte que leurs mannoses sont phosphoryl es. Ces groupes mannose 6-phosphate (M6P) sont reconnus par une prot ine r ceptrice M6P dans le r seau trans Golgi qui s pare les hydrolases et aide les emballer dans des v sicules de transport bourgeonnantes qui livrent leur contenu aux endosomes. Les r cepteurs M6P font la navette entre le r seau trans Golgi et les endosomes. Le faible pH de endosomes et l' limination du phosphate de l'endosomes Figure 13 46 La reconnaissance d'une hydrolase lysosomale. Une phosphotransf rase GLCNAC reconna t les hydrolases lysosomales dans l'appareil de Golgi. L'enzyme a des sites catalytiques et de reconnaissance distincts. Le site catalytique se lie la fois aux oligosaccharides li s la mannose n et l'udp-glcnac. Le site de reconnaissance se lie une tache de signal qui n'est pr sente qu' la surface des hydrolases lysosomales. Une deuxi me enzyme coupe la glcnac, laissant le mannose 6-phosphate expos . Le groupe M6P provoque la dissociation des hydrolases lysosomales de ces r cepteurs, ce qui rend le transport des hydrolases unidirectionnel. Un syst me de transport s par utilise des v sicules enrob es de clathrine pour livrer les prot ines membranaires lysosomales r sidentes du r seau trans Golgi aux endosomes. TransporT InTo La cellule de La plasMa MeMbrane : endocyTosIs Les voies qui m nent vers l'int rieur partir de la surface cellulaire commencent par le processus d'endocytose, par lequel les cellules absorbent les composants de la membrane plasmique, les fluides, les solut s, les macromol cules et les substances particulaires. La cargaison endocytos e comprend des complexes r cepte |
Biologie moléculaire de la cellule | ur-ligand, un ventail de nutriments et leurs transporteurs, des composants de matrice extracellulaire, des d bris cellulaires, des bact ries, des virus et, dans des cas sp cialis s, m me d'autres cellules. Gr ce l'endocytose, la cellule r gule la composition de sa membrane plasmique en r ponse l' volution des conditions extracellulaires. Dans l'endocytose, la mati re ing rer est progressivement enferm e dans une petite partie de la membrane plasmique, qui s'invagine d'abord puis se pince pour former une v sicule endocytaire contenant la substance ou la particule ing r e. La plupart des cellules eucaryotes forment constamment des v sicules endocytaires, un processus appel pinocytose ( consommation cellulaire ) ; De plus, certaines cellules sp cialis es contiennent des voies d di es qui absorbent de grosses particules la demande, un processus appel phagocytose ( consommation de cellules ). Les v sicules endocytaires se forment au niveau de la membrane plasmique par de multiples m canismes qui diff rent la fois par la machinerie mol culaire utilis e et par la fa on dont cette machinerie est r gul e. Une fois g n r es au niveau de la membrane plasmique, la plupart des v sicules endocytaires fusionnent avec un compartiment r cepteur commun, l'endosome pr coce, o la cargaison internalis e est tri e : certaines mol cules de cargaison sont renvoy es la membrane plasmique, soit directement, soit via un endosome de recyclage, et d'autres sont d sign es pour la d gradation par inclusion dans un endosome tardif. Les endosomes tardifs se forment partir d'une partie bulbeuse et vacuolaire des endosomes pr coces par un processus appel maturation des endosomes. Ce processus de conversion modifie la composition prot ique de la membrane de l'endosome, dont les plaques s'invaginent et s'incorporent dans les organites sous forme de v sicules intralum nales, tandis que l'endosome lui-m me se d place de la p riph rie cellulaire vers un emplacement proche du noyau. Au fur et mesure qu'un endosome m rit, il cesse de recycler la mati re vers la membrane plasmique et entra ne de mani re irr versible la d gradation de son contenu restant : les endosomes tardifs fusionnent entre eux et avec les lysosomes pour former des endolysosomes, qui d gradent leur contenu, comme nous l'avons vu pr c demment (Figure 13-47). Chacune des tapes de la maturation de l'endosome, de l'endosome pr coce l'endolysosome, est reli e par des voies de transport v siculaire bidirectionnelles jusqu' Figure 13 47 Maturation de l'endosome : la voie endocytaire de la membrane plasmique aux lysosomes. Les v sicules endocytaires fusionnent pr s de la p riph rie cellulaire avec un endosome pr coce, qui est la station de tri primaire. Les parties tubulaires de l'endosome pr coce bourgeonnent des v sicules qui recyclent la cargaison endocytos e vers la membrane plasmique, soit directement, soit indirectement via le recyclage des endosomes. Le recyclage des endosomes peut stocker des prot ines jusqu' ce qu'elles soient n cessaires. La conversion des endosomes pr coces en endosomes tardifs s'accompagne d'une perte des projections tubulaires. Les prot ines membranaires destin es la d gradation sont internalis es dans les v sicules intralum nales. L'endosome tardif en d veloppement, ou corps multiv siculaire, se d place sur les microtubules vers l'int rieur de la cellule. les endosomes tardifs pleine maturit n'envoient plus de v sicules la membrane plasmique, et ils fusionner entre eux et avec les endolysosomes et les lysosomes pour d grader leur contenu. chaque tape de la maturation de l'endosome est reli e par des v sicules de transport au Tgn, fournissant un approvisionnement continu en prot ines lysosomales nouvellement synth tis es. 0,1 m le TGN. Ces voies permettent l'insertion de mat riaux nouvellement synth tis s, tels que les enzymes lysosomales arrivant du RE, et la r cup ration de composants, tels que le r cepteur M6P, dans les premi res parties de la voie s cr toire. Nous discutons ensuite de la fa on dont la cellule utilise et contr le les diff rentes caract ristiques du trafic endocytaire. les v sicules pinocytaires se forment partir de trous recouverts dans la membrane plasmique Pratiquement toutes les cellules eucaryotes ing rent continuellement des parties de leur membrane plasmique sous la forme de petites v sicules pinocytaires (endocytaires). La vitesse laquelle la membrane plasmique est internalis e dans ce processus de pinocytose varie selon les types de cellules, mais elle est g n ralement tonnamment lev e. Un macrophage, par exemple, ing re 25 % de son propre volume de liquide chaque heure. Cela signifie qu'il doit ing rer 3 % de sa membrane plasmique chaque minute, soit 100 % en une demi-heure environ. Les fibroblastes s'endocytosent un rythme un peu plus faible (1% de leur membrane plasmique par minute), tandis que certaines amibes ing rent leur membrane plasmique encore plus rapidement. tant |
Biologie moléculaire de la cellule | donn que la surface et le volume d'une cellule restent inchang s au cours de ce processus, il est clair que la m me quantit de membrane limin e par l'endocytose est ajout e la surface cellulaire par le processus inverse de l'exocytose. En ce sens, l'endocytose et l'exocytose sont des processus li s qui peuvent tre consid r s comme constituant un cycle endocytaire exocytaire. Le couplage entre l'exocytose et l'endocytose est particuli rement strict dans les structures sp cialis es caract ris es par un renouvellement membranaire lev , comme une terminaison nerveuse. La partie endocytaire du cycle commence souvent au niveau des fosses recouvertes de clathrine. Ces r gions sp cialis es occupent g n ralement environ 2 % de la surface totale de la membrane plasmique. La dur e de vie d'une fosse recouverte de clathrine est courte : dans la minute qui suit sa formation, elle s'invagine dans la cellule et se pince pour former une v sicule recouverte de clathrine (Figure 13 48). Environ 2500 v sicules recouvertes de clathrine se d tachent chaque minute de la membrane plasmique d'un fibroblaste cultiv . Les v sicules rev tues sont encore plus transitoires que les fosses rev tues : quelques secondes apr s leur formation, elles perdent leur pelage et fusionnent avec les endosomes pr coces. Toutes les v sicules pinocytaires ne sont pas recouvertes de clathrine En plus des fosses et des v sicules recouvertes de clathrine, les cellules peuvent former d'autres types de v sicules pinocytaires, telles que les cav oles (du latin pour petites cavit s ), reconnues l'origine par leur capacit transporter des mol cules travers les cellules endoth liales qui forment la paroi interne des vaisseaux sanguins. Les cav oles, parfois observ es au microscope lectronique sous forme de flacons profond ment invagin s, sont pr sentes dans la membrane plasmique de la plupart des types de cellules de vert br s (Figure 13-49). On pense qu'ils se forment partir de radeaux lipidiques dans la membrane plasmique (discut s au chapitre 10), qui sont particuli rement riches Figure 13 48 La formation de v sicules recouvertes de clathrine partir de la membrane plasmique. Ces micrographies lectroniques illustrent la s quence probable des v nements dans la formation d'une v sicule recouverte de clathrine partir d'une fosse recouverte de clathrine. Les fosses et les v sicules recouvertes de clathrine montr es sont plus grandes que celles observ es dans les cellules de taille normale ; Ils proviennent d'un tr s gros ovocyte de poule et ils absorbent les particules de lipoprot ines pour former le jaune. Les particules de lipoprot ines li es leurs r cepteurs membranaires apparaissent sous la forme d'une couche dense et floue sur la surface extracellulaire de la membrane plasmique, qui est la surface int rieure de la fosse et de la v sicule rev tues. (avec l'aimable autorisation de M.M. Perry et A.B. Gilbert, J. Cell sci. 39:257 272, 1979. avec la permission de The company of biologists.) 0,2 m dans le cholest rol, les glycosphingolipides et les prot ines membranaires ancr es au glycosylphosphatidylinositol (GPI) (voir Figure 10-13). Les principales prot ines structurelles des cav oles sont les cav oles, une famille de prot ines membranaires int grales inhabituelles qui ins rent chacune une boucle hydrophobe dans la membrane du c t cytosolique mais ne s' tendent pas travers la membrane. Du c t cytosolique, les cav olines sont li es de grands complexes prot iques de prot ines de sp l ologie, dont on pense qu'elles stabilisent la courbure de la membrane. Contrairement aux v sicules recouvertes de clathrine et de COPI ou COPII, les cav oles sont g n ralement des structures statiques. N anmoins, ils peuvent tre induits se pincer et servir de v sicules endocytaires pour transporter la cargaison vers les endosomes pr coces ou vers la membrane plasmique du c t oppos d'une cellule polaris e (dans un processus appel transcytose, dont nous parlerons plus loin). Certains virus animaux tels que le SV40 et le papillomavirus (qui cause les verrues) p n trent dans les cellules des v sicules d riv es des cav oles. Les virus sont d'abord administr s aux endosomes pr coces et se d placent de l dans les v sicules de transport vers la lumi re du RE. Le g nome viral sort travers la membrane du RE dans le cytosol, d'o il est import dans le noyau pour commencer le cycle d'infection. La toxine chol rique (abord e dans les chapitres 15 et 19) p n tre galement dans la cellule par les cav oles et est transport e vers le RE avant d'entrer dans le cytosol. La macropinocytose est un autre m canisme endocytaire ind pendant de la clathrine qui peut tre activ dans pratiquement toutes les cellules animales. Dans la plupart des types de cellules, il ne fonctionne pas en continu, mais est plut t induit pendant une p riode limit e en r ponse l'activation des r cepteurs de surface cellulaire par des cargaisons sp cifiques, y compris les fa |
Biologie moléculaire de la cellule | cteurs de croissance, les ligands d'int grine, les restes cellulaires apoptotiques et certains virus. Ces ligands activent une voie de signalisation complexe, entra nant une modification de la dynamique de l'actine et la formation de protub rances la surface cellulaire, appel es volants (discut es au chapitre 16). Lorsque les volants s'effondrent sur la cellule, de grandes v sicules endocytaires remplies de liquide se forment, appel es macropinosomes (Figure 13-50), qui augmentent transitoirement l'absorption de liquide en vrac d'une cellule jusqu' dix fois. La macropinocytose est une voie de d gradation d di e : les macropinosomes s'acidifient puis fusionnent avec des endosomes tardifs ou des endolysosomes, sans recycler leur cargaison vers la membrane plasmique. les cellules utilisent l'endocytose m di e par le r cepteur pour importer des macromol cules extracellulaires s lectionn es Dans la plupart des cellules animales, les fosses et les v sicules recouvertes de clathrine constituent une voie efficace pour absorber des macromol cules sp cifiques du liquide extracellulaire. Dans ce processus, appel endocytose m di e par les r cepteurs, les macromol cules se lient Figure 13 49 Cav oles dans la membrane plasmique d'un fibroblaste. (a) Cette micrographie lectronique montre une membrane plasmique avec une tr s forte densit de cav oles. (b) Cette image de gravure profonde cong lation rapide d montre la texture caract ristique du chou-fleur de la face cytosolique de la membrane des cav oles. On pense que la texture caract ristique r sulte d'agr gats de cav olines et de cavins. Une fosse recouverte de clathrine est galement visible en haut droite. (Avec l'aimable autorisation de R.G.W. Anderson, d'apr s K.G. Rothberg et al., Cell 68:673 682, 1992, avec la permission d'Elsevier.) prot ines r ceptrices transmembranaires compl mentaires, qui s'accumulent dans des fosses enrob es, puis p n trent dans la cellule sous forme de complexes r cepteur-macromol cule dans des v sicules recouvertes de clathrine (voir Figure 13-48). Parce que les ligands sont captur s s lectivement par les r cepteurs, l'endocytose m di e par les r cepteurs fournit un m canisme de concentration s lective qui augmente l'efficacit de l'internalisation de ligands particuliers plus de cent fois. De cette fa on, m me les composants mineurs du liquide extracellulaire peuvent tre absorb s efficacement en grandes quantit s. Un exemple particuli rement bien compris et physiologiquement important est le processus utilis par les cellules de mammif res pour importer le cholest rol. De nombreuses cellules animales absorbent le cholest rol par endocytose m di e par les r cepteurs et, de cette fa on, acqui rent la majeure partie du cholest rol dont elles ont besoin pour fabriquer une nouvelle membrane. Si l'absorption est bloqu e, le cholest rol s'accumule dans le sang et peut contribuer la formation dans les parois des vaisseaux sanguins (art res) de plaques d'ath roscl rose, de d p ts de tissu lipidique et fibreux qui peuvent provoquer des accidents vasculaires c r braux et des crises cardiaques en bloquant la circulation sanguine art rielle. En fait, c'est une tude sur des humains ayant une forte pr disposition g n tique l'ath roscl rose qui a r v l pour la premi re fois le m canisme de l'endocytose m di e par les r cepteurs. La majeure partie du cholest rol est transport e dans le sang sous forme d'esters cholest raux sous forme de particules lipidiques-prot iques appel es lipoprot ines de basse densit (LDL) (Figure 13-51). Lorsqu'une cellule a besoin de cholest rol pour la synth se membranaire, elle fabrique des prot ines r ceptrices transmembranaires pour les LDL et les ins re dans sa membrane plasmique. Une fois dans la membrane plasmique, les r cepteurs LDL diffusent jusqu' ce qu'ils s'associent des fosses recouvertes de clathrine qui sont en cours de formation. L , un signal d'endocytose dans la queue cytoplasmique des r cepteurs LDL se lie la prot ine adaptatrice membranaire AP2 apr s que sa conformation ait t localement d verrouill e en se liant PI(4,5)P2 sur la membrane plasmique. La d tection de co ncidence, comme nous l'avons vu pr c demment, conf re donc la fois efficacit et s lectivit au processus (voir Figure 13 9). AP2 recrute ensuite la clathrine pour initier l'endocytose. tant donn que les fosses enrob es se pincent constamment pour former des v sicules rev tues, toutes les particules LDL li es aux r cepteurs LDL dans les fosses rev tues sont rapidement internalis es dans les v sicules rev tues. Apr s avoir perdu leur enveloppe de clathrine, les v sicules livrent leur contenu aux endosomes pr coces. Une fois que les r cepteurs LDL et LDL rencontrent le faible pH dans les endosomes pr coces, le LDL est lib r de son r cepteur et est d livr via les endosomes tardifs aux lysosomes. L , les esters cholest raux dans les particules de LDL sont hydrolys s en cholest rol libre, qui est maintenant |
Biologie moléculaire de la cellule | disponible pour la cellule pour la synth se de nouvelles membranes (film 13.3). Si une trop grande quantit de cholest rol libre s'accumule dans une cellule, celle-ci arr te la fois la synth se de son propre cholest rol et la synth se des r cepteurs LDL, de sorte qu'elle cesse la fois de produire ou d'absorber du cholest rol. Cette voie r gul e pour l'absorption du cholest rol est perturb e chez les individus qui h ritent de g nes d fectueux codant pour les r cepteurs LDL. Les taux lev s de cholest rol sanguin qui en r sultent pr disposent ces personnes d velopper l'ath roscl rose pr matur ment, et beaucoup mourraient un jeune ge de crises cardiaques r sultant d'une maladie coronarienne s'ils n' taient pas trait s avec des m dicaments tels que les statines qui abaissent le taux de cholest rol sanguin. Dans certains cas, le r cepteur est compl tement absent. Chez d'autres, les r cepteurs sont d fectueux, soit dans le site de liaison extracellulaire pour le LDL, soit dans le Figure 13 50 Repr sentation sch matique de la macropinocytose. Les v nements de signalisation cellulaire conduisent une reprogrammation de la dynamique de l'actine, qui son tour d clenche la formation de volants la surface cellulaire. Lorsque les volants s'effondrent la surface de la cellule, ils pi gent de mani re non sp cifique le liquide extracellulaire et les macromol cules et particules qu'il contient, formant de grandes vacuoles, ou macropinosomes, comme indiqu . Figure 13 51 Une particule de lipoprot ines de basse densit (LDL). Chaque particule sph rique a une masse de 3 106 daltons. Il contient un noyau d'environ 1500 mol cules de cholest rol est rifi es en acides gras longue cha ne. Une monocouche lipidique compos e d'environ 800 mol cules de phospholipides et de 500 mol cules de cholest rol non est rifi es entoure le noyau des esters cholest riques. Une seule mol cule de l'apolipoprot ine B, une prot ine semblable une ceinture de Dalton de 500 000 daltons, organise la particule et m die la liaison sp cifique de la LDL aux r cepteurs LDL la surface cellulaire. site de liaison intracellulaire qui attache la prot ine adaptatrice du r cepteur AP2 dans les fosses recouvertes de clathrine. Dans ce dernier cas, un nombre normal de r cepteurs LDL est pr sent, mais ils ne parviennent pas se localiser dans les fosses recouvertes de clathrine. Bien que le LDL se lie la surface de ces cellules mutantes, il n'est pas internalis , ce qui d montre directement l'importance des fosses enrob es de clathrine pour l'endocytose du cholest rol m di e par les r cepteurs. Plus de 25 r cepteurs distincts sont connus pour participer l'endocytose m di e par les r cepteurs de diff rents types de mol cules. Ils utilisent tous apparemment des voies d'internalisation d pendantes de la clathrine et sont guid s dans des fosses recouvertes de clathrine par des signaux dans leurs queues cytoplasmiques qui se lient aux prot ines adaptatrices de l'enveloppe de la clathrine. Beaucoup de ces r cepteurs, comme le r cepteur LDL, p n trent dans les fosses enrob es, qu'ils aient ou non li leurs ligands sp cifiques. D'autres entrent pr f rentiellement lorsqu'ils sont li s un ligand sp cifique, ce qui sugg re qu'un changement conformationnel induit par le ligand est n cessaire pour qu'ils activent la s quence de signaux qui les guide dans les fosses. tant donn que la plupart des prot ines de la membrane plasmique ne parviennent pas se concentrer dans les fosses recouvertes de clathrine, les fosses servent de filtres mol culaires, collectant pr f rentiellement certaines prot ines de la membrane plasmique (r cepteurs) par rapport d'autres. Des tudes au microscope lectronique de cellules cultiv es expos es simultan ment diff rents ligands marqu s d montrent que de nombreux types de r cepteurs peuvent se regrouper dans la m me fosse rev tue, tandis que d'autres r cepteurs se regroupent dans diff rentes fosses recouvertes de clathrine. La membrane plasmique d'une fosse recouverte de clathrine peut accueillir plus de 100 r cepteurs de vari t s vari es. Des prot ines sp cifiques sont extraites des endosomes pr coces et renvoy es la membrane plasmique Les endosomes pr coces sont la principale station de tri dans la voie endocytaire, tout comme les r seaux cis et trans Golgi remplissent cette fonction dans la voie s cr toire. Dans l'environnement l g rement acide de l'endosome pr coce, de nombreuses prot ines r ceptrices internalis es modifient leur conformation et lib rent leur ligand, comme nous l'avons d j vu pour les r cepteurs M6P. Les ligands endocytos s qui se dissocient de leurs r cepteurs dans l'endosome pr coce sont g n ralement vou s la destruction dans les lysosomes (bien que le cholest rol soit une exception, comme nous venons de le voir), ainsi que les autres contenus solubles de l'endosome. Cependant, d'autres ligands endocytos s restent li s leurs r cepteurs et partagent ainsi le sort de ces r cepteurs. |
Biologie moléculaire de la cellule | Dans l'endosome pr coce, le r cepteur LDL se dissocie de son ligand, le LDL, et est recycl dans la membrane plasmique pour tre r utilis , laissant le LDL d charg tre transport vers les lysosomes (Figure 13 52). Les v sicules de transport de recyclage bourgeonnent partir de tubules longs et troits qui s' tendent partir des premiers endosomes. Il est probable que la g om trie de ces tubules facilite le processus de tri : parce que les tubules ont une grande surface membranaire enfermant un petit volume, les prot ines membranaires s'enrichissent au fil des prot ines solubles. Les v sicules de transport renvoient le r cepteur LDL directement la membrane plasmique. Le r cepteur de la transferrine suit une voie de recyclage similaire celle du r cepteur LDL, mais contrairement au r cepteur LDL, il recycle galement son ligand. La transferrine est un Figure 13 52 L'endocytose m di e par les r cepteurs des LDL. Notez que le LDL se dissocie de ses r cepteurs dans l'environnement acide de l'endosome pr coce. Apr s un certain nombre d' tapes, le LDL se retrouve dans les endolysosomes et les lysosomes, o il est d grad pour lib rer du cholest rol libre. En revanche, les r cepteurs LDL sont renvoy s la membrane plasmique via des v sicules de transport qui se d tachent de la r gion tubulaire de l'endosome pr coce, comme on le voit. Pour simplifier, un seul r cepteur LDL est montr entrant dans la cellule et revenant dans la membrane plasmique. Qu'il soit occup ou non, un r cepteur LDL effectue g n ralement un aller-retour dans la cellule et vers la membrane plasmique toutes les 10 minutes, soit un total de plusieurs centaines de voyages au cours de sa dur e de vie de 20 heures. Prot ine qui transporte le fer dans le sang. Les r cepteurs de la transferrine la surface des cellules d livrent la transferrine avec son fer li aux endosomes pr coces par endocytose m di e par le r cepteur. Le faible pH dans l'endosome incite la transferrine lib rer son fer li , mais la transferrine sans fer elle-m me (appel e apotransferrine) reste li e son r cepteur. Le complexe r cepteur-apotransferrine p n tre dans les extensions tubulaires de l'endosome pr coce et de l , il est recycl vers la membrane plasmique. Lorsque l'apotransferrine revient au pH neutre du liquide extracellulaire, elle se dissocie du r cepteur et est ainsi lib r e pour ramasser plus de fer et recommencer le cycle. Ainsi, la transferrine fait la navette entre le liquide extracellulaire et les endosomes pr coces, vitant les lysosomes et fournissant du fer l'int rieur des cellules, selon les besoins de la croissance et de la prolif ration des cellules. Les r cepteurs de signalisation de la membrane plasmique sont r gul s la baisse par la d gradation dans les lysosomes Une deuxi me voie que les r cepteurs endocytos s peuvent suivre partir des endosomes est emprunt e par de nombreux r cepteurs de signalisation, y compris les r cepteurs opio des et le r cepteur qui se lie au facteur de croissance pidermique (EGF). L'EGF est une petite prot ine signal extracellulaire qui stimule la division des cellules de l' piderme et de diverses autres cellules. Contrairement aux r cepteurs LDL, les r cepteurs EGF ne s'accumulent dans les fosses recouvertes de clathrine qu'apr s s' tre li s leur ligand, et la plupart ne sont pas recycl s mais sont d grad s dans les lysosomes, avec l'EGF ing r . La liaison l'EGF active donc d'abord les voies de signalisation intracellulaires, puis entra ne une diminution de la concentration des r cepteurs EGF la surface de la cellule, un processus appel r gulation n gative des r cepteurs, qui r duit la sensibilit ult rieure de la cellule l'EGF (voir Figure 15-20). La r gulation n gative des r cepteurs est fortement r gul e. Les r cepteurs activ s sont d'abord modifi s de mani re covalente sur la face cytosolique avec la petite prot ine ubiquitine. Contrairement la polyubiquitylation, qui ajoute une cha ne d'ubiquitines qui cible g n ralement une prot ine pour la d gradation dans les prot asomes (discut e au chapitre 6), le marquage de l'ubiquitine pour le tri dans la voie endocytaire d pendante de la clathrine ajoute seulement une ou quelques mol cules d'ubiquitine uniques la prot ine un processus appel monoubiquitylation ou multiubiquitylation, respectivement. Les prot ines de liaison l'ubiquitine reconnaissent l'ubiquitine attach e et aident diriger les r cepteurs modifi s dans les fosses recouvertes de clathrine. Apr s l'administration l'endosome pr coce, d'autres prot ines de liaison l'ubiquitine qui font partie des complexes ESCRT (ESCRT = Endosome Sorting Complex Required for Transport) reconnaissent et trient les r cepteurs ubiquityl s en v sicules intralum nales, qui sont retenues dans l'endosome tardif en maturation (voir Figure 13-47). De cette fa on, l'ajout d'ubiquitine bloque le recyclage des r cepteurs dans la membrane plasmique et dirige les r cepteurs dans la voie de d gradation, |
Biologie moléculaire de la cellule | comme nous le verrons ensuite. Les compartiments endosomaux peuvent tre rendus visibles au microscope lectronique en ajoutant une mol cule traceur facilement d tectable, telle que l'enzyme peroxydase, au milieu extracellulaire et en laissant la cellule des dur es variables pour endocytoser le traceur. La distribution de la mol cule apr s son absorption r v le la s quence des v nements. Environ une minute apr s l'ajout du traceur, celui-ci commence appara tre dans les endosomes pr coces, juste sous la membrane plasmique (Figure 13 53). 5 15 minutes plus tard, il s'est d plac vers les endosomes tardifs, pr s de l'appareil de Golgi et pr s du noyau. La fa on dont les endosomes apparaissent pr cocement n'est pas tout fait claire, mais leur membrane et leur volume sont principalement d riv s de v sicules endocytaires entrantes qui fusionnent les unes avec les autres (film 13.4). Les endosomes pr coces sont relativement petits et patrouillent le cytoplasme sous-jacent la membrane plasmique dans des mouvements saccad s d'avant en arri re le long des microtubules, capturant les v sicules entrantes. En r gle g n rale, un endosome pr coce re oit des v sicules entrantes pendant environ 10 minutes, pendant lesquelles la membrane et le liquide sont rapidement recycl s vers la membrane plasmique. Cependant, une partie de la cargaison entrante s'accumule au cours de la vie de l'endosome pr coce, pour finalement tre incluse dans l'endosome tardif. 0,5 m Figure 13 53 Micrographie lectronique d'un endosome pr coce. L'endosome est marqu avec de la peroxydase de raifort endocytos e, un marqueur enzymatique largement utilis , d tect dans ce cas par un produit de r action forte densit d' lectrons. De nombreuses extensions tubulaires d passent de l'espace vacuolaire central de l'endosome pr coce, qui arrivera plus tard maturit pour donner naissance un endosome tardif. ( partir de J. Tooze et M. hollinshead, J. Cell Biol. 118:813-830, 1992.) Les endosomes pr coces ont des domaines tubulaires et vacuolaires (voir Figure 13 53). La majeure partie de la surface de la membrane se trouve dans les tubules et la majeure partie du volume se trouve dans le domaine vacuolaire. Au cours de la maturation de l'endosome, les deux domaines ont des destins diff rents : les parties vacuolaires de l'endosome pr coce sont conserv es et transform es en endosomes tardifs ; Les parties tubulaires r tr cissent. Les endosomes en cours de maturation, galement appel s corps multiv siculaires, migrent le long des microtubules vers l'int rieur des cellules, lib rant les tubules et les v sicules membranaires qui recyclent la mati re vers la membrane plasmique et le TGN, et recevant des prot ines lysosomales nouvellement synth tis es. Lorsqu'ils se concentrent dans une r gion p rinucl aire de la cellule, les corps multiv siculaires fusionnent les uns avec les autres, et finalement avec les endolysosomes et les lysosomes (voir Figure 13-47). De nombreux changements se produisent au cours du processus de maturation. (1) L'endosome change de forme et d'emplacement, car les domaines tubulaires sont perdus et les domaines vacuolaires sont profond ment modifi s. (2) Les prot ines rab, les lipides phosphoinositides, la machinerie de fusion (SNAREs et tethers) et les prot ines motrices des microtubules participent tous une transformation mol culaire de la face cytosolique de la membrane endosomale, modifiant les caract ristiques fonctionnelles de l'organite. (3) Une ATPase de type V dans la membrane de l'endosome pompe H+ du cytosol dans la lumi re de l'endosome et acidifie l'organite. De mani re cruciale, l'acidit croissante qui accompagne la maturation rend les hydrolases lysosomales de plus en plus actives, influen ant de nombreux interactions r cepteur-ligand, contr lant ainsi le chargement et le d chargement des r cepteurs. (4) Les v sicules intralum nales s questrent les r cepteurs de signalisation endocytos s l'int rieur de l'endosome, arr tant ainsi l'activit de signalisation du r cepteur. (5) Les prot ines lysosodiques sont d livr es du TGN l'endosome en cours de maturation. La plupart de ces v nements se produisent progressivement, mais finissent par conduire une transformation compl te de l'endosome en un endolysosome pr coce. En plus d'engager la cargaison s lectionn e pour la d gradation, le processus de maturation est important pour l'entretien des lysosomes. L'apport continu de composants lysosomiques du TGN aux endosomes en maturation assure un approvisionnement r gulier en nouvelles prot ines de lysosomes. Les mat riaux endocytos s se m langent aux endosomes pr coces avec les hydrolases acides nouvellement arriv es. Bien qu'une digestion l g re puisse commencer ici, de nombreuses hydrolases sont synth tis es et d livr es sous forme de proenzymes, appel es zymog nes, qui contiennent des domaines inhibiteurs suppl mentaires qui maintiennent les hydrolases inactives jusqu' ce que ces domaines soient lim |
Biologie moléculaire de la cellule | in s prot olytiquement aux stades ult rieurs de la maturation de l'endosome. De plus, le pH dans les endosomes pr coces n'est pas assez bas pour activer les hydrolases lysosomales. Par ces moyens, les cellules peuvent r cup rer les prot ines membranaires intactes des endosomes pr coces et les recycler dans la membrane plasmique. Les complexes prot iques EsCrT interviennent dans la formation des v sicules intralum nales dans les corps multiv siculaires Au fur et mesure que les endosomes m rissent, des plaques de leur membrane s'invaginent dans la lumi re de l'endosome et se pincent pour former des v sicules intra-lum nales. En raison de leur apparition au microscope lectronique, ces endosomes en maturation sont galement appel s corps multiv siculaires (Figure 13 54). Les corps multiv siculaires portent des prot ines membranaires endocytos es qui doivent tre d grad es. Dans le cadre du processus de tri des prot ines, les r cepteurs destin s la d gradation, tels que les r cepteurs EGF occup s d crits pr c demment, se r partissent s lectivement dans la membrane invaginante des corps multiv siculaires. De cette fa on, les r cepteurs et toutes les prot ines de signalisation qui leur sont fortement li es sont s questr s loin du cytosol o ils pourraient autrement continuer signaler. Ils sont galement rendus enti rement accessibles aux enzymes digestives qui finiront par les d grader (Figure 13 55). En plus des prot ines membranaires endocytos es, les corps multiv siculaires comprennent le contenu soluble des endosomes pr coces destin s aux endosomes tardifs et la digestion dans les lysosomes. Comme nous l'avons vu pr c demment, le tri dans les v sicules intralum nales n cessite un ou plusieurs marqueurs d'ubiquitine, qui sont ajout s aux domaines cytosoliques des prot ines membranaires. Ces marqueurs aident initialement guider les prot ines dans les v sicules recouvertes de clathrine dans la membrane plasmique. Une fois d livr s dans la membrane endosomale, les marqueurs d'ubiquitine sont nouveau reconnus, cette fois par une s rie de prot ines cytosoliques ESCRT de 0,5 m Figure 13 54 Micrographie lectronique d'un corps multiv siculaire. La grande quantit de membrane interne sera d livr e au lysosome, pour la digestion. (avec l'aimable autorisation d'Andrew Staehelin, d'apr s A. Driouich, A. Jauneau et L.A. Staehelin ; Plant Physiol. 113:487-492, 1997. Avec la permission de l'American Society of Plant Biologists.) (ESCRT-0, -I, -II et -III), qui se lient s quentiellement et finissent par arbitrer le processus de tri dans les v sicules intralum nales. L'invagination membranaire dans les corps multiv siculaires d pend galement d'une kinase lipidique qui phosphoryle le phosphatidylinositol pour produire PI(3)P, qui sert de site d'amarrage suppl mentaire pour les complexes ESCRT ; ces complexes n cessitent la fois PI(3)P et la pr sence de prot ines cargo ubiquityl es pour se lier la membrane endosomale. ESCRT-III forme de grands assemblages multim riques sur la membrane qui plient la membrane (Figure 13 56). Les cellules mutantes compromises dans la fonction ESCRT pr sentent des d fauts de signalisation. Dans de telles cellules, les r cepteurs activ s ne peuvent pas tre r gul s la baisse par l'endocytose et l'empaquetage dans des corps multiv siculaires. Les r cepteurs encore actifs m dient donc une signalisation prolong e, ce qui peut conduire une prolif ration cellulaire incontr l e et au cancer. Les processus qui fa onnent les membranes utilisent souvent des machines similaires. En raison de fortes similitudes dans leurs s quences de prot ines, les chercheurs pensent que les complexes ESCRT sont li s au cours de l' volution des composants qui m dient la d formation de la membrane cellulaire dans la cytokin se chez les arch es. De m me, la machinerie ESCRT qui entra ne le bourgeonnement interne de la membrane endosomique pour former des v sicules intralum nales est galement utilis e dans la cytokin se des cellules animales et le bourgeonnement du virus, qui sont topologiquement quivalents, car les deux processus impliquent un bourgeonnement loin de la surface cytosolique de la membrane (Figure 13-57). Le destin des r cepteurs endocytos s et de tous les ligands qui y restent li s varie en fonction du type sp cifique de r cepteur. Comme nous l'avons vu, la plupart des r cepteurs sont recycl s et renvoy s dans le m me domaine de membrane plasmique d'o ils proviennent ; certains se dirigent vers un domaine diff rent de la membrane plasmique, m diant ainsi la transcytose ; et certains progressent vers les lysosomes, o ils sont d grad s. Les r cepteurs la surface des cellules pith liales polaris es peuvent transf rer des macromol cules sp cifiques d'un espace extracellulaire un autre par transcytose. Un nouveau-n , par exemple, obtient des anticorps du lait de sa m re (qui l'aident se prot ger contre les infections) en les transportant travers l' pith lium de son in |
Biologie moléculaire de la cellule | testin. La lumi re de l'intestin est acide et, ce pH bas, les anticorps contenus dans le lait se lient des r cepteurs sp cifiques sur la surface apicale (absorbante) des cellules pith liales intestinales. Les complexes r cepteur-anticorps sont internalis s par des fosses recouvertes de clathrine et Figure 13 55 La s questration de prot ines endocytos es dans les v sicules intralum nales des corps multiv siculaires. Les prot ines membranaires ubiquityl es sont class es en domaines sur la membrane endosomale, qui s'invaginent et se pincent pour former des v sicules intralum nales. Le marqueur de l'ubiquitine est retir et renvoy dans le cytosol pour tre r utilis avant la fermeture de la v sicule intralum nale. Finalement, les prot ases et les lipases des lysosomes dig rent toutes les membranes internes. Les processus d'invagination sont essentiels pour la digestion compl te des prot ines membranaires endocytos es : parce que la membrane externe du corps multiv siculaire devient continue avec la membrane lysosomale, qui r siste aux hydrolases lysosomales ; Les hydrolases, par exemple, ne pourraient pas dig rer les domaines cytosoliques des prot ines transmembranaires endocytos es, telles que le r cepteur EGF montr ici, si la prot ine n' tait pas localis e dans les v sicules intralum nales. Figure 13 56 Tri des prot ines membranaires endocytos es dans les v sicules intralum nales d'un corps multiv siculaire. une s rie d' v nements de liaison complexes fait passer les prot ines de cargaison ubiquityl es s quentiellement d'un complexe escrT (escrT-0) l'autre, les concentrant finalement dans des zones membranaires qui bourgeonnent dans la lumi re de l'endosome pour former des v sicules intralum nales. escrT-III s'assemble en vastes structures multim riques et m die l'invagination. Les m canismes de la fa on dont les mol cules cargo sont conduites dans les v sicules et comment les v sicules se forment sans inclure les complexes escrT eux-m mes restent inconnus. Les complexes escrT sont solubles dans le cytosol, sont recrut s dans la membrane s quentiellement au besoin, puis sont rel ch s dans le cytosol lorsque la v sicule se pince. v sicules et sont d livr es aux endosomes pr coces. Les complexes restent intacts et sont r cup r s dans des v sicules de transport qui bourgeonnent partir de l'endosome pr coce et fusionnent ensuite avec le domaine basolat ral de la membrane plasmique. Lors de l'exposition au pH neutre du liquide extracellulaire qui baigne la surface basolat rale des cellules, les anticorps se dissocient de leurs r cepteurs et finissent par p n trer dans la circulation sanguine du b b . La voie transcytotique de l'endosome pr coce la membrane plasmique n'est pas directe. Les r cepteurs passent d'abord de l'endosome pr coce l'endosome de recyclage. La vari t des voies que les diff rents r cepteurs suivent partir des endosomes pr coces implique qu'en plus des sites de liaison pour leurs ligands et des sites de liaison pour les fosses rev tues, de nombreux r cepteurs poss dent galement des signaux de tri qui les guident dans la voie de transport appropri e (Figure 13 58). Les cellules peuvent r guler la lib ration de prot ines membranaires partir du recyclage des endosomes, ajustant ainsi le flux de prot ines par la voie transcytotique en fonction des besoins. Cette r gulation, dont le m canisme est incertain, permet aux endosomes de recyclage de jouer un r le important dans l'ajustement de la concentration de prot ines sp cifiques de la membrane plasmique. Les cellules adipeuses et les cellules musculaires, par exemple, contiennent de grands pools intracellulaires de transporteurs de glucose qui sont responsables de l'absorption du glucose travers la membrane plasmique. Ces prot ines de transport membranaire sont stock es dans des endosomes de recyclage sp cialis s jusqu' ce que l'hormone insuline stimule la cellule augmenter son taux d'absorption du glucose. En r ponse au signal de l'insuline, les v sicules de transport bourgeonnent rapidement de l'endosome de recyclage et d livrent un grand nombre de transporteurs de glucose la membrane plasmique, augmentant ainsi consid rablement le taux d'absorption du glucose dans la cellule (Figure 13 59). De m me, les cellules r nales r gulent l'insertion d'aquaporines et de V-ATPase dans la membrane plasmique pour augmenter l'excr tion d'eau et d'acide, respectivement, toutes deux en r ponse aux hormones. La phagocytose est une forme sp ciale d'endocytose dans laquelle une cellule utilise de grandes v sicules endocytaires appel es phagosomes pour ing rer de grosses particules telles que des micro-organismes et des cellules mortes. La phagocytose est distincte, la fois dans son but et dans son m canisme, de la macropinocytose, dont nous avons parl plus haut. Chez les protozoaires, la phagocytose est une forme d'alimentation : les grosses particules absorb es dans les phagosomes se retrouvent dans les lysosomes, et les produ |
Biologie moléculaire de la cellule | its des processus digestifs ult rieurs passent dans le cytosol pour tre utilis s comme nourriture. Cependant, peu de cellules d'organismes multicellulaires sont capables d'ing rer efficacement des particules aussi grosses. Dans l'intestin des animaux, par exemple, les processus extracellulaires d composent les particules alimentaires et les cellules importent les petits produits de l'hydrolyse. Figure 13 57 M canisme conserv dans la formation de corps multiv siculaires et le bourgeonnement du virus. Dans les deux processus topologiquement quivalents indiqu s par les fl ches, les complexes escrT (non illustr s) fa onnent les membranes en bourgeons qui se gonflent en s' loignant du cytosol. Figure 13 58 Destins possibles des prot ines r ceptrices transmembranaires qui ont t endocytos es. Trois voies partir du compartiment endosomal pr coce dans une cellule pith liale sont repr sent es. Les r cepteurs r cup r s sont renvoy s (1) dans le m me domaine de la membrane plasmique d'o ils proviennent (recyclage) ou (2) via un endosome de recyclage vers un domaine diff rent de la membrane plasmique (transcytose). (3) Les r cepteurs qui ne sont pas sp cifiquement r cup r s partir d'endosomes pr coces ou de recyclage suivent la voie du compartiment endosomal vers les lysosomes, o ils sont d grad s (d gradation). Si le ligand endocytos avec son r cepteur reste li au r cepteur dans l'environnement acide de l'endosome, il partage le m me sort que le r cepteur ; Sinon, il est d livr aux lysosomes. Les endosomes de recyclage sont une tape sur la voie transcytotique. Dans l'exemple de transcytose montr ici, un r cepteur d'anticorps fc sur une cellule pith liale intestinale se lie l'anticorps et est endocytos , transportant finalement l'anticorps vers la membrane plasmique basolat rale. Le r cepteur est appel r cepteur fc parce qu'il se lie la partie fc de l'anticorps (voir le chapitre 24). Figure 13 59 Stockage des prot ines de la membrane plasmique dans les endosomes de recyclage. Les endosomes de recyclage peuvent servir de site de stockage intracellulaire pour des prot ines de membrane plasmique sp cialis es qui peuvent tre mobilis es au besoin. Dans l'exemple pr sent , la liaison de l'insuline au r cepteur de l'insuline d clenche une voie de signalisation intracellulaire qui provoque l'insertion rapide de transporteurs de glucose dans la membrane plasmique d'une cellule adipeuse ou musculaire, augmentant consid rablement son apport en glucose. La phagocytose est importante chez la plupart des animaux des fins autres que la nutrition, et elle est r alis e principalement par des cellules sp cialis es, appel es phagocytes professionnels. Chez les mammif res, deux classes importantes de globules blancs qui agissent comme des phagocytes professionnels sont les macrophages et les neutrophiles (film 13.5). Ces cellules se d veloppent partir de cellules souches h mopo tiques (discut es au chapitre 22), et elles ing rent des micro-organismes envahisseurs pour nous d fendre contre l'infection. Les macrophages jouent galement un r le important dans le pi geage des cellules s nescentes et des cellules mortes par apoptose (voir le chapitre 18). En termes quantitatifs, l' limination des cellules s nescentes et mortes est de loin la plus importante : nos macrophages, par exemple, phagocytent chaque jour plus de 1011 globules rouges s nescents chez chacun d'entre nous. Le diam tre d'un phagosome est d termin par la taille de ses particules ing r es, et ces particules peuvent tre presque aussi grandes que la cellule phagocytaire elle-m me (Figure 13-60). Les phagosomes fusionnent avec les lysosomes, et la mati re ing r e est alors d grad e. Les substances non digestibles restent dans les lysosomes, formant des corps r siduels qui peuvent tre excr t s des cellules par exocytose, comme mentionn pr c demment. Certains des composants internalis s de la membrane plasmique n'atteignent jamais le lysosome, car ils sont r cup r s du phagosome dans les v sicules de transport et renvoy s la membrane plasmique. Certaines bact ries pathog nes ont d velopp des m canismes labor s pour emp cher la fusion phagosome-lysosome. La bact rie Legionella pneumophila, par exemple, qui cause la maladie du l gionnaire (discut e au chapitre 23), injecte dans son malheureux h te une enzyme modifiant Rab qui fait que certaines prot ines Rab d tournent le trafic membranaire, emp chant ainsi la fusion phagosome-lysosome. La bact rie, ainsi pargn e de la d gradation lysosomale, reste dans le phagosome modifi , se d veloppant et se divisant comme un pathog ne intracellulaire, prot g du syst me immunitaire adaptatif de l'h te. La phagocytose est un processus d clench par la cargaison. C'est- -dire qu'il n cessite l'activation de r cepteurs de surface cellulaire qui transmettent des signaux l'int rieur de la cellule. Ainsi, pour tre phagocyt es, les particules doivent d'abord se lier la surface du phagocyte (bien que tout |
Biologie moléculaire de la cellule | es les particules qui se lient ne soient pas ing r es). Les phagocytes ont une vari t de r cepteurs de surface cellulaire qui sont fonctionnellement li s la machinerie phagocytaire de la cellule. Les d clencheurs les mieux caract ris s de la phagocytose sont les anticorps, qui nous prot gent en se liant la surface de micro-organismes infectieux (agents pathog nes) et en initiant une s rie d' v nements qui aboutissent la phagocytose de l'envahisseur. Lorsque les anticorps attaquent initialement un agent pathog ne, ils l'enrobent de mol cules d'anticorps qui se lient aux r cepteurs Fc la surface des macrophages et des neutrophiles, activant les r cepteurs pour inciter la cellule phagocytaire tendre les pseudopodes, qui engloutissent la particule et fusionnent leurs extr mit s pour former un phagosome (Figure 13-61A). La polym risation localis e de l'actine, initi e par les GTPases de la famille Rho et leurs Rho-GEF activateurs (discut e dans les chapitres 15 et 16), fa onne les pseudopodes. Les GTPases Rho activ es activent l'activit kinase des PI kinases locales pour produire PI(4,5)P2 dans la membrane (voir Figure 13-11), ce qui stimule la polym risation de l'actine. Pour sceller le phagosome et compl ter l'engloutissement, l'actine est d polym ris e par une PI 3-kinase qui convertit le PI(4,5)P2 en PI(3,4,5)P3, qui est n cessaire la fermeture Figure 13 60 Phagocytose par un macrophage. Micrographie lectronique balayage d'un macrophage de souris phagocytant deux globules rouges chimiquement modifi s. Les fl ches rouges pointent vers les bords des processus minces (pseudopodes) du macrophage qui s' tendent comme des colliers pour engloutir les globules rouges. (avec l'aimable autorisation de Jean Paul Revel.) PI(4,5)P2 PI(3,4,5)P3 du phagosome et peut galement contribuer remodeler le r seau d'actine pour aider favoriser l'invagination du phagosome en formation (Figure 13 61B). De cette fa on, la g n ration et la consommation ordonn es de phosphoinositides sp cifiques guident les tapes s quentielles de la formation des phagosomes. Plusieurs autres classes de r cepteurs favorisant la phagocytose ont t caract ris es. Certains reconnaissent les composants du compl ment, qui collaborent avec les anticorps pour cibler les microbes d truire (voir le chapitre 24). D'autres reconnaissent directement les oligosaccharides la surface de certains agents pathog nes. D'autres encore reconnaissent les cellules mortes par apoptose. Les cellules apoptotiques perdent la distribution asym trique des phospholipides dans leur membrane plasmique. En cons quence, la phosphatidyls rine charg e n gativement, qui est normalement confin e au feuillet cytosolique de la bicouche lipidique, est maintenant expos e l'ext rieur de la cellule, o elle aide d clencher la phagocytose de la cellule morte. Remarquablement, les macrophages phagocytent galement une vari t de particules inanim es, telles que des billes de verre ou de latex et des fibres d'amiante, mais ils ne phagocytent pas les cellules vivantes dans leur propre corps. Les cellules vivantes affichent des signaux ne me mange pas sous la forme de prot ines de surface cellulaire qui se lient aux r cepteurs inhibiteurs la surface des macrophages. Les r cepteurs inhibiteurs recrutent des tyrosine phosphatases qui antagonisent les v nements de signalisation intracellulaire n cessaires pour initier la phagocytose, inhibant ainsi localement le processus phagocytaire. Ainsi La phagocytose, comme de nombreux autres processus cellulaires, d pend d'un quilibre entre les signaux positifs qui activent le processus et les signaux n gatifs qui l'inhibent. On pense que les cellules apoptotiques obtiennent la fois des signaux mange-moi (comme la phosphatidyls rine expos e l'ext rieur) et qu'elles perdent leurs signaux ne me mangent pas , ce qui les fait tre phagocyt es tr s rapidement par les macrophages. Les cellules ing rent du liquide, des mol cules et des particules par endocytose, dans laquelle des r gions localis es de la membrane plasmique s'invaginent et se pincent pour former des v sicules endocytaires. Dans la plupart des cellules, l'endocytose internalise une grande partie de la membrane plasmique toutes les heures. Les cellules restent de la m me taille car la plupart des composants de la membrane plasmique (prot ines et lipides) qui sont endocytos s sont continuellement renvoy s la surface cellulaire par exocytose. Ce cycle endocytaire-exocytaire grande chelle est m di en grande partie par des fosses et des v sicules recouvertes de clathrine, mais les voies endocytaires ind pendantes de la clathrine y contribuent galement. Alors que de nombreuses mol cules endocytos es sont rapidement recycl es dans la membrane plasmique, d'autres finissent par se retrouver dans les lysosomes, o elles sont d grad es. La plupart des ligands endocytos s avec leurs r cepteurs se dissocient de leurs r cepteurs Figure 13 61 Un neutroph |
Biologie moléculaire de la cellule | ile remodelant sa membrane plasmique au cours de la phagocytose. a) une micrographie lectronique d'un neutrophile phagocytant une bact rie en cours de division. (b) l'extension du pseudopode et la formation du phagosome sont entra n es par la polym risation et la r organisation de l'actine, qui r pondent l'accumulation de phosphoinositides sp cifiques dans la membrane du phagosome en formation : pI(4,5)p2 stimule la polym risation de l'actine, ce qui favorise la formation de pseudopodes, puis pI(3,4,5)p3 d polym rise les filaments d'actine la base. (a, avec l'aimable autorisation de Dorothy F. Bainton, phagocytaire Mechanisms in health and disease, New York, Intercontinental Medical book corporation, 1971.) dans l'environnement acide de l'endosome et finissent par se retrouver dans les lysosomes, tandis que la plupart des r cepteurs sont recycl s via les v sicules de transport la surface de la cellule pour tre r utilis s. De nombreux r cepteurs de signalisation la surface des cellules sont marqu s avec l'ubiquitine lorsqu'ils sont activ s en liant leurs ligands extracellulaires. L'ubiquitylation guide les r cepteurs activ s dans des fosses recouvertes de clathrine, ceux-ci et leurs ligands sont efficacement internalis s et d livr s aux endosomes pr coces. Les endosomes pr coces se transforment rapidement en endosomes tardifs. Au cours de la maturation, des plaques de la membrane endosomale contenant des r cepteurs ubiquityl s s'invaginent et se pincent pour former des v sicules intralum nales. Ce processus est m di par les complexes ESCRT et s questre les r cepteurs loin du cytosol, ce qui met fin leur activit de signalisation. Les endosomes tardifs migrent le long des microtubules vers l'int rieur de la cellule o ils fusionnent les uns avec les autres et avec les lysosomes pour former des endolysosomes, o la d gradation se produit. Dans certains cas, le r cepteur et le ligand sont transf r s dans un domaine diff rent de la membrane plasmique, ce qui entra ne la lib ration du ligand une surface diff rente de son origine, un processus appel transcytose. Dans certaines cellules, les prot ines de la membrane plasmique endocytos es et les lipides peuvent tre stock s dans les endosomes de recyclage, aussi longtemps que n cessaire jusqu' ce qu'ils soient n cessaires. TransporT de la Trans golgI neTwork l'exTerIor cellulaire : exocyTosIs Apr s avoir examin les syst mes endocytaire et digestif interne de la cellule et les diff rents types de trafic membranaire entrant qui convergent vers les lysosomes, nous revenons maintenant l'appareil de Golgi et examinons les voies s cr toires qui m nent vers l'ext rieur de la cellule. Les v sicules de transport destin es la membrane plasmique quittent normalement le TGN en un flux constant sous forme de tubules de forme irr guli re. Les prot ines membranaires et les lipides de ces v sicules fournissent de nouveaux composants pour la membrane plasmique de la cellule, tandis que les prot ines solubles l'int rieur des v sicules sont s cr t es dans l'espace extracellulaire. La fusion des v sicules avec la membrane plasmique s'appelle l'exocytose. C'est la voie, par exemple, par laquelle les cellules s cr tent la plupart des prot oglycanes et des glycoprot ines de la matrice extracellulaire, comme nous l'avons vu au chapitre 19. Toutes les cellules ont besoin de cette voie s cr toire constitutive, qui fonctionne en continu (Vid o 13.6). Les cellules s cr toires sp cialis es, cependant, ont une deuxi me voie s cr toire dans laquelle les prot ines solubles et d'autres substances sont initialement stock es dans des v sicules s cr toires pour tre lib r es plus tard par exocytose. Il s'agit de la voie s cr toire r gul e, que l'on trouve principalement dans les cellules sp cialis es pour s cr ter rapidement des produits la demande, tels que les hormones, les neurotransmetteurs ou les enzymes digestives (Figure 13-62). Dans cette section, nous consid rons le r le de l'appareil de Golgi dans ces deux voies et comparons les deux m canismes de s cr tion. De nombreuses prot ines et lipides sont transport s automatiquement du r seau Transgolgi (Tgn) la surface cellulaire Une cellule capable de s cr ter r gul e doit s parer au moins trois classes de prot ines avant de quitter le TGN : celles destin es aux lysosomes (via les endosomes), celles destin es aux v sicules s cr toires et celles destin es tre administr es imm diatement la surface de la cellule (Figure 13-63). Nous avons d j discut de la fa on dont les prot ines destin es aux lysosomes sont marqu es avec M6P pour tre empaquet es dans des v sicules sp cifiques en partance, et on pense que des signaux analogues dirigent les prot ines s cr toires dans les v sicules s cr toires. La voie de s cr tion constitutive non s lective transporte la plupart des autres prot ines directement la surface de la cellule. tant donn que l'entr e dans cette voie ne n cessite pas de signal particulier, elle |
Biologie moléculaire de la cellule | est galement appel e voie par d faut. Ainsi, dans une cellule non polaris e telle qu'un globule blanc ou un fibroblaste, il semble que toute prot ine dans la lumi re de l'appareil de Golgi soit automatiquement transport e par la voie constitutive la surface de la cellule moins qu'elle ne soit sp cifiquement renvoy e au RE, conserv e en tant que prot ine r sidente dans l'appareil de Golgi lui-m me, ou s lectionn e pour les voies qui m nent la s cr tion r gul e ou aux lysosomes. Dans les cellules polaris es, o diff rents produits doivent tre livr s diff rents domaines de la surface cellulaire, nous verrons que les options sont plus complexes. v sicules s cr toires bourgeon du r seau Trans golgi Les cellules sp cialis es dans la s cr tion rapide de certains de leurs produits la demande concentrent et stockent ces produits dans des v sicules s cr toires (souvent appel es granules s cr toires noyau dense, car elles ont des noyaux denses lorsqu'elles sont observ es au microscope lectronique). Des v sicules s cr toires se forment partir du TGN et lib rent leur contenu vers l'ext rieur de la cellule par exocytose en r ponse des signaux sp cifiques. Le produit s cr t peut tre soit une petite mol cule (comme l'histamine ou un neuropeptide), soit une prot ine (comme une hormone ou une enzyme digestive). Les prot ines destin es aux v sicules s cr toires (appel es prot ines s cr toires) sont emball es dans des v sicules appropri es dans le TGN par un m canisme qui implique l'agr gation s lective des prot ines s cr toires. Des amas de mat riaux agr g s et denses en lectrons peuvent tre d tect s par microscopie lectronique dans la lumi re du TGN. Les signaux qui dirigent les prot ines s cr toires vers de tels agr gats ne sont pas bien d finis et peuvent tre tr s divers. Lorsqu'un g ne codant pour une prot ine s cr toire est exprim artificiellement dans une cellule s cr toire qui ne fabrique normalement pas la prot ine, la prot ine trang re est emball e de mani re appropri e dans des v sicules s cr toires. Ce constat Figure 13 62 Les voies s cr toires constitutives et r gul es. Les deux voies divergent dans le Tgn. La voie s cr toire constitutive fonctionne dans toutes les cellules. De nombreuses prot ines solubles sont continuellement s cr t es par la cellule par cette voie, qui alimente galement la membrane plasmique avec des lipides et des prot ines membranaires nouvellement synth tis s. Les cellules s cr toires sp cialis es ont galement une voie s cr toire r gul e, par laquelle les prot ines s lectionn es dans le Tgn sont d tourn es vers des v sicules s cr toires, o les prot ines sont concentr es et stock es jusqu' ce qu'un signal extracellulaire stimule leur s cr tion. La s cr tion r gul e de petites mol cules, telles que l'histamine et les neurotransmetteurs, se produit par une voie similaire ; Ces mol cules sont activement transport es du cytosol vers des v sicules s cr toires pr form es. L , ils sont souvent li s des macromol cules sp cifiques (prot oglycanes, pour l'histamine) afin qu'ils puissent tre stock s haute concentration sans g n rer une pression osmotique excessivement lev e. Figure 13 63 Les trois voies les mieux comprises de tri des prot ines dans le r seau trans Golgi. (1) les prot ines avec le marqueur mannose 6-phosphate (M6p) (voir figure 13-45) sont d tourn es vers les lysosomes (via les endosomes) dans les v sicules de transport recouvertes de clathrine. (2) Les prot ines dont les signaux les dirigent vers les v sicules s cr toires sont concentr es dans ces v sicules dans le cadre d'une voie s cr toire r gul e qui n'est pr sente que dans les cellules s cr toires sp cialis es. (3) Dans les cellules non polaris es, une voie de s cr tion constitutive d livre des prot ines sans caract ristiques particuli res la surface cellulaire. Dans les cellules polaris es, telles que les cellules pith liales, cependant, les prot ines s cr t es et de la membrane plasmique sont s lectivement dirig es vers le domaine de la membrane plasmique apicale ou basolat rale, de sorte qu'un signal sp cifique doit m dier au moins l'une de ces deux voies, comme nous le verrons plus loin. montre que, bien que les prot ines qu'une cellule individuelle exprime et emballe dans les v sicules s cr toires diff rent, elles contiennent des signaux de tri communs, qui fonctionnent correctement m me lorsque les prot ines sont exprim es dans des cellules qui ne les fabriquent pas normalement. On ne sait pas comment les agr gats de prot ines s cr toires sont s par s en v sicules s cr toires. Les v sicules s cr toires ont des prot ines uniques dans leur membrane, dont certaines pourraient servir de r cepteurs pour les prot ines agr g es dans le TGN. Cependant, les agr gats sont beaucoup trop gros pour que chaque mol cule de la prot ine s cr t e soit li e son propre r cepteur de cargaison, comme c'est le cas pour le transport des enzymes lysosomales. L'absorption des agr gats dans les v sicul |
Biologie moléculaire de la cellule | es s cr toires peut donc ressembler davantage l'absorption des particules par phagocytose la surface de la cellule, o la membrane plasmique se resserre autour de grandes structures. Initialement, la majeure partie de la membrane des v sicules s cr toires qui quittent le TGN n'est que faiblement enroul e autour des amas de prot ines s cr toires agr g es. Morphologiquement, ces v sicules s cr toires immatures ressemblent des citernes de Golgi trans dilat es qui se sont d tach es de la pile de Golgi. Au fur et mesure que les v sicules m rissent, elles fusionnent les unes avec les autres et leur contenu se concentre (Figure 13-64A), probablement la suite de la r cup ration continue de la membrane qui est recycl e en TGN et de l'acidification progressive de la lumi re v siculaire qui r sulte de la concentration croissante d'ATPases de type V dans la membrane v siculaire qui acidifient tous les organites endocytaires et exocytaires (voir Figure 13-37). Le degr de concentration des prot ines pendant la formation et la maturation des v sicules s cr toires n'est qu'une petite partie de la concentration totale de 200 400 fois de ces prot ines qui se produit apr s qu'elles ont quitt le RE. Les prot ines s cr toires et membranaires se concentrent lorsqu'elles se d placent du RE travers l'appareil de Golgi en raison d'un processus de r cup ration r trograde tendu m di par des v sicules de transport enrob es de COPI qui ram nent les prot ines solubles r sidentes du RE vers le RE. tout en excluant les prot ines s cr toires et membranaires (voir Figure 13 25). Le recyclage de la membrane est important pour le retour des composants de Golgi dans l'appareil de Golgi, ainsi que pour la concentration du contenu des v sicules s cr toires. Les v sicules qui interviennent dans cette r cup ration proviennent de bourgeons recouverts de clathrine la surface de v sicules s cr toires immatures, souvent observ es m me sur des v sicules s cr toires bourgeonnantes qui n'ont pas encore t pinc es de l'empilement de Golgi (Figure 13-64B). Parce que les derni res v sicules s cr toires matures sont si dens ment remplies de contenu, la cellule s cr toire peut d gorger rapidement de grandes quantit s de mat riel par exocytose lorsqu'elle est d clench e (Figure 13-65). Les pr curseurs des prot ines s cr toires sont trait s prot olytiquement lors de la formation des v sicules s cr toires La concentration n'est pas le seul processus auquel les prot ines s cr toires sont soumises mesure que les v sicules s cr toires m rissent. De nombreuses hormones prot iques et de petits neuropeptides, Figure 13 64 La formation des v sicules s cr toires. (a) Les prot ines s cr toires deviennent s gr gu es et fortement concentr es dans les v sicules s cr toires par deux m canismes. premi rement, ils s'agr gent dans l'environnement ionique du Tung ; Souvent, les agr gats deviennent plus condens s mesure que les v sicules s cr toires m rissent et que leur lumi re devient plus acide. Deuxi mement, les v sicules recouvertes de clathrine r cup rent l'exc s de membrane et le contenu lumineux pr sents dans les v sicules s cr toires immatures mesure que les v sicules s cr toires m rissent. (b) Cette micrographie lectronique montre des v sicules s cr toires se formant partir de la Tgn dans une cellule s cr trice d'insuline du pancr as. Des anticorps anti-clathrine conjugu s des sph res d'or (points noirs) ont t utilis s pour localiser les mol cules de clathrine. Les v sicules s cr toires immatures, qui contiennent la prot ine pr curseur de l'insuline (proinsuline), contiennent des plaques de clathrine, qui ne sont plus visibles sur la v sicule s cr toire mature. (B, avec l'aimable autorisation de Lelio Orci.) ainsi que de nombreuses enzymes hydrolytiques s cr t es, sont synth tis es sous forme de pr curseurs inactifs. La prot olyse est n cessaire pour lib rer les mol cules actives de ces prot ines pr curseurs. Les clivages se produisent dans les v sicules s cr toires et parfois dans le liquide extracellulaire apr s la s cr tion. De plus, de nombreuses prot ines pr curseurs ont un pro-peptide N-terminal qui est cliv pour produire la prot ine mature. Ces prot ines sont synth tis es sous forme de pr -pro-prot ines, le pr -peptide constitu du peptide signal du RE qui est cliv plus t t dans le RE rugueux (voir Figure 12-36). Dans d'autres cas, les mol cules de signalisation peptidique sont fabriqu es sous forme de polyprot ines qui contiennent plusieurs copies de la m me s quence d'acides amin s. Dans des cas encore plus complexes, une vari t de mol cules de signalisation peptidique sont synth tis es en tant que parties d'une seule polyprot ine qui agit comme un pr curseur pour plusieurs produits finaux, qui sont cliv s individuellement de la cha ne polypeptidique initiale. La m me polyprot ine peut tre trait e de diff rentes mani res pour produire diff rents peptides dans diff rents types de cellules (Figure 13-66). Pourquo |
Biologie moléculaire de la cellule | i le traitement prot olytique est-il si courant dans la voie s cr toire ? Certains des peptides produits de cette mani re, tels que les enk phalines (neuropeptides cinq acides amin s avec une activit semblable celle de la morphine), sont sans aucun doute trop courts dans leurs formes matures pour tre transport s de mani re co-traductionnelle dans la lumi re du RE ou pour inclure le signal n cessaire l'empaquetage dans les v sicules s cr toires. De plus, pour les enzymes hydrolytiques s cr t es ou toute autre prot ine dont l'activit pourrait tre nocive l'int rieur de la cellule qui la fabrique retarder l'activation de la prot ine jusqu' ce qu'elle atteigne une v sicule s cr toire, ou jusqu' ce qu'elle ait t s cr t e, pr sente un avantage certain : le retard emp che la prot ine d'agir pr matur ment l'int rieur de la cellule dans laquelle elle est synth tis e. les v sicules s cr toires attendent pr s de la membrane plasmique jusqu' ce qu'on leur signale de lib rer leur contenu Une fois charg e, une v sicule s cr toire doit atteindre le site de s cr tion, qui dans certaines cellules est loign du TGN. Les cellules nerveuses en sont l'exemple le plus extr me. Les prot ines s cr toires, telles que les neurotransmetteurs peptidiques (neuropeptides), qui seront lib r s par les terminaisons nerveuses l'extr mit de l'axone, sont fabriqu es et emball es dans des v sicules s cr toires dans le corps cellulaire. Ils se d placent ensuite le long de l'axone jusqu'aux terminaisons nerveuses, qui peuvent se trouver un m tre ou plus. Comme nous l'avons vu au chapitre 16, les prot ines motrices propulsent les v sicules le long des microtubules axonaux, dont l'orientation uniforme guide les v sicules dans la bonne direction. Les microtubules guident galement les v sicules de transport vers la surface cellulaire pour l'exocytose constitutive. Alors que les v sicules de transport contenant des mat riaux pour la lib ration constitutive fusionnent avec la membrane plasmique une fois qu'elles y arrivent, les v sicules s cr toires dans la voie r gul e attendent la membrane jusqu' ce que la cellule re oive un signal pour s cr ter, puis elles fusionnent. Le signal peut tre une impulsion nerveuse lectrique (un potentiel d'action) ou une mol cule de signal extracellulaire, telle qu'une hormone : dans les deux cas, il entra ne une augmentation transitoire de la concentration de Ca2+ libre dans le cytosol. pour l'exocytose rapide, les v sicules synaptiques sont amorc es au niveau de la membrane plasmique pr synaptique Les cellules nerveuses (et certaines cellules endocrines) contiennent deux types de v sicules s cr toires. Comme pour toutes les cellules s cr toires, ces cellules emballent les prot ines et les neuropeptides dans des v sicules s cr toires noyau dense de mani re standard pour tre lib r es par la voie s cr toire r gul e. De plus, cependant, ils utilisent une autre classe sp cialis e de minuscules ( 50 nm 0,2 m Figure 13 65 Exocytose des v sicules s cr toires. Le processus est illustr sch matiquement (en haut) et dans une micrographie lectronique qui montre la lib ration d'insuline partir d'une v sicule s cr toire d'une cellule de pancr atique. (Avec l'aimable autorisation de Lelio Orci, d'apr s L. Orci, J.-D. vassalli et A. Perrelet, Sci. Am. 259:85-94, 1988.) Figure 13 66 Voies de traitement alternatives pour la polyprot ine prohormone proopiom lanocortine. Les clivages initiaux sont faits par des prot ases qui coupent c t de paires d'acides amin s charg s positivement (lys-arg, lys- Paires lys, arg-lys ou arg-arg). Les r actions de parage produisent ensuite les produits finaux s cr t s. Diff rents types de cellules produisent des concentrations diff rentes d'enzymes de traitement individuelles, de sorte que le m me pr curseur de prohormone est cliv pour produire diff rentes hormones peptidiques. Dans le lobe ant rieur de l'hypophyse, par exemple, seules la corticotrophine (acTh) et la -lipotropine sont produites partir de la proopiom lanocortine, tandis que dans le lobe interm diaire de l'hypophyse, la -hormone stimulant les m lanocytes ( -Msh), la -lipotropine, la -Msh et la -endorphine sont produites - -Msh partir de l'acTh et les trois autres partir de la -lipotropine, comme indiqu . pr synaptique (B) 1. AMARRAGE pr synaptique 2. AMOR AGE I partiellement membrane plasmique Offre group e de SNARE 3. AMOR AGE II4. OPENING5 DES PORES DE FUSION. FUSION COMPLETE complexin lib r complexin-Ca2+ Figure 13 67 Exocytose des v sicules synaptiques. Pour l'orientation au niveau d'une synapse, voir la figure 11-36. (a) Le complexe trans-pi ge responsable de l'amarrage des v sicules synaptiques au niveau de la membrane plasmique des terminaisons nerveuses est constitu de trois prot ines. La synaptobr pine v-snare et la syntaxine t-snare sont toutes deux des prot ines transmembranaires, et chacune contribue une h lice au complexe. contrairement d'autres pi ges |
Biologie moléculaire de la cellule | voqu s pr c demment, le t-snare snaP25 est une prot ine membranaire p riph rique qui contribue deux h lices au faisceau quatre h lices ; Les deux h lices sont reli es par une boucle (ligne pointill e) qui se trouve parall lement la membrane et a des cha nes acyles grasses (non illustr es) attach es pour l'y ancrer. Les quatre h lices sont repr sent es sous forme de tiges pour plus de simplicit . (b) Au niveau de la synapse, la machinerie de base du pi ge est modul e par le capteur CA2+ Synaptotagmin et une prot ine suppl mentaire appel e complexine. Les v sicules synaptiques s'ancrent d'abord la membrane ( tape 1), et le faisceau de collet s'assemble partiellement ( tape 2), ce qui donne une v sicule amorc e qui est d j attir e pr s de la membrane. Le faisceau de collet s'assemble davantage, mais la liaison suppl mentaire de complexine emp che la fusion ( tape 3). l'arriv e d'un potentiel d'action, le Ca2+ p n tre dans la cellule et se lie Synaptotagmine, qui lib re le bloc et ouvre un pore de fusion ( tape 4). D'autres r arrangements compl tent la r action de fusion ( tape 5) et lib rent la machinerie de fusion, qui peut maintenant tre r utilis e. Cet arrangement labor permet la machinerie de fusion de r pondre l' chelle de temps de la milliseconde, essentielle pour une signalisation synaptique rapide et r p titive. (a, adapt de R.B. Sutton et al., Nature 395:347 353, 1998. avec la permission de Macmillan publishers ltd. ; b, adapt de Z.p. pang et T.c. s dhof, Curr. Opin. Cell Biol. 22:496-505, 2010. avec l'autorisation d'Elsevier.) diam tre) v sicules s cr toires appel es v sicules synaptiques. Ces v sicules stockent de petites mol cules de neurotransmetteurs, telles que l'ac tylcholine, le glutamate, la glycine et l'acide -aminobutyrique (GABA), qui m dient la signalisation rapide de la cellule nerveuse sa cellule cible au niveau des synapses chimiques. Lorsqu'un potentiel d'action arrive une terminaison nerveuse, il provoque un afflux de Ca2+ travers les canaux Ca2+ voltage-d pendants, ce qui d clenche la fusion des v sicules synaptiques avec la membrane plasmique et la lib ration de leur contenu dans l'espace extracellulaire (voir Figure 11-36). Certains neurones se d clenchent plus de 1000 fois par seconde, lib rant des neurotransmetteurs chaque fois. La vitesse de lib ration de l' metteur (qui ne prend que quelques millisecondes) indique que les prot ines m diatrices de la r action de fusion ne subissent pas de r arrangements complexes en plusieurs tapes. Au contraire, une fois que les v sicules ont t arrim es la membrane plasmique pr synaptique, elles subissent une tape d'amor age, qui les pr pare une fusion rapide. l' tat amorc , les SNARE sont partiellement appari s, leurs h lices ne sont pas compl tement enroul es dans le dernier faisceau de quatre h lices requis pour la fusion (Figure 13 67). Des prot ines appel es complexines g lent les complexes SNARE dans cet tat m tastable. Le frein impos par les complexines est lib r par une autre prot ine de la v sicule synaptique, la synaptotagmine, qui contient des domaines de liaison au Ca2+. Une augmentation du Ca2+ cytosolique d clenche la liaison de la synaptotagmine aux phospholipides et aux SNARE, d pla ant les complexines. Lorsque le faisceau SNARE se ferme compl tement, un pore de fusion s'ouvre et les neurotransmetteurs sont lib r s. Au niveau d'une synapse typique, seul un petit nombre de v sicules amarr es sont amorc es et pr tes pour l'exocytose. L'utilisation d'un petit nombre de v sicules la fois permet chaque synapse de se d clencher encore et encore en succession rapide. chaque tir, de nouvelles v sicules synaptiques s'amarrent et sont pr tes remplacer celles qui ont fusionn et lib r leur contenu. Pour que la terminaison nerveuse r ponde rapidement et de mani re r p t e, les v sicules synaptiques doivent tre reconstitu es tr s rapidement apr s leur d charge. Ainsi, la plupart des v sicules synaptiques ne sont pas g n r es partir de la membrane de Golgi dans le corps de la cellule nerveuse, mais par recyclage local partir de la membrane plasmique pr synaptique dans les terminaisons nerveuses (Figure 13-68). De m me, les composants membranaires nouvellement fabriqu s des v sicules synaptiques sont d'abord d livr s la membrane plasmique par la voie s cr toire constitutive, puis r cup r s par endocytose. Mais au lieu de fusionner avec les endosomes, la plupart des v sicules endocytaires se remplissent imm diatement de neurotransmetteurs pour devenir des v sicules synaptiques. Les composants membranaires d'une v sicule synaptique comprennent des transporteurs sp cialis s dans l'absorption des neurotransmetteurs du cytosol, o les neurotransmetteurs petites mol cules qui interviennent dans la signalisation synaptique rapide sont synth tis s. Une fois remplies de neurotransmetteur, les v sicules synaptiques peuvent tre utilis es nouveau (voir Figure 13-68). Parce que |
Biologie moléculaire de la cellule | les v sicules synaptiques sont abondantes et de taille relativement uniforme, elles peuvent tre purifi es en grand nombre et, par cons quent, sont l'organite le mieux caract ris de la cellule, en ce sens que tous leurs composants membranaires ont t identifi s par des analyses prot omiques quantitatives (Figure 13-69). L'extension de cette analyse un terminal pr synaptique complet nous permet de mod liser l'environnement encombr dans lequel ces r actions se produisent. v sicule s cr toire Les composants de la membrane sont rapidement retir s de la membrane plasmique Lorsqu'une v sicule s cr toire fusionne avec la membrane plasmique, son contenu est vacu de la cellule par exocytose, et sa membrane devient une partie de la membrane plasmique. Bien que cela devrait augmenter consid rablement la surface de la membrane plasmique, cela ne le fait que de mani re transitoire, car les composants de la membrane sont limin s de la surface par endocytose presque aussi rapidement qu'ils sont ajout s par exocytose, un processus qui rappelle le cycle endocytaire-exocytaire discut pr c demment. Apr s leur retrait de la membrane plasmique, les prot ines de la s cr toire Figure 13 68 La formation de v sicules synaptiques dans une cellule nerveuse. Ces minuscules v sicules uniformes ne se trouvent que dans les cellules nerveuses et dans certaines cellules endocrines, o elles stockent et s cr tent des neurotransmetteurs petites mol cules. L'importation de neurotransmetteurs directement dans les petites v sicules endocytaires qui se forment partir de la membrane plasmique est m di e par des transporteurs membranaires qui fonctionnent comme des antiports et sont entra n s par un gradient h+ maintenu par des pompes v-aTpase h+ dans la membrane v siculaire (discut au chapitre 11). Figure 13 69 Mod les r duits d'une terminaison pr synaptique c r brale et d'une v sicule synaptique. Les illustrations montrent des coupes travers une terminaison pr -synaptique (a ; largie en b) et une v sicule synaptique (c) dans laquelle les prot ines et les lipides sont dessin s l' chelle en fonction de leur st chiom trie connue et de structures connues ou approch es. La localisation relative des mol cules de prot ines dans diff rentes r gions de la terminaison pr synaptique a t d duite de l'imagerie super-r solution et de la microscopie lectronique. Le mod le en (a) contient 300 000 prot ines de 60 types diff rents dont l'abondance varie de 150 20 000 copies. Dans le mod le en (c), seulement 70% des prot ines membranaires pr sentes dans la membrane sont repr sent es ; un mod le complet montrerait donc une membrane encore plus encombr e que ce que cette image sugg re (Vid o 13.7). Chaque membrane de v sicule synaptique contient 7000 mol cules de phospholipides et 5700 mol cules de cholest rol. Chacun contient galement pr s de 50 mol cules de prot ines membranaires int grales diff rentes, dont l'abondance relative varie consid rablement et contribuent ensemble environ 600 h lices transmembranaires. La synaptobr pine transmembranaire v-snare est la prot ine la plus abondante dans la v sicule (~70 copies par v sicule). en revanche, la v-aTpase, qui utilise l'hydrolyse de l'aTp pour pomper h+ dans la lumi re de la v sicule, est pr sente en 1 2 copies par v sicule. Le gradient h+ fournit l' nergie n cessaire l'importation de neurotransmetteurs par un antiport h+/neurotransmetteur, qui charge chaque v sicule de 1800 mol cules de neurotransmetteurs, comme le glutamate, dont l'une est montr e l' chelle. (A et B, d'apr s B.G. Wilhelm et al., Science 344:1023 1028, 2014. avec l'autorisation de l'AAAS ; c, adapt de S. Takamori et al., Cell 127:831 846, 2006. avec l'autorisation d'Elsevier.) Les membranes v siculaires sont soit recycl es, soit transmises aux lysosomes pour la d gradation. La quantit de membrane v siculaire s cr toire qui est temporairement ajout e la membrane plasmique peut tre norme : dans un acineux pancr atique cellule d chargeant les enzymes digestives pour les livrer la lumi re intestinale, environ 900 m2 de membrane v siculaire sont ins r s dans la membrane plasmique apicale (dont la zone n'est que de 30 m2) lorsque la cellule est stimul e s cr ter. Le contr le du trafic membranaire joue donc un r le majeur dans le maintien de la composition des diff rentes membranes de la cellule. Pour maintenir chaque compartiment entour d'une membrane dans les voies s cr toires et endocytaires une taille constante, l' quilibre entre les flux sortants et entrants de la membrane doit tre r gul avec pr cision. Cependant, pour que les cellules se d veloppent, le flux vers l'avant doit tre sup rieur au flux r trograde, afin que la membrane puisse augmenter en surface. Pour que les cellules conservent une taille constante, les flux direct et r trograde doivent tre gaux. Nous savons encore tr s peu de choses sur les m canismes qui coordonnent ces flux. certains v nements d'exocytose r gul s ser |
Biologie moléculaire de la cellule | vent largir la membrane plasmique Une t che importante de l'exocytose r gul e consiste fournir plus de membrane pour agrandir la surface de la membrane plasmique d'une cellule lorsque un tel besoin se fait sentir. Un exemple spectaculaire est l'expansion de la membrane plasmique qui se produit pendant le processus de cellularisation chez un embryon de mouche, qui est initialement un syncytium, une cellule unique contenant environ 6000 noyaux entour s d'une seule membrane plasmique (voir Figure 21-15). En quelques dizaines de minutes, l'embryon est converti en le m me nombre de cellules. Ce processus de cellularisation n cessite une grande quantit de nouvelle membrane plasmique, qui est ajout e par une fusion soigneusement orchestr e de v sicules cytoplasmiques, formant finalement les membranes plasmiques qui entourent les cellules s par es. Des v nements similaires de fusion v siculaire sont n cessaires pour largir la membrane plasmique lorsque d'autres cellules animales ou v g tales se divisent pendant la cytokin se (discut au chapitre 17). De nombreuses cellules animales, en particulier celles soumises des contraintes m caniques, subissent fr quemment de petites ruptures de leur membrane plasmique. Dans un processus remarquable qui impliquerait la fois la fusion homotypique v sicule-v sicule et l'exocytose, un patch temporaire de surface cellulaire est rapidement fa onn partir de sources membranaires internes disponibles localement, telles que les lysosomes. En plus de fournir une barri re d'urgence contre les fuites, le patch r duit la tension de la membrane sur la zone bless e, permettant la bicouche de refluer pour r tablir la continuit et sceller la perforation. Ce processus de r paration membranaire, la fusion et l'exocytose des v sicules est d clench par l'augmentation soudaine de Ca2+, qui est abondant dans l'espace extracellulaire et s'engouffre dans la cellule d s que la membrane plasmique est perfor e. La figure 13-70 montre quatre exemples dans lesquels l'exocytose r gul e conduit l'expansion de la membrane plasmique. cellules polaris es dirigent les prot ines du r seau Trans Golgi vers le domaine appropri de la membrane plasmique La plupart des cellules des tissus sont polaris es, avec deux ou plusieurs domaines de membrane plasmique distincts sur le plan mol culaire et fonctionnel. Cela soul ve le probl me g n ral de savoir comment le Figure 13 70 Quatre exemples d'exocytose r gul e conduisant une hypertrophie de la membrane plasmique. On pense que les v sicules qui fusionnent avec la membrane plasmique pendant la cytokin se (a) et la phagocytose (b) sont d riv es des endosomes, tandis que celles impliqu es dans la r paration des plaies (c) peuvent tre d riv es des membranes plasmiques. La grande quantit de nouvelle membrane plasmique ins r e lors de la cellularisation dans un embryon de mouche se produit par la fusion des v sicules cytoplasmiques (d). La distribution de la membrane partir de l'appareil de Golgi est organis e de mani re maintenir les diff rences entre un domaine de surface cellulaire et un autre. Une cellule pith liale typique, par exemple, a un domaine apical, qui fait face soit une cavit interne, soit au monde ext rieur et pr sente souvent des caract ristiques sp cialis es telles que des cils ou une bordure en brosse de microvillosit s. Il poss de galement un domaine basolat ral, qui couvre le reste de la cellule. Les deux domaines sont s par s par un anneau de jonctions serr es (voir Figure 19-21), qui emp chent les prot ines et les lipides (dans le feuillet externe de la bicouche lipidique) de se diffuser entre les deux domaines, de sorte que les diff rences entre les deux domaines sont maintenus. En principe, les diff rences entre les domaines de la membrane plasmique ne doivent pas n cessairement d pendre de l'administration cibl e des composants membranaires appropri s. Au lieu de cela, les composants de la membrane pourraient tre livr s toutes les r gions de la surface cellulaire sans distinction, mais ensuite tre stabilis s de mani re s lective certains endroits et limin s de mani re s lective d'autres. Bien que cette strat gie d'administration al atoire suivie d'une r tention ou d'une limination s lective semble tre utilis e dans certains cas, les livraisons sont souvent sp cifiquement dirig es vers le domaine membranaire appropri . Les cellules pith liales qui tapissent l'intestin, par exemple, s cr tent des enzymes digestives et du mucus leur surface apicale et des composants de la lame basale leur surface basolat rale. De telles cellules doivent avoir des moyens de diriger des v sicules transportant diff rentes cargaisons vers diff rents domaines de la membrane plasmique. Les prot ines du RE destin es diff rents domaines voyagent ensemble jusqu' ce qu'elles atteignent le TGN, o elles sont s par es et exp di es dans des v sicules s cr toires ou de transport vers le domaine de membrane plasmique approp |
Biologie moléculaire de la cellule | ri (Figure 13 71). La membrane plasmique apicale de la plupart des cellules pith liales est consid rablement enrichie en glycosphingolipides, qui aident prot ger cette surface expos e contre les dommages, par exemple, des enzymes digestives et du faible pH dans des sites tels que l'intestin ou l'estomac, respectivement. De m me, les prot ines de la membrane plasmique qui sont li es la bicouche lipidique par une ancre GPI (voir Figure 12-52) se trouvent principalement dans la membrane plasmique apicale. Si des techniques d'ADN recombinant sont utilis es pour attacher une ancre GPI une prot ine qui serait normalement d livr e la surface basolat rale, la prot ine est g n ralement d livr e la surface apicale la place. On pense que les prot ines ancr es par GPI sont dirig es vers la membrane apicale car elles s'associent aux glycosphingolipides dans les radeaux lipidiques qui se forment dans la membrane du TGN. Comme nous l'avons vu au chapitre 10, des radeaux lipidiques se forment dans le TGN et la membrane plasmique lorsque les glycosphingolipides et les mol cules de cholest rol s'auto-associent (voir la figure 10-13). Figure 13 71 Deux fa ons de trier les prot ines de la membrane plasmique dans une cellule pith liale polaris e. (a) Dans la voie directe, les prot ines destin es diff rents domaines de la membrane plasmique sont tri es et emball es dans diff rentes v sicules de transport. Le syst me d'administration d pendant des radeaux lipidiques vers le domaine apical d crit dans le texte est un exemple de la voie directe. (b) Dans la voie indirecte, une prot ine est r cup r e dans le domaine inappropri de la membrane plasmique par endocytose, puis transport e vers le domaine correct via les endosomes pr coces, c'est- -dire par transcytose. La voie indirecte, par exemple, est utilis e dans les h patocytes h patiques pour d livrer des prot ines au domaine apical qui tapisse les voies biliaires. Apr s avoir s lectionn un ensemble unique de mol cules de chargement, les radeaux bourgeonnent ensuite du TGN que nous ne connaissons pas dans des v sicules de transport destin es la membrane plasmique apicale. Ce processus est similaire la r partition s lective de certaines prot ines membranaires dans les domaines lipidiques sp ciaux cibl s et fusionn s dans les cav oles de la membrane plasmique discut e pr c demment. prot ines telles que les caisses claires r gul es, Les prot ines membranaires destin es tre achemin es vers la membrane basolat rale sont destin es tre renvoy es leurs signaux de tri dans leur queue cytosolique. Lorsqu'il est pr sent dans des compartiments donneurs appropri s dans un tat inactif ? Dans un contexte naturel, ces signaux sont reconnus par des prot ines d'enveloppe qui les empaquettent dans des v sicules de transport appropri es dans le TGN. Les m mes signaux basolat raux qui sont reconnus dans le TGN fonctionnent galement dans les endosomes pr coces pour rediriger les prot ines et les v nements endocytaires afin de garder son dos la membrane plasmique basolat rale apr s qu'ils aient t endocytos s. membrane plasmique de taille constante ? R sum Les cellules filles nouvellement form es peuvent-elles g n rer un appareil de Golgi de novo, ou doivent-elles en h riter ? ion. Alors que les voies r gul es ne fonctionnent que dans les cellules s cr toires sp cialis es, une voie s cr toire constitutive op re dans toutes les cellules eucaryotes, caract ris e par un transport continu des v sicules du TGN la membrane plasmique. Dans le r gul leurs propres membranes ? voies, les mol cules sont stock es soit dans des v sicules s cr toires, soit dans des v sicules synaptiques, qui ne fusionnent pas avec la membrane plasmique pour lib rer leur contenu jusqu' ce qu'elles comment une cellule maintient-elle le recevoir un signal appropri . V sicules s cr toires contenant des prot ines pour la s cr tion de la bonne quantit de chaque bourgeon composant du TGN. Les prot ines s cr toires se concentrent au cours de la formation (organites, mol cules), et comment se fait tion et maturation des v sicules s cr toires. Les v sicules synaptiques, qui sont confin es il modifie ces quantit s selon les besoins des cellules nerveuses et certaines cellules endocrines, se forment partir des v sicules endocytaires et de (par exemple, pour largir consid rablement le r ticulum endoplasmique lorsque les endosomes cellulaires, et ils m dient la s cr tion r gul e de petites mol cules neurotrans doit produire de grandes quantit s de mitters aux terminaisons axonales des cellules nerveuses. prot ines s cr t es) ? Les prot ines sont d livr es du TGN la membrane plasmique par la voie constitutive, moins qu'elles ne soient d tourn es vers d'autres voies ou retenues dans l'appareil de Golgi. Dans les cellules polaris es, les voies de transport du TGN la membrane plasmique fonctionnent de mani re s lective pour s'assurer que diff rents ensembles de prot ines membranaires, |
Biologie moléculaire de la cellule | de prot ines s cr t es et de lipides sont d livr s aux diff rents domaines de la membrane plasmique. Quelles d clarations sont vraies ? Expliquez pourquoi ou pourquoi pas. Dans tous les v nements impliquant la fusion d'une v sicule une membrane cible, les feuillets cytosoliques de la v sicule et des bicouches cibles fusionnent toujours, de m me que les feuillets qui ne sont pas en contact avec le cytosol. 13 2 Il existe une exigence stricte pour la sortie d'une prot ine du RE : elle doit tre correctement repli e. 13 3 Toutes les glycoprot ines et les glycolipides des membranes intracellulaires ont des cha nes oligosaccharidiques orient es vers le c t lum nal, et tous ceux de la membrane plasmique ont des cha nes oligosaccharidiques orient es vers l'ext rieur de la cellule. Discutez des probl mes suivants. 13-4 Dans une cellule non divis e telle qu'une cellule h patique, pourquoi le flux de membrane entre les compartiments doit-il tre quilibr , de sorte que les voies de r cup ration correspondent au flux sortant ? Vous attendriez-vous au m me flux quilibr dans une cellule pith liale intestinale, qui se divise activement ? 13 5 Les virus envelopp s, qui ont une couche membranaire, acc dent au cytosol en fusionnant avec une membrane cellulaire. Pourquoi pensez-vous que ces virus codent leur propre prot ine de fusion sp ciale, plut t que d'utiliser les SNARE d'une cellule ? 13 6 Pour qu'une fusion d'une v sicule avec sa membrane cible se produise, les membranes doivent tre ramen es moins de 1,5 nm afin que les deux bicouches puissent se joindre (Figure Q13 1). En supposant que les parties pertinentes des deux membranes au site de fusion sont des r gions circulaires de 1,5 nm de diam tre, calculez le nombre de mol cules d'eau qui resteraient entre les membranes. (L'eau est de 55,5 M et le volume d'un cylindre est de r2h.) tant donn qu'un phospholipide moyen de 1,5 nm Figure Q13 1 Approche rapproch e d'une v sicule et de sa membrane cible en pr paration de la fusion (probl me 13 6). occupe une surface membranaire de 0,2 nm2, combien de phospholipides de la souche B (A) seraient pr sents dans chacune des monocouches oppos es au site de fusion ? Y a-t-il suffisamment de mol cules d'eau pour se lier aux groupes de t te hydrophiles de ce nombre de phospholipides ? (On estime que 10 12 mol cules d'eau sont normalement associ es chaque groupe de t te de phospholipides la surface expos e d'une membrane.) 13 7 SNARE existent en tant que partenaires compl mentaires qui effectuent des fusions membranaires entre les v icules appropri s et leurs membranes cibles. De cette fa on, une v sicule avec une vari t particuli re de v-SNARE ne fusionnera qu'avec une membrane qui porte le t-SNARE compl mentaire. Dans certains cas, cependant, des fusions de membranes identiques (fusions homotypiques) sont connues. Par exemple, lorsqu'une cellule de levure forme un bourgeon, les v sicules d riv es de la vacuole de la cellule m re se d placent dans le bourgeon o elles fusionnent les unes avec les autres pour former une nouvelle vacuole. Ces v sicules portent la fois des v-SNARE et des t-SNARE. Sont les deux types de Les SNARE indispensables cet v nement de fusion homotypique ? Pour tester ce point, vous avez mis au point un test ing nieux pour la fusion des v sicules vacuolaires. Vous pr parez des v sicules partir de deux souches mutantes diff rentes de levure : la souche B a un g ne d fectueux pour la phosphatase alcaline vacuolaire (Pase) ; la souche A est d fectueuse pour la prot ase qui convertit le pr curseur de la phosphatase alcaline (pro-Pase) en sa forme active (Pase) (Figure Q13 2A). Aucune des deux souches n'a de phosphatase alcaline active, mais lorsque des extraits des souches sont m lang s, la fusion des v sicules g n re une phosphatase alcaline active, qui peut tre facilement mesur e (figure Q13 2). Maintenant, vous supprimez les g nes du v-SNARE vacuolaire, du t-SNARE ou des deux dans chacune des deux souches de levure. Vous pr parez des v sicules vacuolaires partir de chacune d'elles et testez leur capacit fusionner, telle que mesur e par le dosage de la phosphatase alcaline (figure Q13-2B). Que disent ces donn es sur les exigences pour les v-SNARE et les t-SNAREs dans la fusion des v sicules vacuolaires ? Est-ce important de savoir quel type de SNARE se trouve sur quelle v sicule ? 13 8 Si vous deviez supprimer le signal de r cup ration du RE de la prot ine disulfure isom rase (PDI), qui est normalement un r sident soluble de la lumi re du RE, o vous attendriez-vous ce que le PDI modifi soit situ ? 13 9 Le r cepteur KDEL doit faire la navette entre le RE et l'appareil de Golgi pour accomplir sa t che consistant s'assurer que les prot ines solubles du RE sont conserv es dans la lumi re du RE. Dans quel compartiment le r cepteur KDEL lie-t-il le plus troitement ses ligands ? Dans quel compartiment lie-t-il le moins ses ligands ? Qu'est-ce qui serait la base |
Biologie moléculaire de la cellule | de ses diff rentes affinit s de liaison dans les deux compartiments ? Si vous conceviez le syst me, dans quel compartiment auriez-vous la plus forte concentration de r cepteur KDEL ? Pr diriez-vous que le r cepteur KDEL, qui est une prot ine transmembranaire, poss derait lui-m me un signal de r cup ration du RE ? 13 10 Comment le faible pH des lysosomes prot ge-t-il le reste de la cellule des enzymes lysosomales, en cas de rupture du lysosome ? Figure Q13 2 Exigences en mati re de SNARE pour la fusion des v sicules (probl me 13 7). (A) Sch ma de mesure de la fusion des v sicules vacuolaires. (B) R sultats de fusions de v sicules avec diff rentes combinaisons de v-SNARE et de t-SNARE. Les SNARE pr sents sur les v sicules des deux souches sont indiqu s par v (v-SNARE) et t (t-SNARE). Les 13-11 m lanosomes sont des lysosomes sp cialis s qui stockent les pigments pour une lib ration ventuelle par exocytose. Diverses cellules telles que la peau et les cellules cili es absorbent ensuite le pigment, ce qui explique leur pigmentation caract ristique. Les mutants de souris qui ont des m lanosomes d fectueux ont souvent des couleurs de pelage p les ou inhabituelles. L'une de ces souris de couleur claire, la souris Moka (figure Q13 3), pr sente un d faut dans le g ne de l'une des souris sous-unit s du complexe prot ique adaptateur AP3, qui est associ des v sicules enrob es bourgeonnant du r seau trans Golgi. Comment la perte d'AP3 pourrait-elle provoquer un d faut dans les m lanosomes ? Figure Q13 3 Une souris normale et la souris Mocha (probl me 13 11). En plus de sa couleur de pelage clair, la souris Moka a un mauvais sens de l' quilibre. (Avec l'aimable autorisation de Margit Burmeister.) Harrison SC & Kirchhausen T (2010) Biologie structurale : conservation dans les couches v siculaires. Nature 466, 1048-1049. Pfeffer Sr (2013) Un prix pour la magie membranaire. Cellule 155, 1203 1206. Thor f, gautschi M, geiger r & helenius a (2009) bulk flow revisited : transport d'une prot ine soluble dans la voie s cr toire. Traffic 10, 1819-1830. Les m canismes mol culaires du transport membranaire et le maintien de la diversit compartimentale antonny b (2011) M canismes de d tection de la courbure membranaire. annu. r v. Biochem. 80, 101 123. ferguson sM & de camilli p (2012) dynamine, une gTpase de remodelage membranaire. nat. rev. Mol. Cell Biol. 13, 75 88. frost a, unger vM & de camilli p (2009) La superfamille du domaine bar : macromol cules de moulage membranaire. Cellule 137, 191 196. Grosshans BL, Ortiz D & Novick P (2006) RAB et leurs effecteurs : atteindre la sp cificit dans le trafic membranaire. Proc. natl acad. sci. tats-Unis 103, 11821 11827. hughson fM (2010) copie des couches : copI imite la clathrine et copII. Cellule 142, 19 21. Jackson lp, kelly bT, Mccoy aJ et al. (2010) un changement conformationnel grande chelle couple le recrutement membranaire la liaison de la cargaison dans le complexe adaptateur de clathrine ap2. Cellule 141, 1220 1229. Jahn r & scheller rh (2006) caisses claires moteurs pour la fusion membranaire. nat. rev. Mol. Cell Biol. 7, 631 643. Jean s & kiger aa (2012) coordination entre la r gulation et les fonctions de la gTpase rab et du phosphoinositide. nat. rev. Mol. Cell Biol. 13, 463 470. Jin l, pahuja kb, wickliffe ke et al. (2012) R gulation d pendante de l'ubiquitine de la taille et de la fonction du pelage copII. Nature 482, 495-500. Martens s & McMahon hT (2008) M canismes de fusion membranaire : acteurs disparates et principes communs. nat. rev. Mol. Cell Biol. 9, 543 556. Mcnew Ja, parlati f, fukuda r et al. (2000) sp cificit compartimentale de la fusion de la membrane cellulaire cod e dans les prot ines de pi ge. Nature 407, 153 159. Miller ea & schekman r (2013) copII un syst me flexible de formation de v sicules. Curr. Opin. Biol. cellulaire 25, 420 427. pfeffer SR (2013) R gulation de l'identit membranaire par la gTpase. Curr. Opin. Cell Biol. 25, 414 419. saito k, chen M, bard f et al. (2009) Tango1 facilite le chargement de cargaison aux sites de sortie du r ticulum endoplasmique. Cellule 136, 891 902. marin Mn (2005) recycler vos r cepteurs avec r tromer. Tendances Cell Biol. 15, 68 75. Transport depuis le RE travers l'appareil de Golgi ellgaard l & helenius a (2003) Contr le de la qualit dans le r ticulum endoplasmique. nat. rev. Mol. Cell Biol. 4, 181 191. emr s, glick bs, linstedt ad et al. (2009) Voyages travers le golgi - faire le point dans une nouvelle re. J. Cell Biol. 187, 449 453. farquhar Mg & palade ge (1998) L'appareil golgi : 100 ans de progr s et de controverses. Tendances Cell Biol. 8, 2 10. ladinsky Ms, Mastronarde dn, McIntosh Jr et al. (1999) structure de golgi en trois dimensions : aper us fonctionnels de la cellule r nale normale du rat. J. Cell Biol. 144, 1135 1149. Munro s (2011) Les prot ines de bobine enroul e de golgin de l'appareil de golgi. Source froide Harb. Perspec |
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Biologie moléculaire de la cellule | s sont leurs syst mes membranaires internes tendus. Ces membranes internes contiennent des ensembles de complexes prot iques membranaires qui travaillent ensemble pour produire la majeure partie de l'ATP de la cellule. Chez les bact ries, des versions plus simples de complexes prot iques essentiellement identiques produisent de l'ATP, mais ils sont situ s dans la membrane plasmique de la cellule (Figure 14 1). Les comparaisons des s quences d'ADN indiquent que les organites de conversion d' nergie chez les eucaryotes actuels proviennent de cellules procaryotes qui ont t endocytos es au cours de l' volution des eucaryotes (discut au chapitre 1). Cela explique pourquoi les mitochondries et les chloroplastes contiennent leur propre ADN, qui code toujours pour un sous-ensemble de leurs prot ines. Au fil du temps, ces organites ont perdu la plupart de leurs propres g nomes et sont devenus fortement d pendants des prot ines cod es par les g nes du noyau, synth tis es dans le cytosol, puis import es dans l'organite. Et les cellules eucaryotes d pendent maintenant de ces organites non seulement pour l'ATP dont elles ont besoin pour la biosynth se, le transport des solut s et le mouvement, mais aussi pour de nombreuses r actions biosynth tiques importantes qui se produisent l'int rieur de chaque organite. L'origine volutive commune de la machinerie de conversion d' nergie dans les mitochondries, les chloroplastes et les procaryotes (arch es et bact ries) se refl te dans le m canisme fondamental qu'ils partagent pour exploiter l' nergie. C'est ce qu'on appelle le couplage chimiosmotique, c'est- -dire un lien entre les r actions de formation de liaisons chimiques qui g n rent l'ATP ( chemi ) et les processus de transport membranaire Figure 14 1 Les syst mes membranaires des bact ries, des mitochondries et des chloroplastes sont li s. Les mitochondries et les chloroplastes sont des organites cellulaires issus de bact ries et qui ont conserv les m canismes de conversion de l' nergie bact rienne. Comme leurs anc tres bact riens, les mitochondries et les chloroplastes ont une membrane externe et une membrane interne. Chacune des membranes color es dans ce sch ma contient des cha nes de transport d' lectrons qui permettent de r cup rer de l' nergie. Les invaginations profondes de la membrane interne mitochondriale et du syst me membranaire interne du chloroplaste abritent respectivement la machinerie de la respiration cellulaire et de la photosynth se. ( osmotique ). Le processus chimiosmotique se d roule en deux tapes li es, toutes deux r alis es par des complexes prot iques dans une membrane. tape 1 : Les lectrons de haute nergie (d riv s de l'oxydation de mol cules alimentaires, de pigments excit s par la lumi re du soleil ou d'autres sources d crites plus loin) sont transf r s le long d'une s rie de complexes prot iques de transport d' lectrons qui forment une cha ne de transport d' lectrons int gr e dans une membrane. Chaque transfert d' lectrons lib re une petite quantit d' nergie qui est utilis e pour pomper les protons (H+) et g n rer ainsi un grand gradient lectrochimique travers la membrane (Figure 14 2). Comme nous l'avons vu au chapitre 11, un tel gradient lectrochimique fournit un moyen de stocker de l' nergie, et il peut tre exploit pour faire un travail utile lorsque les ions retournent travers la membrane. tape 2 : Les protons redescendent leur gradient lectrochimique travers une machine prot ines membranaires labor e appel e ATP synthase, qui catalyse la production d'ATP partir d'ADP et de phosphate inorganique (Pi). Cette enzyme omnipr sente fonctionne comme une turbine dans la membrane, entra n e par des protons, pour synth tiser l'ATP (Figure 14 3). De cette fa on, l' nergie d riv e des aliments ou de la lumi re du soleil l' tape 1 est convertie en nergie chimique d'une liaison phosphate dans l'ATP. Les lectrons se d placent travers des complexes prot iques dans les syst mes biologiques via des ions m talliques troitement li s ou d'autres transporteurs qui absorbent et lib rent facilement des lectrons, ou par de petites mol cules sp ciales qui captent des lectrons un endroit et les livrent un autre. Pour les mitochondries, le premier de ces porteurs d' lectrons est le NAD+, une petite mol cule hydrosoluble qui absorbe deux lectrons et un H+ d riv s de mol cules alimentaires (graisses et glucides) pour devenir du NADH. Le NADH transf re ces lectrons des sites o les mol cules alimentaires sont d grad es vers la membrane mitochondriale interne. L , les lectrons du NADH, riche en nergie, sont pass s d'un complexe prot ique membranaire l'autre, passant un compos de plus faible nergie chaque tape, jusqu' ce qu'ils atteignent un complexe final dans lequel ils se combinent avec de l'oxyg ne mol culaire (O2) pour produire de l'eau. L' nergie lib r e chaque tape lorsque les lectrons s' coulent sur ce chemin partir de l' nergie- la riche en |
Biologie moléculaire de la cellule | NADH dans la mol cule d'eau faible nergie entra ne des pompes H+ dans la membrane mitochondriale interne, en utilisant trois complexes de prot ines membranaires diff rents. Ensemble, ces complexes g n rent la force motrice protonique exploit e par l'ATP synthase pour produire l'ATP qui sert de monnaie d' nergie universelle dans toute la cellule (voir chapitre 2). La figure 14-4 compare les processus de transport d' lectrons dans les mitochondries, qui exploitent l' nergie des mol cules alimentaires, avec ceux des chloroplastes, qui exploitent l' nergie de la lumi re du soleil. Les syst mes de conversion d' nergie des mitochondries et des chloroplastes peuvent tre d crits en termes similaires, et nous verrons plus loin dans le chapitre que deux de leurs composants cl s sont troitement li s. L'une d'entre elles est l'ATP synthase, et l'autre est une pompe protons (color e en vert sur la figure 14-4). Parmi les constituants cruciaux uniques aux organismes photosynth tiques figurent les deux photosyst mes. Ceux-ci utilisent le pigment vert chlorophylle pour capturer Figure 14 2 tape 1 du couplage chimiosmotique. L' nergie de la lumi re du soleil ou de l'oxydation des compos s alimentaires est captur e pour g n rer un gradient de protons lectrochimiques travers une membrane. Le gradient lectrochimique sert de r serve d' nergie polyvalente qui entra ne des r actions n cessitant de l' nergie dans les mitochondries, les chloroplastes et les bact ries. Figure 14 3 tape 2 du couplage chimiosmotique. Une ATP synthase (jaune) int gr e dans la bicouche lipidique d'une membrane exploite le gradient de protons lectrochimiques travers la membrane, l'utilisant comme r serve d' nergie locale pour stimuler la synth se de l'ATP. Les fl ches rouges indiquent la direction du mouvement du proton travers l'ATP synthase. Figure 14 4 Processus de transport d' lectrons. (a) La mitochondrie convertit l' nergie des combustibles chimiques. (B) le chloroplaste convertit l' nergie de la lumi re du soleil. Dans les deux cas, le flux d' lectrons est indiqu par des fl ches bleues. Chacun des complexes prot iques (vert) est naufil dans une membrane. Dans la mitochondrie, les graisses et les glucides des mol cules alimentaires sont introduits dans le cycle de l'acide citrique et fournissent des lectrons pour g n rer le compos riche en nergie NaDh partir de NaD+. ces lectrons s' coulent ensuite le long d'un gradient d' nergie lorsqu'ils passent d'un complexe l'autre dans la cha ne de transport d' lectrons, jusqu' ce qu'ils se combinent avec l'O2 mol culaire dans le dernier complexe pour produire de l'eau. L' nergie lib r e chaque tape est exploit e pour pomper H+ travers la membrane. Dans le chloroplaste, en revanche, les lectrons sont extraits de l'eau par l'action de la lumi re dans le complexe du photosyst me II et l'O2 mol culaire est lib r . les lectrons passent au complexe suivant de la cha ne, qui utilise une partie de leur nergie pour pomper des protons travers la membrane, avant de passer au photosyst me I, o la lumi re du soleil g n re des lectrons de haute nergie qui se combinent avec NaDp+ pour produire du NaDph. Le NaDph entre ensuite dans le cycle de fixation du carbone avec le CO2 pour g n rer des glucides. l' nergie lumineuse et alimente le transfert d' lectrons, un peu comme une cellule photo lectrique dans un panneau solaire. Les chloroplastes entra nent le transfert d' lectrons dans la direction oppos e celle des mitochondries : des lectrons sont pr lev s dans l'eau pour produire de l'O2, et ces lectrons sont utilis s (via le NADPH, une mol cule troitement apparent e au NADH utilis dans les mitochondries) pour synth tiser des glucides partir du CO2 et de l'eau. Ces glucides servent ensuite de source pour tous les autres compos s dont une cellule v g tale a besoin. Ainsi, les mitochondries et les chloroplastes utilisent une cha ne de transfert d' lectrons pour produire un gradient H+ qui alimente des r actions critiques pour la cellule. Cependant, les chloroplastes g n rent de l'O2 et absorbent du CO2, tandis que les mitochondries consomment de l'O2 et lib rent du CO2 (voir Figure 14 4). Les mitochondries occupent jusqu' 20 % du volume cytoplasmique d'une cellule eucaryote. Bien qu'ils soient souvent repr sent s comme de courts corps ressemblant des bact ries d'un diam tre de 0,5 1 m, ils sont en fait remarquablement dynamiques et plastiques, se d pla ant dans la cellule, changeant constamment de forme, se divisant et fusionnant (vid o 14.1). Les mitochondries sont souvent associ es au cytosquelette microtubulaire (Figure 14 5), ce qui d termine leur orientation et leur distribution dans diff rents types de cellules. Ainsi, dans les cellules fortement polaris es telles que les neurones, Les mitochondries peuvent se d placer sur de longues distances (jusqu' un m tre ou plus dans les axones tendus des neurones), tant propuls es le long des pistes du cytosquelett |
Biologie moléculaire de la cellule | e microtubulaire. Dans d'autres cellules, les mitochondries restent fixes aux points de forte demande d' nergie ; par exemple, dans les cellules du muscle squelettique ou cardiaque, elles s'entassent entre les myofibrilles, et dans les spermatozo des, elles s'enroulent troitement autour du flagelle (Figure 14-6). Les mitochondries interagissent galement avec d'autres syst mes membranaires de la cellule, notamment le r ticulum endoplasmique (RE). Les contacts entre les mitochondries et le RE d finissent des domaines sp cialis s cens s faciliter l' change de lipides entre les deux syst mes membranaires. Ces contacts semblent galement induire la fission mitochondriale, qui, comme nous le verrons plus loin, est impliqu e dans la distribution et la partition des mitochondries au sein des cellules (Figure 14 7). L'acquisition de mitochondries tait une condition pr alable l' volution d'animaux complexes. Sans les mitochondries, les cellules animales actuelles auraient d g n rer tout leur ATP par glycolyse ana robie. Lorsque la glycolyse convertit le glucose en pyruvate, elle ne lib re qu'une petite fraction de l' nergie libre totale potentiellement disponible gr ce l'oxydation du glucose (voir le chapitre 2). Dans les mitochondries, le m tabolisme des sucres est complet : le pyruvate est import dans la mitochondrie et finalement oxyd par l'O2 en CO2 et H2O, ce qui permet de fabriquer 15 fois plus d'ATP partir d'un sucre que par la glycolyse seule. Comme nous l'expliquerons plus loin, cela n'est devenu possible que lorsque suffisamment d'oxyg ne mol culaire s'est accumul dans l'atmosph re terrestre pour permettre aux organismes de tirer pleinement parti, par la respiration, des grandes quantit s d' nergie potentiellement disponibles provenant de l'oxydation des compos s organiques. Les mitochondries sont suffisamment grandes pour tre vues au microscope optique, et elles ont t identifi es pour la premi re fois au XIXe si cle. Cependant, les progr s r els dans la compr hension de leur structure interne et de leur fonction d pendaient de proc dures biochimiques mises au point en 1948 pour isoler les mitochondries intactes et de la microscopie lectronique, qui a t utilis e pour la premi re fois pour examiner les cellules peu pr s au m me moment. Figure 14 5 La relation entre les mitochondries et les microtubules. a) une micrographie optique de cha nes de mitochondries allong es dans une cellule de mammif re vivant en culture. La cellule a t color e avec un colorant fluorescent (rhodamine 123) qui marque sp cifiquement les mitochondries dans les cellules vivantes. (B) une micrographie d'immunofluorescence de la m me cellule color e (apr s fixation) avec des anticorps fluorescents qui se lient aux microtubules. Notez que les mitochondries ont tendance tre align es le long des microtubules. (Avec l'aimable autorisation de Lan Bo Chen.) Figure 14 6 Localisation des mitochondries pr s des sites de forte demande d'ATP dans le muscle cardiaque et une queue de spermatozo de. (a) Le muscle cardiaque dans la paroi du c ur est le muscle le plus utilis du corps, et ses contractions continuelles n cessitent un approvisionnement nerg tique fiable. Il a des r serves d' nergie int gr es limit es et doit d pendre d'un apport constant d'ATP partir des mitochondries abondantes align es pr s des myofibrilles contractiles (voir Figure 16-32). (B) Au cours du d veloppement des spermatozo des, les microtubules s'enroulent h lico dalement autour de l'axon me flagellaire, o l'on pense qu'ils aident localiser les mitochondries dans la queue pour produire la structure montr e. Figure 14 7 Interaction des mitochondries avec le r ticulum endoplasmique. 0 sec 20 sec 30 sec (a) La microscopie optique fluorescence montre que les tubules du Er (vert) s'enroulent autour de parties du r seau mitochondrial (rouge) dans les cellules de mammif res. Les mitochondries se divisent ensuite aux sites de contact. Une fois le contact tabli, la fission se produit en moins d'une minute, comme l'indique la microscopie intervalle de temps. (B) Dessin sch matique d'un tubule Er enroul autour d'une partie du r ticulum mitochondrial. On pense que les contacts mitochondriaux Er interviennent galement dans l' change de lipides entre les deux syst mes membranaires. (a, adapt de J.r. Friedman et al., Science 334:358-362, 2011.) la mitochondrie a une membrane externe et une membrane interne Comme les bact ries dont elles sont issues, les mitochondries ont une membrane externe et une membrane interne. Les deux membranes ont des fonctions et des propri t s distinctes et d limitent des compartiments s par s l'int rieur de l'organite. La membrane interne, qui entoure le compartiment interne de la matrice mitochondriale (Figure 14-8), est fortement pliss e pour former des invaginations appel es cristae (le singulier est crista), qui contiennent dans leur membranes les prot ines de la cha ne de transport d' lectrons. Lorsque la m |
Biologie moléculaire de la cellule | embrane interne est parall le la membrane externe, entre les cr tes, elle est connue sous le nom de membrane de d limitation interne. L'espace troit (20 30 nm) entre la membrane limite interne et la membrane externe est connu sous le nom d'espace intermembranaire. Les cr tes sont des disques ou des tubules membranaires d'environ 20 nm de large qui font saillie profond ment dans la matrice et entourent l'espace des cr tes. La membrane crista est continue avec la membrane limite interne, et l o leurs membranes se rejoignent, la membrane forme des tubes ou des fentes de membrane troits, appel s jonctions crista. Comme la membrane externe bact rienne, la membrane mitochondriale externe est librement perm able aux ions et aux petites mol cules aussi grosses que 5000 daltons. Ceci Figure 14 8 Structure d'une mitochondrie. a) Coupe tomographique travers une carte tridimensionnelle d'une mitochondrie cardiaque de souris d termin e par tomographie au microscope lectronique. La membrane externe enveloppe la membrane limite int rieure. La membrane interne est fortement pli e en cr tes tubulaires ou lamellaires, qui sillonnent la matrice. La matrice dense, qui contient la majeure partie de la prot ine mitochondriale, appara t sombre au microscope lectronique, tandis que l'espace intermembranaire et l'espace Crista apparaissent clairs en raison de leur faible teneur en prot ines. La membrane limite int rieure suit de pr s la membrane externe une distance de 20 NM. La membrane interne tourne brusquement aux jonctions des cr tes, o les cr tes rejoignent la membrane limite interne. (B) une partie tomographique rendue en surface d'une mitochondrie de levure, montrant comment les cr tes aplaties se projettent dans la matrice partir de la membrane interne (Vid o 14.2). (C) Dessin sch matique d'une mitochondrie montrant la membrane externe (en gris) et la membrane interne (en jaune). Notez que la membrane interne est compartiment e entre la membrane limite interne et la membrane crista. Il y a trois espaces distincts : l'espace de la membrane interne, l'espace Crista et la matrice. (a, avec l'aimable autorisation de Tobias Brandt ; B, d'apr s K. Davies et al., Proc. Natl Acad. Sci. USA 109:13602 13607, 2012. Avec l'autorisation de l'Acad mie nationale des sciences.) Figure 14 9 Fractionnement biochimique des mitochondries purifi es en composants distincts. Un grand nombre de mitochondries sont isol es de tissus homog n is s par centrifugation, puis suspendues dans un milieu de faible force osmotique. Dans un tel milieu, l'eau s' coule dans les mitochondries et largit consid rablement l'espace matriciel (jaune). Alors que les cr tes de la membrane interne se d plient pour s'adapter au gonflement, la membrane externe, qui n'a pas de plis, se rompt, lib rant les structures compos es de la membrane interne entourant la matrice. Ces techniques ont permis d' tudier la composition prot ique de la membrane interne (comprenant un m lange de cr tes, de membranes limites et de jonctions crites), de la membrane externe et de la matrice. c'est parce qu'il contient de nombreuses mol cules de porine, une classe sp ciale de prot ines membranaires de type -barrel qui cr e des pores aqueux travers la membrane (voir Figure 10-23). En cons quence, l'espace intermembranaire entre la membrane externe et la membrane interne a le m me pH et la m me composition ionique que le cytoplasme, et il n'y a pas de gradient lectrochimique travers la membrane externe. Si les mitochondries purifi es sont doucement perturb es puis fractionn es (Figure 14 9), la composition biochimique des membranes et des compartiments mitochondriaux peut tre d termin e. les cr tes de la membrane interne contiennent la machinerie pour le transport des lectrons et la synth se de l'atp Contrairement la membrane mitochondriale externe, la membrane mitochondriale interne est une barri re de diffusion aux ions et aux petites mol cules, tout comme la membrane interne bact rienne. Cependant, des ions s lectionn s, notamment les protons et le phosphate, ainsi que des m tabolites essentiels tels que l'ATP et l'ADP, peuvent le traverser au moyen de prot ines de transport sp ciales. La membrane mitochondriale interne est fortement diff renci e en r gions fonctionnellement distinctes avec des compositions prot iques diff rentes. Comme nous l'avons vu au chapitre 10, la s gr gation lat rale des r gions membranaires Diff rentes compositions prot iques et lipidiques sont une caract ristique cl des cellules. Dans la membrane mitochondriale interne, on pense que la r gion limite de la membrane contient la machinerie pour l'importation de prot ines, l'insertion de nouvelles membranes et l'assemblage des complexes de la cha ne respiratoire. Les membranes des cr tes, qui sont en continuit avec la membrane limite, contiennent l'enzyme ATP synthase qui produit la majeure partie de l'ATP de la cellule ; Ils contiennent galement les grands complexes prot iques d |
Biologie moléculaire de la cellule | e la cha ne respiratoire, le nom donn la cha ne de transport d' lectrons de la mitochondrie. Aux jonctions des cr tes, o les membranes des cr tes rejoignent la membrane limite, des complexes prot iques sp ciaux fournissent une barri re de diffusion qui s pare les prot ines membranaires dans les deux r gions de la membrane interne ; On pense galement que ces complexes ancrent les cr tes la membrane externe, maintenant ainsi la topologie hautement pliss e de la membrane interne. Les membranes Cristae ont l'une des densit s prot iques les plus lev es de toutes les membranes biologiques, avec une teneur en lipides de 25 % et une teneur en prot ines de 75 % en poids. Le pliage de la membrane interne en cr tes augmente consid rablement la surface membranaire disponible pour la phosphorylation oxydative. Dans les cellules musculaires cardiaques tr s actives, par exemple, la surface totale des membranes des cr tes peut tre jusqu' 20 fois plus grande que la surface de la membrane plasmique de la cellule. Au total, la surface des membranes des cr tes dans chaque corps humain repr sente peu pr s la taille d'un terrain de football. le cycle de l'acide citrique dans la matrice produit du NaDh Avec les cr tes qui s'y projettent, la matrice est la principale partie active de la mitochondrie. Les mitochondries peuvent utiliser la fois le pyruvate et les acides gras comme carburant. Le pyruvate est d riv du glucose et d'autres sucres, tandis que les acides gras sont d riv s des graisses. Ces deux mol cules de carburant sont transport es travers la membrane mitochondriale interne par des prot ines de transport sp cialis es, puis elles sont converties en ac tylCoA, un interm diaire m tabolique crucial, par des enzymes situ es dans la matrice mitochondriale (voir chapitre 2). dans un milieu de faible osmolarit , l'infux de l'eau provoque le gonflement de la mitochondrie et la rupture de la membrane externe, lib rant le contenu de l'espace intermembranaire ; la membrane interne reste intacte MOL CULES ALIMENTAIRES DU CYTOSOL Les groupes ac tyle de l'ac tylCoA sont oxyd s dans la matrice via le cycle de l'acide citrique, galement appel cycle de Krebs (voir Figure 2-57 et Vid o 2.6). L'oxydation de ces atomes de carbone dans l'ac tyl-CoA produit du CO2, qui se diffuse hors de la mitochondrie pour tre lib r dans l'environnement sous forme de d chet. Plus important encore, le cycle de l'acide citrique permet d' conomiser une grande partie de l' nergie de liaison lib r e par cette oxydation sous forme d' lectrons transport s par le NADH. Ce NADH transf re ses lectrons de la matrice la cha ne de transport d' lectrons dans la membrane mitochondriale interne, o , gr ce au processus de couplage chimiosmotique d crit pr c demment (voir les figures 14-2 et 14-3), l' nergie qui tait transport e par les lectrons du NADH est convertie en nergie de liaison phosphate dans l'ATP. Les figures 14 10 d crivent sch matiquement cette s quence de r actions. La matrice contient le syst me g n tique de la mitochondrie, y compris l'ADN mitochondrial et les ribosomes. L'ADN mitochondrial (voir la section sur les syst mes g n tiques, p. 800) est organis en corps compacts les nucl o des par des prot ines d' chafaudage sp ciales qui fonctionnent galement comme des prot ines r gulatrices de la transcription. Le grand nombre d'enzymes n cessaires au maintien du syst me g n tique mitochondrial, ainsi qu' de nombreuses autres r actions essentielles qui seront d crites ci-dessous, explique la tr s forte concentration de prot ines dans la matrice ; plus de 500 mg/mL, cette concentration est proche de celle d'un cristal de prot ine. Les mitochondries g n rent non seulement la majeure partie de l'ATP de la cellule ; Ils fournissent galement de nombreuses autres ressources essentielles la biosynth se et la croissance cellulaire. Avant de d crire en d tail la remarquable machinerie de la cha ne respiratoire, nous divergeons bri vement pour aborder certains de ces r les importants. Figure 14 10 Un r sum du m tabolisme de conversion d' nergie dans les mitochondries. Le pyruvate et les acides gras p n trent dans la mitochondrie (en haut de la figure) et sont d compos s en ac tyl Coa. l'ac tyl Coa est m tabolis par le cycle de l'acide citrique, ce qui r duit le NaD+ en NaDh, qui transmet ensuite ses lectrons de haute nergie au premier complexe de la cha ne de transport d' lectrons. Dans le processus de phosphorylation oxydative, ces lectrons passent le long de la cha ne de transport d' lectrons dans les cr tes de la membrane interne vers l'oxyg ne (O2). Ce transport d' lectrons g n re un gradient de protons, qui entra ne la production d'ATP par l'ATP synthase (voir Figure 14 3). Les lectrons issus de l'oxydation du succinate, un interm diaire r actionnel dans le cycle de l'acide citrique (voir panneau 2-9, pp. 106-107), empruntent un chemin s par pour entrer dans cette cha ne de transport d' lectrons (non illustr |
Biologie moléculaire de la cellule | , voir p. 772). Les membranes qui composent la membrane interne mitochondriale la membrane limite interne et la membrane crista contiennent diff rents m langes de prot ines et elles sont donc ombrag es diff remment dans ce sch ma. Les mitochondries sont essentielles pour tamponner le potentiel redox dans le cytosol. Les cellules ont besoin d'un apport constant de l'accepteur d' lectrons NAD+ pour la r action centrale dans la glycolyse qui convertit le glyc rald hyde 3-phosphate en 1,3-bisphosphoglyc rate (voir Figure 2-48). Ce NAD+ est converti en NADH dans le processus, et le NAD+ doit tre r g n r en transf rant les lectrons NADH de haute nergie quelque part. Les lectrons NADH seront ventuellement utilis s pour aider stimuler la phosphorylation oxydative l'int rieur de la mitochondrie. Mais la membrane mitochondriale interne est imperm able au NADH. Les lectrons sont donc transmis du NADH des mol cules plus petites dans le cytosol qui peuvent se d placer travers la membrane mitochondriale interne. Une fois dans la matrice, ces mol cules plus petites transf rent leurs lectrons au NAD+ pour former du NADH mitochondrial, apr s quoi elles sont renvoy es dans le cytosol pour tre recharg es, cr ant ainsi un syst me dit de navette pour les lectrons NADH. En plus de l'ATP, la biosynth se dans le cytosol n cessite la fois un apport constant de pouvoir r ducteur sous forme de NADPH et de petites mol cules riches en carbone pour servir d' l ments constitutifs (voir le chapitre 2). Les descriptions de la biosynth se indiquent souvent que les squelettes carbon s n cessaires proviennent directement de la d gradation des sucres, tandis que le NADPH est produit dans le cytosol par une voie secondaire de d gradation des sucres (la voie du pentose phosphate, une alternative la glycolyse). Mais dans des conditions o les nutriments abondent et o beaucoup d'ATP est disponible, les mitochondries aident g n rer la fois le pouvoir r ducteur et les l ments constitutifs riches en carbone (les squelettes de carbone dans le panneau 2-1, pp. 90-91) n cessaires la croissance cellulaire. cette fin, l'exc s de citrate produit dans la matrice mitochondriale par le cycle de l'acide citrique (voir panneau 2-9, pp. 106-107) est transport le long de son gradient lectrochimique jusqu'au cytosol, o il est m tabolis pour produire des composants essentiels de la cellule. Ainsi, par exemple, dans le cadre de la r ponse d'une cellule aux signaux de croissance, de grandes quantit s d'ac tyl CoA sont produites dans le cytosol partir du citrate export par les mitochondries, acc l rant ainsi la production d'acides gras et de st rols qui construisent de nouvelles membranes (d crits au chapitre 10). Les cellules canc reuses sont fr quemment mut es de mani re am liorer cette voie, dans le cadre de leur programme de croissance anormale (voir Figure 20-26). Le cycle de l'ur e est une voie m tabolique centrale chez les mammif res qui convertit l'ammoniac (NH4+) produit par la d gradation des compos s azot s (tels que les acides amin s) en ur e excr t e dans l'urine. Deux tapes critiques du cycle de l'ur e sont effectu es dans les mitochondries des cellules h patiques, tandis que les tapes restantes se produisent dans le cytosol. Les mitochondries jouent galement un r le essentiel dans l'adaptation m tabolique des cellules diff rentes conditions nutritionnelles. Par exemple, dans des conditions de famine, les prot ines de notre corps sont d compos es en acides amin s, et les acides amin s sont import s dans les mitochondries et oxyd s pour produire du NADH pour la production d'ATP. La biosynth se des groupes h mes qui, comme nous le verrons dans la section suivante, jouent un r le central dans le transfert d' lectrons est un autre processus critique qui est partag entre la mitochondrie et le cytoplasme. Les amas fer-soufre, qui sont essentiels non seulement au transfert d' lectrons dans la cha ne respiratoire (voir p. 766), mais aussi au maintien et la stabilit du g nome nucl aire, sont produits dans les mitochondries (et chloroplastes). L'instabilit du g nome nucl aire, une caract ristique du cancer, peut parfois tre li e la diminution de la fonction des prot ines cellulaires qui contiennent des amas fer-soufre. Les mitochondries jouent galement un r le central dans la biosynth se membranaire. La cardiolipine est un phospholipide deux t tes (Figure 14-11) qui est confin la membrane mitochondriale interne, o il est galement produit. Mais les mitochondries sont galement une source majeure de phospholipides pour la biogen se d'autres membranes cellulaires. La phosphatidyl thanolamine, le phosphatidylglyc rol et l'acide phosphatidique sont synth tis s dans la mitochondrie, tandis que le phosphatidylinositol, la phosphatidylcholine et la phosphatidyls rine sont principalement synth tis s dans le r ticulum endoplasmique (RE). Comme d crit au chapitre 12, la plupart des membranes de |
Biologie moléculaire de la cellule | la cellule sont assembl es dans le RE. On pense que l' change de lipides entre le RE et les mitochondries se produit des sites sp ciaux de contact troit (voir Figure 14-7) par un m canisme encore inconnu. Figure 14 11 La structure de la cardiolipine. La cardiolipine se compose de deux unit s phospholipidiques li es de mani re covalente, avec un total de quatre au lieu des deux cha nes d'acides gras habituelles (voir Figure 10-3). La cardiolipine n'est produite que dans la membrane interne mitochondriale, o elle interagit troitement avec les prot ines membranaires impliqu es dans la phosphorylation oxydative et le transport de l'ATP. Chez les cr tes, ses deux groupes phosphate juxtapos s peuvent agir comme un pi ge protons local la surface de la membrane. Enfin, les mitochondries sont d'importants tampons de calcium, absorbant le calcium du RE et du r ticulum sarcoplasmique des jonctions membranaires sp ciales. Les niveaux de calcium cellulaire contr lent la contraction musculaire (voir chapitre 16) et les alt rations sont impliqu es dans la neurod g n rescence et l'apoptose. De toute vidence, les cellules et les organismes d pendent des mitochondries de diff rentes mani res. Nous revenons maintenant la fonction centrale de la mitochondrie dans la g n ration d'ATP respiratoire. un proc d chimioosmotique associe l' nergie d'oxydation la production d'atp Bien que le cycle de l'acide citrique qui se d roule dans la matrice mitochondriale soit consid r comme faisant partie du m tabolisme a robie, il n'utilise pas lui-m me l'oxyg ne. Seule l' tape finale du m tabolisme oxydatif consomme directement de l'oxyg ne mol culaire (O2) (voir Figure 14-10). Presque toute l' nergie disponible partir du m tabolisme des glucides, des graisses et d'autres aliments aux stades ant rieurs est stock e sous forme de compos s riches en nergie qui alimentent en lectrons la cha ne respiratoire de la membrane mitochondriale interne. Ces lectrons, dont la plupart sont port s par le NADH, se combinent finalement avec O2 la fin de la cha ne respiratoire pour former de l'eau. L' nergie lib r e lors de la s rie complexe de transferts d' lectrons du NADH l'O2 est exploit e dans la membrane interne pour g n rer un gradient lectrochimique qui entra ne la conversion de l'ADP + Pi en ATP. Pour cette raison, le terme phosphorylation oxydative est utilis pour d crire cette s rie finale de r actions (Figure 14-12). La quantit totale d' nergie lib r e par l'oxydation biologique dans la cha ne respiratoire est quivalente celle lib r e par la combustion explosive de l'hydrog ne lorsqu'il se combine avec l'oxyg ne en une seule tape pour former de l'eau. Mais la combustion de l'hydrog ne dans une r action chimique en une seule tape, qui a une G fortement n gative, lib re cette grande quantit d' nergie de mani re improductive sous forme de chaleur. Dans la cha ne respiratoire, la m me r action nerg tiquement favorable H2 + 1 2 O2 H2O est divis e en petites tapes (Figure 14 13). Ce processus par tapes permet la cellule de stocker pr s de la moiti de l' nergie totale lib r e sous une forme utile. chaque tape, les lectrons, que l'on peut consid rer comme ayant t retir s d'une mol cule d'hydrog ne, Figure 14 12 La principale conversion d' nergie nette catalys e par la mitochondrie. Dans le processus de phosphorylation oxydative, la membrane interne mitochondriale sert de dispositif qui change une forme d' nergie de liaison chimique en une autre, convertissant une grande partie de l' nergie d'oxydation du NaDh en nergie de liaison phosphate dans l'atp. Figure 14 13 Comparaison de l'oxydation biologique et de la combustion. a) Si l'hydrog ne tait simplement br l , Presque toute l' nergie serait lib r e sous forme de chaleur. (B) Dans les r actions d'oxydation biologique, environ la moiti de l' nergie lib r e est stock e sous une forme utile la cellule au moyen de la cha ne de transport d' lectrons (la cha ne respiratoire) dans la membrane crista de la mitochondrie. Seul le reste de l' nergie est lib r sous forme de chaleur. Dans la pile, les protons et les lectrons pr sent s ici comme tant d riv s de h2 sont retir s des atomes d'hydrog ne qui sont li s de mani re covalente aux mol cules NaDh. produire deux protons, passer travers une s rie de transporteurs d' lectrons dans la membrane mitochondriale interne. chacune des trois tapes distinctes du parcours (marqu es par les trois complexes de transport d' lectrons de la cha ne respiratoire, voir ci-dessous), une grande partie de l' nergie est utilis e pour pomper les protons travers la membrane. la fin de la cha ne de transport d' lectrons, les lectrons et les protons se recombinent avec l'oxyg ne mol culaire pour former de l'eau. L'eau est une mol cule tr s faible nergie et est donc tr s stable ; Il ne peut servir de donneur d' lectrons que lorsqu'une grande quantit d' nergie provenant d'une source externe est d pens e pour le d |
Biologie moléculaire de la cellule | iviser en protons, lectrons et oxyg ne mol culaire. C'est exactement ce qui se passe dans la photosynth se oxyg n e, o la source d' nergie externe est le soleil, comme nous le verrons plus loin dans la section sur les chloroplastes (p. 782). l' nergie d riv e de l'oxydation est stock e sous forme de gradient lectrochimique Dans les mitochondries, le processus de transport d' lectrons commence lorsque deux lectrons et un proton sont retir s du NADH (pour r g n rer le NAD+). Ces lectrons sont transmis au premier d'une vingtaine de porteurs d' lectrons diff rents dans la cha ne respiratoire. Les lectrons commencent un grand potentiel redox n gatif (voir panneau 14-1, p. 765) c'est- -dire un niveau d' nergie lev qui diminue progressivement au fur et mesure qu'ils passent le long de la cha ne. Les prot ines impliqu es sont regroup es en trois grands complexes d'enzymes respiratoires, chacun compos de sous-unit s prot iques qui se trouvent dans la membrane mitochondriale interne. Chaque complexe de la cha ne a une affinit pour les lectrons plus lev e que son pr d cesseur, et les lectrons passent s quentiellement d'un complexe l'autre jusqu' ce qu'ils soient finalement transf r s l'oxyg ne mol culaire, qui a la plus grande affinit lectronique de toutes. Le r sultat net est le pompage de H+ hors de la matrice travers la membrane interne, entra n par le flux d' lectrons nerg tiquement favorable. Ce mouvement transmembranaire de H+ a deux cons quences majeures : 1. Il g n re un gradient de pH travers la membrane mitochondriale interne, avec un pH lev dans la matrice (proche de 8) et un pH plus bas dans l'espace intermembranaire. tant donn que les ions et les petites mol cules s' quilibrent librement travers la membrane mitochondriale externe, le pH dans l'espace intermembranaire est le m me que dans le cytosol (g n ralement autour de pH 7,4). 2. Il g n re un gradient de tension travers la membrane mitochondriale interne, cr ant un potentiel membranaire avec le c t matrice n gatif et le c t espace crista positif. Le gradient de pH ( pH) renforce l'effet du potentiel membranaire ( V), car ce dernier agit pour attirer tout ion positif dans la matrice et pour repousser tout ion n gatif vers l'ext rieur. Ensemble, le pH et le V forment le gradient lectrochimique, qui est mesur en millivolts (mV). Ce gradient exerce une force protonmotrice, qui a tendance ramener H+ dans la matrice (Figure 14 14). force due la force motrice des protons due au potentiel de membrane INTERMEMBRANAIRE + + + + + + + + + pH 7,2 membrane mitochondriale interne pH 7,9 Figure 14 14 Le gradient lectrochimique de protons travers la membrane mitochondriale interne. ce gradient est compos d'une grande force due au potentiel de membrane ( V) et d'une force plus petite due au h+ Gradient de concentration, c'est- -dire le gradient de pH ( ph). Les deux forces se combinent pour g n rer la force motrice des protons, qui ram ne h+ dans la matrice mitochondriale. la relation exacte entre ces forces est exprim e par l' quation de Nernst (voir panneau 11-1, p. 616). Le gradient lectrochimique travers la membrane interne d'une mitochondrie respiratoire est g n ralement d'environ 180 mV (n gatif int rieur), et il se compose d'un potentiel de membrane d'environ 150 mV et d'un gradient de pH d'environ 0,5 0,6 unit de pH (chaque pH de 1 unit de pH quivaut un potentiel de membrane d'environ 60 mV). Le gradient lectrochimique entra ne non seulement la synth se de l'ATP, mais aussi le transport de mol cules s lectionn es travers la membrane mitochondriale interne, y compris l'importation de prot ines s lectionn es du cytoplasme (discut au chapitre 12). La mitochondrie effectue la plupart des oxydations cellulaires et produit la majeure partie de l'ATP de la cellule animale. Une mitochondrie a deux membranes distinctes : la membrane externe et la membrane interne. La membrane interne entoure l'espace le plus interne (la matrice) de la mitochondrie et forme les cr tes, qui se projettent dans la matrice. La matrice et les cr tes de la membrane interne sont les principales parties actives de la mitochondrie. Les membranes qui forment les cr tes repr sentent une grande partie de la surface membranaire dans la plupart des cellules et contiennent la cha ne de transport d' lectrons de la mitochondrie (la cha ne respiratoire). La matrice mitochondriale contient une grande vari t d'enzymes, y compris celles qui convertissent le pyruvate et les acides gras en ac tylCoA et celles qui oxydent cet ac tylCoA en CO2 par le biais du cycle de l'acide citrique. Ces r actions d'oxydation produisent de grandes quantit s de NADH, dont les lectrons de haute nergie sont transmis la cha ne respiratoire. La cha ne respiratoire utilise ensuite l' nergie d riv e du transport des lectrons du NADH vers l'oxyg ne mol culaire pour pomper H+ hors de la matrice. Cela produit un grand gradient lectrochimique de |
Biologie moléculaire de la cellule | protons travers la membrane mitochondriale interne, compos de contributions provenant la fois d'un potentiel membranaire et d'une diff rence de pH. Ce gradient lectrochimique exerce une force pour repousser H+ dans la matrice. Cette force motrice des protons est exploit e la fois pour produire de l'ATP et pour le transport s lectif des m tabolites travers la membrane mitochondriale interne. Apr s avoir examin en termes g n raux comment une mitochondrie utilise le transport d' lectrons pour g n rer une force motrice protonique, nous nous tournons maintenant vers les m canismes mol culaires qui sous-tendent ce processus de conversion d' nergie bas sur la membrane. En d crivant la cha ne respiratoire des mitochondries, nous accomplissons l'objectif plus large d'expliquer comment un processus de transport d' lectrons peut pomper des protons travers une membrane. Comme indiqu au d but de ce chapitre, les mitochondries, les chloroplastes, les arch es et les bact ries utilisent des m canismes chimiosmotiques tr s similaires. En fait, ces m canismes sous-tendent la fonction de tous les organismes vivants, y compris les ana robies qui tirent toute leur nergie des transferts d' lectrons entre deux mol cules inorganiques, comme nous le verrons plus tard. Nous commen ons par certains des principes de base dont d pendent tous ces processus. le potentiel redox est une mesure des affinit s lectroniques Dans les r actions chimiques, tous les lectrons retir s d'une mol cule sont toujours pass s une autre, de sorte que chaque fois qu'une mol cule est oxyd e, une autre est r duite. Comme pour toute autre r action chimique, la tendance de ces r actions redox se d rouler spontan ment d pend de la variation d' nergie libre ( G) pour le transfert d' lectrons, qui son tour d pend des affinit s relatives des deux mol cules pour les lectrons. Parce que les transferts d' lectrons fournissent la majeure partie de l' nergie de la vie, il vaut la peine de prendre le temps de les comprendre. Comme nous l'avons vu au chapitre 2, les acides donnent des protons et les bases les acceptent (voir panneau 2-2, p. 93). Les acides et les bases existent en paires conjugu es acide-base, dans lesquelles l'acide est facilement converti en base par la perte d'un proton. Par exemple, l'acide ac tique (CH3COOH) est converti en sa base conjugu e, l'ion ac tate (CH3COO ), dans la r action : D'une mani re tout fait analogue, les paires de compos s tels que le NADH et le NAD+ sont appel es paires redox, puisque Le NADH est converti en NAD+ par la perte d' lectrons dans la r action : Le NADH est un fort donneur d' lectrons : parce que deux de ses lectrons sont engag s dans une liaison covalente qui lib re de l' nergie lorsqu'elle est rompue, la variation d' nergie libre pour passer ces lectrons de nombreuses autres mol cules est favorable. L' nergie est n cessaire pour former cette liaison partir de NAD+, de deux lectrons et d'un proton (la m me quantit d' nergie qui a t lib r e lorsque la liaison a t rompue). Par cons quent, le NAD+, le partenaire redox du NADH, est n cessairement un accepteur d' lectrons faible. Nous pouvons mesurer exp rimentalement la tendance transf rer des lectrons de n'importe quelle paire redox. Tout ce qu'il faut, c'est la formation d'un circuit lectrique reliant un m lange 1:1 ( quimolaire) du couple redox un second couple redox qui a t arbitrairement choisi comme talon de r f rence, afin que nous puissions mesurer la diff rence de tension entre eux (panneau 14-1). Cette diff rence de tension est d finie comme le potentiel redox ; Les lectrons se d placent spontan ment d'une paire redox comme NADH/NAD+ avec un potentiel redox plus faible (une affinit plus faible pour les lectrons) une paire redox comme O2/H2O avec un potentiel redox plus lev (une affinit plus lev e pour les lectrons). Ainsi, le NADH est une bonne mol cule pour donner des lectrons la cha ne respiratoire, tandis que l'O2 est bien adapt pour agir comme le puits des lectrons la fin de la cha ne. Comme expliqu dans la partie 14-1, la diff rence de potentiel redox, E0, est une mesure directe de la variation standard de l' nergie libre ( G ) pour le transfert d'un lectron d'une mol cule une autre. Les transferts d' lectrons lib rent de grandes quantit s d' nergie Comme nous venons de le voir, les paires de compos s qui ont les potentiels redox les plus n gatifs ont la plus faible affinit pour les lectrons et sont donc utiles en tant que porteurs ayant une forte tendance donner des lectrons. l'inverse, les paires qui ont les potentiels redox les plus positifs ont la plus grande affinit pour les lectrons et sont donc utiles en tant que porteurs ayant une forte tendance accepter des lectrons. Un m lange 1:1 de NADH et de NAD+ a un potentiel redox de -320 mV, ce qui indique que le NADH a une forte tendance donner des lectrons ; un m lange 1:1 de H2O et de 1 2O2 a un potentiel re |
Biologie moléculaire de la cellule | dox de +820 mV, ce qui indique que l'O2 a une forte tendance accepter les lectrons. La diff rence de potentiel redox est de 1140 mV, ce qui signifie que le transfert de chaque lectron du NADH l'O2 dans ces conditions standard est extr mement favorable, puisque G = 109 kJ/mole, et deux fois cette quantit d' nergie est gagn e pour les deux lectrons transf r s par mol cule de NADH (voir panneau 14 1). Si nous comparons cette variation d' nergie libre avec celle de la formation des liaisons phosphoanhydride dans l'ATP, o G = 30,6 kJ/mole (voir Figure 2 50), nous voyons que, dans des conditions standard, l'oxydation d'une mol cule de NADH lib re plus qu'assez d' nergie pour synth tiser sept mol cules d'ATP partir de l'ADP et du Pi. (Dans la cellule, le nombre de mol cules d'ATP g n r es sera plus faible car les conditions standard sont loin des conditions physiologiques ; de plus, de petites quantit s d' nergie sont in vitablement dissip es sous forme de chaleur en cours de route.) Les propri t s de transport d' lectrons des complexes prot iques membranaires dans la cha ne respiratoire d pendent de cofacteurs porteurs d' lectrons, dont la plupart sont des m taux de transition tels que Fe, Cu, Ni et Mn, li s aux prot ines des complexes. Ces m taux ont des propri t s sp ciales qui leur permettent de favoriser la fois la catalyse enzymatique et les r actions de transfert d' lectrons. Le plus pertinent ici est le fait que leurs ions existent dans plusieurs tats d'oxydation diff rents avec des potentiels redox troitement espac s, ce qui leur permet d'accepter ou de c der facilement des lectrons ; Cette propri t est COMMENT LES POTENTIELS REDOX SONT MESUR S voltm tre pont salin Ar duit et aoxyd en quantit s quimolaires 1 M H+ et 1 atmosph re H2 gaz exemples de r actions redox potentiel redox standard E0 c c e Un b cher ( gauche) contient la substance A avec un m lange quimolaire des membres r duits (Ar duits) et oxyd s (Aoxid s) de sa paire redox. L'autre b cher contient l' talon de r f rence pour l'hydrog ne (2H+ + 2e H2), dont le potentiel redox est arbitrairement attribu z ro par un accord international. (Un pont salin form partir d'une solution concentr e de KCl permet K+ et Cl de se d placer entre les b chers, comme n cessaire pour neutraliser les charges lorsque les lectrons se d placent entre les b chers.) Le fil m tallique (bleu fonc ) fournit un chemin sans r sistance pour les lectrons, et un voltm tre mesure ensuite le potentiel redox de substance A. Si les lectrons vont de A r duit H+, comme indiqu ici, on dit que la paire redox form e par la substance A a un potentiel redox n gatif. S'ils passent plut t de H2 Aoxid , on dit que la paire redox a un potentiel redox positif. LE POTENTIEL REDOX STANDARD, E 0 Le potentiel redox standard d'une paire redox, d fini par E0 , est mesur pour un tat standard o tous les r actifs sont une concentration de 1 M, y compris H+ . tant donn que les r actions biologiques se produisent un pH de 7, les biologistes d finissent plut t l' tat standard comme Ar duit = Aoxyd et H+ = 10 7 M. Ce potentiel redox standard est d sign par le symbole E0 , la place de E0. PANNEAU 14 1 : Potentiels redox 765 CALCUL DE Go PARTIR DES POTENTIELS REDOX E0 E0 Pour d terminer la variation d' nergie pour un transfert d' lectrons, le G o de la r action (kJ/mole) est calcul comme suit : G o = n(0,096) E0 , o n est le nombre d' lectrons transf r s travers une variation de potentiel redox de E0 millivolts (mV), et E0 = (accepteur) (donneur) EXEMPLE : Comme expliqu au chapitre 2 (voir p. 60), la variation r elle de l' nergie libre d'une r action, G, d pend de la concentration des r actifs et sera g n ralement diff rente de la variation standard de l' nergie libre, Go. Les potentiels redox standard sont pour un m lange 1:1 de la paire redox. Par exemple, le potentiel redox standard de 320 mV correspond un m lange 1:1 de NADH et de NAD+. Mais lorsqu'il y a un exc s de NADH sur NAD+, le transfert d' lectrons du NADH vers un accepteur d' lectrons devient plus favorable. Ceci est refl t par un potentiel redox plus n gatif et un G plus n gatif pour le transfert d' lectrons. E0 = +30 ( 320) = +350 mV Le m me calcul r v le que le transfert d'un lectron de l'ubiquinone l'oxyg ne a un Go encore plus favorable de 76 kJ/mole. La valeur Go pour le transfert d'un lectron du NADH l'oxyg ne est la somme de ces deux valeurs, 110 kJ/mole. Go = n(0,096) = 1(0,096)(350) = 34 kJ/mole E0 Pour le transfert d'un lectron du NADH l'ubiquinone : Figure 14 15 La structure du groupe h me attach de mani re covalente au cytochrome c. le cycle porphyrine de l'h me est repr sent en rouge. Il y a six cytochromes diff rents dans la cha ne respiratoire. Parce que les h mes de diff rents cytochromes ont des structures l g rement diff rentes et sont maintenus dans des environnements locaux diff rents par l |
Biologie moléculaire de la cellule | eurs prot ines respectives, chacun a une affinit diff rente pour un lectron et une signature spectroscopique l g rement diff rente. exploit s par les complexes prot iques membranaires de la cha ne respiratoire pour d placer des lectrons l'int rieur et entre les complexes. Contrairement aux atomes incolores H, C, N et O qui constituent la majeure partie des mol cules biologiques, les ions de m taux de transition sont souvent de couleurs vives, ce qui rend les prot ines qui les contiennent faciles tudier par des m thodes spectroscopiques utilisant la lumi re visible. Une famille de ces prot ines color es, les cytochromes, contient un groupe h mique li , dans lequel un atome de fer est troitement maintenu par quatre atomes d'azote aux coins d'un carr dans un cycle porphyrine (Figure 14-15). Des cycles de porphyrine similaires sont responsables la fois de la couleur rouge du sang et de la couleur verte des feuilles, liant un fer dans l'h moglobine ou un magn sium dans la chlorophylle, respectivement. Les prot ines fer-soufre contiennent une deuxi me grande famille de cofacteurs de transfert d' lectrons. Dans ce cas, deux ou quatre atomes de fer sont li s un nombre gal d'atomes de soufre et des cha nes lat rales de cyst ine, formant des amas fer-soufre dans la prot ine (Figure 14-16). Comme les h mes cytochromes, ces amas transportent un lectron la fois. Le plus simple des cofacteurs de transfert d' lectrons dans la cha ne respiratoire et le seul qui n'est pas toujours li une prot ine est une quinone (appel e ubiquinone ou coenzyme Q). Une quinone (Q) est une petite mol cule hydrophobe qui se d place librement dans la bicouche lipidique. Ce porteur d' lectrons peut accepter ou donner un ou deux lectrons. Lors de la r duction (notez que les quinones r duites sont appel es quinols), il capte un proton de l'eau avec chaque lectron (Figure 14-17). Dans la cha ne mitochondriale de transport d' lectrons, six h mes cytochromes diff rents, huit amas fer-soufre, trois atomes de cuivre, un mononucl otide de flavine (un autre cofacteur de transfert d' lectrons) et l'ubiquinone travaillent dans une s quence d finie pour transporter les lectrons du NADH l'O2. Au total, cette voie implique plus de 60 polypeptides diff rents dispos s en trois grands complexes prot iques membranaires, chacun d'entre eux se liant plusieurs des cofacteurs porteurs d' lectrons ci-dessus. Comme on pouvait s'y attendre, les cofacteurs de transfert d' lectrons ont des affinit s croissantes pour les lectrons (potentiels redox plus lev s) mesure que les lectrons se d placent le long de la cha ne respiratoire. Les potentiels redox ont t affin s au cours de l' volution par l'environnement prot ique de chaque cofacteur, ce qui modifie l'affinit normale du cofacteur pour les lectrons. Parce que les amas fer-soufre ont une affinit relativement faible pour les lectrons, ils pr dominent dans la premi re moiti de la cha ne respiratoire ; En revanche, les cytochromes de l'h me pr dominent plus bas dans la cha ne, o une affinit lectronique plus lev e est requise. NaDh transf re ses lectrons l'oxyg ne par le biais de trois grands complexes enzymatiques int gr s dans la membrane interne Les prot ines membranaires sont difficiles purifier car elles sont insolubles dans les solutions aqueuses et elles sont facilement perturb es par les d tergents n cessaires leur solubilisation. Mais en utilisant des d tergents non ioniques doux, tels que l'octylglucoside ou le dod cyl maltoside (voir Figure 10-28), ils peuvent tre solubilis s et purifi s sous leur forme native, et m me cristallis s pour la d termination de la structure. Chacun des trois diff rents complexes de la cha ne respiratoire solubilis s au d tergent peut tre r ins r Figure 14 16 La structure d'un amas fer-soufre. Ces amas brun fonc sont constitu s soit de quatre atomes de fer et de quatre atomes de soufre, comme on le voit ici, soit de deux fers et de deux soufres li s des cyst ines dans la cha ne polypeptidique par des ponts soufr s covalents, ou des histidines. Bien qu'ils contiennent plusieurs atomes de fer, chaque amas fer-soufre ne peut transporter qu'un seul lectron la fois. Neuf amas fer-soufre diff rents participent au transport d' lectrons dans la cha ne respiratoire. dans des v sicules bicouches lipidiques artificielles et il a t d montr qu'elle pompait des protons travers la membrane lorsque les lectrons les traversent. Dans la mitochondrie, les trois complexes sont li s en s rie, servant de pompes H+ entra n es par le transport d' lectrons qui pompent les protons hors de la matrice pour acidifier l'espace des cristaux (Figure 14-18) : 1. Le complexe NADH d shydrog nase (souvent appel complexe I) est le plus grand de ces complexes d'enzymes respiratoires. Il accepte les lectrons du NADH et les fait passer travers un mononucl otide de flavine et huit amas fer-soufre jusqu' l'ubiquinone, transporteur d' lectr |
Biologie moléculaire de la cellule | ons liposoluble. L'ubiquinol r duit transf re ensuite ses lectrons la cytochrome c r ductase. 2. La cytochrome c r ductase ( galement appel e complexe cytochrome b-c1) est un grand assemblage de prot ines membranaires qui fonctionne comme un dim re. Chaque monom re contient trois h mes cytochromes et un cluster fer-soufre. Le complexe accepte les lectrons de l'ubiquinol et les transmet la petite prot ine soluble cytochrome c, qui est situ e dans l'espace crista et transporte les lectrons un par un vers la cytochrome c oxydase. 3. Le complexe cytochrome c oxydase contient deux h mes cytochromes et trois atomes de cuivre. Le complexe accepte les lectrons un par un du cytochrome c et les fait passer l'oxyg ne mol culaire. Au total, quatre Des lectrons et quatre protons sont n cessaires pour convertir une mol cule d'oxyg ne en eau. Nous avons d j discut de la fa on dont le potentiel redox refl te les affinit s lectroniques. La figure 14-19 pr sente un aper u des potentiels redox mesur s le long de la cha ne respiratoire. Ces potentiels changent en trois grandes tapes, une travers chaque complexe respiratoire de transfert de protons. La variation du potentiel redox entre deux porteurs d' lectrons est directement proportionnelle l' nergie libre lib r e lorsqu'un lectron est transf r entre eux. Chaque complexe agit comme un dispositif de conversion d' nergie en exploitant une partie de ce changement d' nergie libre pour pomper H+ travers la membrane interne, cr ant ainsi un gradient de protons lectrochimiques lorsque les lectrons passent le long de la cha ne. Figure 14 17 Porteurs d' lectrons quinones. L'ubiquinone dans la bicouche lipidique capte un h+ (rouge) de l'environnement aqueux pour chaque lectron (bleu) qu'elle accepte, en deux tapes, des complexes de la cha ne respiratoire. La premi re tape implique l'acquisition d'un proton et d'un lectron et convertit l'ubiquinone en un radical ubisemiquinone instable. Dans la deuxi me tape, il devient une ubiquinone enti rement r duite (appel e ubiquinol), qui se d place librement en tant que transporteur d' lectrons dans la bicouche lipidique de la membrane. Lorsque l'ubiquinol donne ses lectrons au complexe suivant de la cha ne, les deux protons sont lib r s. La longue queue hydrophobe (verte) qui confine l'ubiquinone la membrane se compose de 6 10 unit s d'isopr ne cinq atomes de carbone, selon l'organisme. Le transporteur d' lectrons correspondant dans les membranes photosynth tiques des chloroplastes est la plastoquinone, qui a presque la m me structure et fonctionne de la m me mani re. Par souci de simplicit , nous nous r f rons la fois l'ubiquinone et la plastoquinone dans ce chapitre sous le nom de quinone (abr g e en Q). Figure 14 18 Trajectoire des lectrons travers les trois pompes protons de la cha ne respiratoire. (Vid o 14.3) La taille et la forme approximatives de chaque complexe sont montr es. Lors du transfert d' lectrons du NaDh l'oxyg ne (fl ches bleues), l'ubiquinone et le cytochrome c servent de transporteurs mobiles qui transportent les lectrons d'un complexe l'autre. Au cours des r actions de transfert d' lectrons, les protons sont pomp s travers la membrane par chacun des complexes d'enzymes respiratoires, comme indiqu (fl ches rouges). Pour des raisons historiques, les trois pompes protons de la cha ne respiratoire sont parfois d sign es comme Complexe I, Complexe III et Complexe IV, selon l'ordre dans lequel les lectrons les traversent partir de NaDh. Les lectrons issus de l'oxydation du succinate par la succinate d shydrog nase (appel e complexe II) sont introduits dans la cha ne de transport d' lectrons sous forme d'ubiquinone r duite. Bien qu'int gr e dans la membrane crista, la succinate d shydrog nase ne pompe pas de protons et ne contribue donc pas la force motrice des protons ; Il n'est donc pas consid r comme faisant partie int grante de la cha ne respiratoire. le long de la cha ne de transport d' lectrons mitochondriaux _400. le potentiel redox _300 (d sign E'0) augmente mesure que les lectrons descendent la cha ne respiratoire jusqu' l'oxyg ne. la variation standard d' nergie libre _200 en kilojoules, _100 G , pour le transfert de chacun des deux peut tre obtenue partir de l'ordonn e de gauche [ G = n(0,096) E'0, o n est le nombre d' lectrons transf r s travers une variation de potentiel redox de E'0 mV]. Les lectrons circulent travers un appareil respiratoire travers les multiples porteurs d' lectrons dans 500 chaque complexe (fl ches bleues). Comme indiqu , une partie du changement d' nergie libre favorable 600 est exploit e par chaque complexe enzymatique pour 700 pomper H+ travers la membrane mitochondriale interne (fl ches rouges). la NaDh 800 d shydrog nase pompe jusqu' quatre h+ par lectron, le complexe cytochrome c r ductase en pompe deux, tandis que la direction de l' lectron fow La cristallographie aux rayons X a lucid la |
Biologie moléculaire de la cellule | structure de chacun des trois complexes de la cha ne respiratoire en d tail, et nous examinons ensuite chacun d'eux tour de r le pour voir comment ils fonctionnent. le complexe NaDh d shydrog nase contient des modules s par s pour le transport d' lectrons et le pompage de protons Le complexe NADH d shydrog nase est un assemblage massif de prot ines membranaires et non membranaires qui re oivent des lectrons du NADH et les transmettent l'ubiquinone. Dans les mitochondries animales, il se compose de plus de 40 sous-unit s prot iques diff rentes, avec une masse mol culaire de pr s d'un million de daltons. Les structures radiographiques du complexe NADH d shydrog nase des champignons et des bact ries montrent qu'il est en forme de L, avec la fois un bras de membrane hydrophobe et un bras hydrophile qui se projette dans la matrice mitochondriale (Figure 14-20). Le transfert d' lectrons et le pompage des protons sont physiquement s par s dans le complexe NADH d shydrog nase, le transfert d' lectrons se produisant dans le bras matriciel et le pompage des protons dans le bras membranaire. Le NADH s'arrime pr s de l'extr mit du bras de la matrice, o il transf re ses lectrons via un mononucl otide de flavine li une cha ne d'amas de fer-soufre qui descend le long du bras, agissant comme un fil pour transporter les lectrons vers une mol cule d'ubiquinone li e aux prot ines. On pense que le transfert d' lectrons vers la quinone d clenche la translocation de protons dans un ensemble de pompes protons dans le bras de la membrane, et pour que cela se produise, les deux processus doivent tre li s nerg tiquement et m caniquement. On pense qu'un lien m canique est fourni par une h lice amphipathique de 6 nm de long qui est parall le la surface de la membrane du c t de la matrice du bras de la membrane. Cette h lice peut agir comme la bielle d'une machine vapeur pour g n rer une course de puissance m canique transductrice d' nergie qui relie le site de liaison de la quinone aux modules de translocation de protons dans la membrane (voir Figure 14-20). La r duction de chaque quinone par le transfert de deux lectrons peut provoquer le pompage de quatre protons hors de la matrice dans l'espace des cristas. De cette fa on, la NADH d shydrog nase g n re environ la moiti de la force motrice totale des protons dans les mitochondries. La cytochrome c r ductase absorbe et lib re des protons du c t oppos de la membrane de la crista, pompant ainsi des protons Comme d crit pr c demment, lorsqu'une mol cule de quinone (Q) accepte ses deux lectrons, elle absorbe galement deux protons pour former un quinol (QH2 ; voir Figure 14-17). Dans le complexe cytochrome c oxydase, pompe un par lectron. Notons que le NaDh n'est pas la seule source d' lectrons pour la cha ne respiratoire. la flavine FaDh2, qui est g n r e par l'oxydation des acides gras (voir Figure 2 56) et par la succinate d shydrog nase dans le cycle de l'acide citrique (voir Figure 2 57), y contribue galement. Ses deux lectrons sont transmis directement l'ubiquinone, en contournant la NaDh d shydrog nase. Figure 14 20 Structure de la NADH d shydrog nase. (a) Le mod le du complexe mitochondrial montr ici est bas sur la structure en rayons X du plus petit complexe bact rien, qui fonctionne de la m me mani re. le bras matriciel de la NaDh d shydrog nase ( galement connu sous le nom de complexe I) contient huit amas fer-soufre (FeS) qui semblent participer au transport des lectrons. La membrane contient plus de 70 h lices transmembranaires, formant trois modules distincts de pompage de protons, tandis que le bras matriciel contient les cofacteurs de transport d' lectrons. (B) NaDh donne deux lectrons, via un mononucl otide de flavine li (FMN ; jaune), une cha ne de sept amas fer-soufre (sph res rouges et jaunes). De l'amas terminal fer-soufre, les lectrons passent l'ubiquinone (orange). Le transfert d' lectrons entra ne des changements conformationnels (fl ches noires) que l'on pense tre transmis une longue h lice amphipathique (violette) du c t de la matrice du bras membranaire, qui tire sur des h lices transmembranaires discontinues (en rouge) en trois sous-unit s membranaires, chacune ressemblant un antiporteur (voir chapitre 11). On pense que ce mouvement modifie la conformation des r sidus charg s dans les trois canaux de protons, ce qui entra ne la translocation de trois protons hors de la matrice. Un quatri me proton peut tre transloqu l'interface des deux bras (ligne pointill e). (C) cela montre le symbole de la NaDh d shydrog nase utilis dans ce chapitre. (adapt de r.G. Efremov, r. Baradaran et L.a. Sazanov, Nature 465:441 445, 2010. code pDB : 3M9S.) la cha ne respiratoire, l'ubiquinol, transf re les lectrons de la NADH d shydrog nase la cytochrome c r ductase. tant donn que les protons de cette mol cule QH2 sont pr lev s de la matrice et lib r s du c t oppos de la membrane crista, deux protons sont tr |
Biologie moléculaire de la cellule | ansf r s de la matrice dans l'espace crista par paire d' lectrons transf r s (Figure 14-21). Ce transfert vectoriel de protons compl te le gradient lectrochimique de protons cr par le pompage de protons de la NADH d shydrog nase dont nous venons de parler. La cytochrome c r ductase est un grand assemblage de sous-unit s de prot ines membranaires. Trois sous-unit s forment un noyau catalytique qui fait passer les lectrons de l'ubiquinol au cytochrome c, avec une structure qui a t fortement conserv e par rapport aux anc tres bact riens (Figure 14 22). Il pompe des protons par un transfert vectoriel de protons qui implique un site de liaison pour une deuxi me mol cule d'ubiquinone ; l' laboration Figure 14 21 Comment une lib ration directionnelle et une absorption de protons par une quinone pompent des protons travers une membrane. deux protons sont capt s du c t de la matrice de la membrane mitochondriale interne lorsque la r action Q + 2e + 2h+ Qh2 est catalys e par le complexe NaDh d shydrog nase. cette mol cule d'ubiquinol (Qh2) se diffuse rapidement dans le plan de la membrane, se liant au c t crista de la cytochrome c r ductase. Lorsque son oxydation par la cytochrome c r ductase g n re deux protons et deux lectrons (voir Figure 14-17), les deux protons sont lib r s dans l'espace des cristas. Le flux d' lectrons n'est pas repr sent sur ce sch ma. 770 Chapitre 14 : Conversion d' nergie : les lectrons des mitochondries et des chloroplastes Figure 14 22 La structure de la cytochrome c r ductase. La cytochrome c r ductase ( galement connue sous le nom de complexe cytochrome b-c1) est un dim re de deux moiti s identiques de 240 000 daltons, chacune compos e de 11 mol cules de prot ines diff rentes chez les mammif res. Un graphique de la structure de l'ensemble du dim re, montrant en couleur les trois prot ines qui forment le noyau fonctionnel du complexe enzymatique : le cytochrome b (vert) et le cytochrome c1 (bleu) sont color s dans une moiti , et la prot ine de Rieske (violette) contenant un cluster fer-soufre Fe2S2 (rouge et jaune) est color e dans l'autre. Ces trois sous-unit s prot iques interagissent entre les deux moiti s. Transfert d' lectrons par l'interm diaire de la cytochrome c r ductase vers la petite prot ine porteuse soluble du cytochrome c. Les lectrons entrant de l'ubiquinol pr s du c t de la matrice de la membrane sont captur s par le cluster fer-soufre de la prot ine Rieske, qui d place son groupe fer-soufre d'avant en arri re pour transf rer ces lectrons l'h me c(rouge). L'h me c les transf re ensuite la mol cule porteuse du cytochrome c. Comme d taill dans la figure 14-23, un seul des deux lectrons de chaque ubiquinol est transf r par cette voie. Pour augmenter le pompage des protons, le deuxi me lectron de l'ubiquinol est transmis une mol cule d'ubiquinone li e la cytochrome c r ductase du c t oppos de la membrane, pr s de la matrice. (C) Il s'agit du symbole de la cytochrome c r ductase utilis dans ce chapitre. (Code PDB : 1EZV.) Le m canisme de boucle redox utilis est appel cycle Q, car alors que l'un des lectrons re us de chaque mol cule QH2 est transf r de l'ubiquinone travers le complexe la prot ine porteuse du cytochrome C, l'autre lectron est recycl dans le pool de quinone. Gr ce au m canisme illustr aux figures 14 23, le cycle Q augmente la quantit totale d' nergie redox qui peut tre stock e dans le gradient de protons lectrochimiques. En cons quence, deux protons sont pomp s travers la membrane crista pour chaque lectron transf r de la NADH d shydrog nase au cytochrome c. Le complexe cytochrome c oxydase pompe les protons et r duit l'O2 l'aide d'un centre catalytique fer-cuivre Le dernier maillon de la cha ne de transport d' lectrons mitochondriales est la cytochrome c oxydase. Le complexe cytochrome c oxydase accepte les lectrons du transporteur d' lectrons soluble cytochrome c, et il utilise encore un troisi me m canisme diff rent pour pomper les protons travers la membrane mitochondriale interne. La structure du complexe mammif re est illustr e aux figures 14 24. Les structures de r solution atomique, combin es l' tude de l'effet des mutations introduites dans l'enzyme par le g nie g n tique des prot ines de levure et bact riennes, ont r v l les m canismes d taill s de cette pompe protons entra n e par des lectrons. Parce que l'oxyg ne a une grande affinit pour les lectrons, il peut lib rer une grande quantit d' nergie libre lorsqu'il est r duit pour former de l'eau. Ainsi, l' volution de la respiration cellulaire, dans laquelle l'O2 est converti en eau, a permis aux organismes d'exploiter beaucoup plus d' nergie que ce qui peut tre d riv du m tabolisme ana robie. Comme nous le verrons plus loin, on pense que la disponibilit de la grande quantit d' nergie lib r e par la r duction de l'oxyg ne mol culaire pour former de l'eau a t essentielle l' mergence de la vie multicellulaire : cela ex |
Biologie moléculaire de la cellule | pliquerait pourquoi tous les grands organismes respirent. La capacit des syst mes biologiques utiliser l'O2 de cette mani re n cessite toutefois une chimie sophistiqu e. Une fois qu'une mol cule d'O2 a capt un lectron, elle forme un anion radical superoxyde (O2 ) qui est dangereusement r actif et absorbe rapidement trois lectrons suppl mentaires partout o elle peut les obtenir, avec des effets destructeurs sur son environnement imm diat. Nous ne pouvons tol rer l'oxyg ne dans l'air que nous respirons que parce que l'absorption du premier lectron par la mol cule d'O2 est lente, ce qui permet aux cellules d'utiliser des enzymes pour contr ler l'absorption d' lectrons par l'oxyg ne. Ainsi, la cytochrome c oxydase se maintient Figure 14 23 Le m canisme en deux tapes du cycle Q de la cytochrome c r ductase. l' tape 1, l'ubiquinol r duit par la NaDh d shydrog nase s'arrime au complexe cytochrome c r ductase. L'oxydation du quinol produit deux protons et deux lectrons. Les protons sont lib r s dans l'espace des cr tes. Un lectron passe via un amas fer-soufre vers l'h me c1, puis vers la prot ine porteuse d' lectrons soluble cytochrome c la surface de la membrane. le deuxi me lectron passe via les h mes bL et bh vers une ubiquinone (Q rouge) li e un site s par pr s du c t de la matrice de la prot ine. L'absorption d'un proton partir de la matrice produit un radical ubisemiquinone (voir Figure 14 17), qui reste li ce site (Qh en rouge dans B). l' tape 2, un deuxi me ubiquinol (bleu Qh2) s'amarre et lib re deux protons et deux lectrons, comme d crit pour l' tape 1. Un lectron est transmis un second cytochrome c, tandis que l'autre lectron est accept par l'ubisemiquinone. l'ubisemiquinone absorbe un proton de la matrice et est lib r e dans la bicouche lipidique sous forme d'ubiquinol enti rement r duit (rouge Qh2). Dans l'ensemble, l'oxydation d'un ubiquinol dans le cycle Q pompe deux protons travers la membrane par une lib ration directionnelle et une absorption de protons (voir Figure 14-21), tout en lib rant deux autres dans l'espace des cr tes. De plus, dans chacune des deux tapes et (B), un lectron est transf r un transporteur du cytochrome c (Vid o 14.4). Figure 14 24 La structure de la cytochrome c oxydase. Le dernier complexe de la cha ne de transfert d' lectrons mitochondriaux se compose de 13 sous-unit s prot iques diff rentes, avec une masse totale de 204 000 daltons. (a) L'ensemble du complexe dim rique est repr sent , positionn dans la membrane crista. les sous-unit s I (vert), II (violet) et III (bleu), hautement conserv es, sont cod es par le g nome mitochondrial et forment le noyau fonctionnel de l'enzyme. (B) le noyau fonctionnel du complexe. Les lectrons traversent cette structure du cytochrome c via des ions de cuivre li s (sph res bleues) et des h mes (rouges) une mol cule d'O2 li e entre l'h me a3 et un ion cuivre. les quatre protons n cessaires pour r duire l'O2 en eau sont pr lev s dans la matrice ; voir aussi les figures 14 et 25. (C) cela montre le symbole de la cytochrome c oxydase utilis dans ce chapitre. (code pDB : 2OCC.) 772 Chapitre 14 : Conversion d' nergie : les mitochondries et les chloroplastes se transforment en oxyg ne au niveau d'un centre bim tallique sp cial, o ils restent coinc s entre un atome de fer li l'h me et un ion cuivre jusqu' ce qu'ils aient capt un total de quatre lectrons. Ce n'est qu' ce moment-l que les deux atomes d'oxyg ne de la mol cule d'oxyg ne sont lib r s en toute s curit sous la forme de deux mol cules d'eau (Figure 14-25). La r action de la cytochrome c oxydase repr sente environ 90 % de l'absorption totale d'oxyg ne dans la plupart des cellules. Ce complexe prot ique est donc crucial pour toute vie a robie. Le cyanure et l'azoture sont extr mement toxiques car ils se lient aux atomes de fer h minique de la cytochrome c oxydase beaucoup plus troitement que l'oxyg ne, r duisant ainsi consid rablement la production d'ATP. la cha ne respiratoire forme un supercomplexe dans la membrane Crista En utilisant la cryomicroscopie lectronique pour examiner des prot ines qui ont t tr s doucement isol es, il peut tre d montr que les trois complexes prot iques qui forment la cha ne respiratoire s'assemblent en un supercomplexe encore plus grand dans la membrane crista. Comme l'illustre la figure 14-26, on pense que cette structure aide les porteurs d' lectrons mobiles ubiquinone (dans la membrane crista) et le cytochrome c (dans l'espace crista) transf rer des lectrons avec une grande efficacit . La formation du supercomplexe d pend de la pr sence de la cardiolipine, un lipide mitochondrial (voir Figure 14-11), qui fonctionne probablement comme une colle hydrophobe qui maintient les composants ensemble. En plus des trois pompes protons du supercomplexe dont nous venons de parler, l'une des enzymes du cycle de l'acide citrique, la succinate d shydrog nase, est int gr e dans la membrane mitochond |
Biologie moléculaire de la cellule | riale des cristas. Au cours de l'oxydation du succinate en fumarate dans la matrice, ce complexe enzymatique capture des lectrons sous la forme d'une mol cule FADH2 troitement li e (voir panneau 2-9, pp. 106-107) et les transmet Figure 14 25La r action de l'O2 avec les lectrons dans la cytochrome c oxydase. Les lectrons du cytochrome c traversent le complexe via des ions de cuivre li s (sph res bleues) et des h mes (rouges) vers une mol cule d'O2 li e entre l'h me a3 et un ion cuivre. Les ions fer sont repr sent s par des sph res rouges. l'atome de fer dans l'h me sert de point d'attente d' lectrons o les lectrons sont maintenus afin qu'ils puissent tre lib r s vers une mol cule d'O2 (non illustr e) qui est maintenue au centre bim tallique du site actif, qui est form par le fer central de l'autre h me (h me A3) et un atome de cuivre troitement appos . les quatre protons n cessaires pour r duire l'O2 en eau sont limin s de la matrice. Pour chaque mol cule d'O2 qui subit la r action 4e + 4h+ + O2 2h2O, quatre autres protons sont pomp s hors de la matrice par des m canismes qui sont entra n s par des changements allost riques de conformation des prot ines (voir Figure 14 28). Cytochrome c fer-soufre Figure 14 26 Les mitochondries de la cha ne respiratoire. Les trois complexes CRISTA pompeurs de protons de la cha ne respiratoire mitochondriale des mitochondries de mammif res s'assemblent en grands supercomplexes dans la membrane crista. Les supercomplexes peuvent tre isol s par un traitement d tergent doux des mitochondries, et leur structure a t d chiffr e par cryomicroscopie lectronique particule unique. Le supercomplexe du c ur bovin a une masse totale de 1,7 m gadalton. On voit un sch ma d'un tel complexe qui se compose de la NaDh d shydrog nase, de la cytochrome c r ductase et de la cytochrome c oxydase, comme indiqu . les sites de liaison du quinol oppos s de la NaDh d shydrog nase et de la cytochrome c r ductase, ainsi que la courte distance entre les sites de liaison du cytochrome c dans la cytochrome c r ductase et la cytochrome c oxydase, facilitent un transfert d' lectrons rapide et efficace. Les cofacteurs actifs dans le transport des lectrons sont marqu s par un point jaune (mononucl otide de flavine), des points rouges et jaunes (amas fer-soufre), Q (quinone), des carr s rouges (h mes) et un point bleu (atome de cuivre). Seuls les cofacteurs participant au flux lin aire d' lectrons du NaDh vers l'eau sont repr sent s. Les fl ches bleues indiquent la trajectoire des lectrons travers le supercomplexe. (adapt de T. Athoff et al., EMBO J. 30:4652 4664, 2011.) Une mol cule de l'ubiquinone. L'ubiquinol r duit transmet ensuite ses deux lectrons la cha ne respiratoire via la cytochrome c r ductase (voir Figure 14-18). La succinate d shydrog nase n'est pas une pompe protons et ne contribue pas directement au potentiel lectrochimique utilis pour la production d'ATP dans les mitochondries. Ainsi, il n'est pas consid r comme faisant partie int grante de la cha ne respiratoire. Les protons dans l'eau sont tr s mobiles : en se dissociant rapidement d'une mol cule d'eau et en s'associant sa voisine, ils peuvent rapidement traverser un r seau de mol cules d'eau li es l'hydrog ne (voir Figure 2-5). Mais comment un proton peut-il se d placer travers l'int rieur hydrophobe d'une prot ine int gr e dans la bicouche lipidique ? Les prot ines de translocation de protons contiennent ce que l'on appelle des fils de protons, qui sont des rang es de cha nes lat rales polaires ou ioniques, ou des mol cules d'eau espac es de courtes distances, de sorte que les protons peuvent sauter de l'un l'autre (Figure 14 27). Le long de ces voies pr d finies, les protons se d placent jusqu' 40 fois plus vite que dans l'eau en vrac. La structure tridimensionnelle de la cytochrome c oxydase indique deux voies diff rentes d'absorption des protons. Cela a confirm des tudes de mutag n se ant rieures, qui avaient montr que le remplacement des cha nes lat rales de certains r sidus d'aspartate ou d'arginine, dont les cha nes lat rales peuvent se lier et lib rer des protons, a permis de La cytochrome C oxydase est moins efficace en tant que pompe protons. Mais comment le transport d' lectrons peut-il provoquer des changements allost riques dans les conformations des prot ines qui pompent les protons ? Du point de vue le plus fondamental, si le transport d' lectrons entra ne des changements allost riques s quentiels dans la conformation des prot ines qui modifient l' tat redox des composants, ces changements conformationnels peuvent tre connect s des fils prot iques qui permettent la prot ine de pomper H+ travers la membrane crista. Ce type de pompage H+ n cessite au moins trois conformations distinctes pour la prot ine de pompe, comme illustr sch matiquement dans la figure 14-28. Figure 14 27 Mouvement des protons dans l'eau et les prot ines. (a) les protons se d placent rapidement d |
Biologie moléculaire de la cellule | ans l'eau, sautant d'une mol cule h2O l'autre par la formation continue et la dissociation des ions hydronium, h3O+ (voir chapitre 2). Dans ce sch ma, les sauts de protons sont indiqu s par des fl ches rouges. Ce sont des chemins de protons pr d finis constitu s de cha nes lat rales d'acides amin s convenablement espac es qui acceptent et lib rent facilement des protons (asp, Glu) ou portent un groupe hydroxyle semblable l'eau (Ser, thr), ainsi que des mol cules d'eau pi g es l'int rieur de la prot ine. La cha ne respiratoire int gr e dans la membrane mitochondriale interne contient trois complexes d'enzymes respiratoires, travers lesquels les lectrons passent du NADH l'O2. Dans ces complexes, les lectrons sont transf r s le long d'une s rie de transporteurs d' lectrons li s aux prot ines, y compris les h mes et les amas fer-soufre. L' nergie lib r e lorsque les lectrons se d placent vers des niveaux d' nergie de plus en plus bas est utilis e pour pomper les protons par diff rents m canismes dans les trois complexes d'enzymes respiratoires, chacun couplant le transport lat ral d' lectrons au transport vectoriel de protons travers la membrane. Les lectrons sont transport s entre les complexes enzymatiques par les porteurs d' lectrons mobiles ubiquinone et cytochrome c pour compl ter la cha ne de transport d' lectrons. La voie du flux d' lectrons est le complexe NADH NADH d shydrog nase l'ubiquinone la cytochrome c r ductase le complexe cytochrome c cytochrome c oxydase l'oxyg ne mol culaire (O2). Comme nous venons de le voir, les trois pompes protons de la cha ne respiratoire contribuent chacune la formation d'un gradient de protons lectrochimiques travers la membrane mitochondriale interne. Ce gradient entra ne la synth se de l'ATP par l'ATP synthase, un grand complexe prot ique li une membrane qui accomplit l'exploit extraordinaire de convertir l' nergie contenue dans ce gradient lectrochimique en nergie de liaison chimique biologiquement utile sous forme d'ATP (voir Figure 14-10). Les protons descendent leur gradient lectrochimique travers la partie membranaire de cette turbine protons, entra nant ainsi la synth se de l'ATP partir de l'ADP et du Pi dans la partie extramembraneuse du complexe. Comme nous l'avons vu au chapitre 2, la formation d'ATP partir de l'ADP et du phosphate inorganique est tr s d favorable sur le plan nerg tique. Comme nous le verrons, l'ATP synthase ne peut produire de l'ATP qu'en raison des changements de forme allost riques de ce complexe prot ique qui couplent directement la synth se de l'ATP au flux nerg tiquement favorable des protons travers sa membrane. la grande valeur n gative de G pour l'hydrolyse de l'atp rend l'atp utile la cellule Une personne moyenne retourne environ 50 kg d'ATP par jour. Chez les athl tes qui courent un marathon, ce chiffre peut aller jusqu' plusieurs centaines de kilogrammes. L'ATP produit dans les mitochondries est d riv de l' nergie disponible dans les interm diaires NADH, FADH2 et GTP. Ces trois compos s riches en nergie sont produits la fois par l'oxydation du glucose (tableau 14-1A) et par l'oxydation des graisses (tableau 14-1B ; voir aussi figure 2-56). La glycolyse seule ne peut produire que deux mol cules d'ATP pour chaque mol cule de glucose m tabolis e, et il s'agit du rendement nerg tique total pour les processus de fermentation qui se produisent en l'absence d'O2 (discut au chapitre 2). En oxydatif Figure 14 28 Un mod le g n ral pour le pompage H+ coupl au transport d' lectrons. on pense que ce m canisme de pompage H+ par une prot ine transmembranaire est utilis par la NaDh d shydrog nase et la cytochrome c oxydase, ainsi que par de nombreuses autres pompes protons. La prot ine est entra n e par un cycle de trois conformations. Dans l'une de ces conformations, la prot ine a une grande affinit pour h+, ce qui l'am ne capter un h+ l'int rieur de la membrane. Dans une autre conformation, la prot ine a une faible affinit pour h+, ce qui l'am ne lib rer un h+ l'ext rieur de la membrane. comme indiqu , les transitions d'une conformation une autre ne se produisent que dans une seule direction, car elles sont entra n es par leur couplage allost riquement au processus nerg tiquement favorable du transport des lectrons (discut au chapitre 11). phosphorylation, chaque paire d' lectrons donn e par le NADH produit dans les mitochondries peut fournir de l' nergie pour la formation d'environ 2,5 mol cules d'ATP. La phosphorylation oxydative produit galement 1,5 mol cule d'ATP par paire d' lectrons partir de la FADH2 produite par la succinate d shydrog nase dans la matrice mitochondriale et des mol cules de NADH produites par la glycolyse dans le cytosol. partir des rendements de produits de la glycolyse et du cycle de l'acide citrique, nous pouvons calculer que l'oxydation compl te d'une mol cule de glucose en commen ant par la glycolyse et en terminant pa |
Biologie moléculaire de la cellule | r la phosphorylation oxydative donne un rendement net d'environ 30 mol cules d'ATP. Presque tout cet ATP est produit par l'ATP synthase mitochondriale. Dans le chapitre 2, nous avons introduit le concept d' nergie libre (G). La variation d' nergie libre d'une r action, G, d termine si cette r action se produira dans une cellule. Nous avons montr aux pp. 60-63 que la G d'une r action donn e peut s' crire comme la somme de deux parties : la premi re, appel e variation standard d' nergie libre, G , d pend uniquement des caract res intrins ques des mol cules r actives ; La seconde ne d pend que de leurs concentrations. Pour la r action simple A B, [A] o [A] et [B] d signent les concentrations de A et B, et ln est le logarithme n p rien. G est la valeur de r f rence standard, qui peut tre consid r e comme gale la valeur de G lorsque les concentrations molaires de A et B sont gales (puisque ln 1 = 0). Dans le chapitre 2, nous avons discut de la fa on dont le changement d' nergie libre important et favorable (grand G n gatif) pour l'hydrolyse de l'ATP est utilis , par le biais de r actions coupl es, pour entra ner de nombreuses autres r actions chimiques dans la cellule qui ne se produiraient pas autrement (voir pp. 65-66). La r action d'hydrolyse de l'ATP produit deux produits, l'ADP et le Pi ; il est donc du type A B + C, o , comme le montre la figure 14-29, [B][C] Lorsque l'ATP est hydrolys en ADP et Pi dans les conditions qui existent normalement dans une pile, la variation d' nergie libre est d'environ -46 -54 kJ/mole (-11 -13 kcal/mole). Cette G extr mement favorable d pend du maintien d'une concentration lev e d'ATP par rapport aux concentrations d'ADP et de Pi. Lorsque l'ATP, l'ADP et le Pi sont tous pr sents la m me concentration de 1 mole/litre (conditions dites standard), le G pour l'hydrolyse de l'ATP tombe la variation d' nergie libre standard ( G ), qui n'est que de -30,5 kJ/mole (-7,3 kcal/mole). des concentrations beaucoup plus faibles d'ATP par rapport l'ADP et au Pi, G devient z ro. ce stade, le taux L' QUILIBRE : concentration de synth se de de de l'hydrolyse Constante de + constante de vitesse de synth se de phosphate de l'ADP vitesse de synth se = 2 4 ATPADPPi concentration de la concentration de l'hydrolyse Constante de vitesse de phosphate ADP donc, = = = constante d' quilibre Synth se de la concentration d'ATP constante ou abr g e, l' quilibre, la r action n'a pas d'effet net sur le d sordre de Pour la r action de l'univers, donc G = 0. Par cons quent, l' quilibre, l' quation suivante s'applique : Mais les concentrations de r actifs l' quilibre doivent satisfaire l' quation d' quilibre : Par cons quent, l' quilibre, o G et Go sont en joules par mole, R est la constante des gaz (8,3 J/mole K), T est la temp rature absolue (K), et toutes les concentrations sont en moles par litre. On voit donc que tandis que Go indique le point d' quilibre pour un Lorsque les concentrations de tous les r actifs sont 1 M, G = r action Go, G r v le quelle distance la r action se trouve de l' quilibre. G est (puisque RT ln 1 = 0). Go est donc une constante d finie comme une mesure de la force motrice de toute r action chimique, tout comme la variation standard d' nergie libre pour la r action. La force motrice des protons est la force motrice de la translocation des protons. l'ADP et le Pi qui se joindront pour former l'ATP seront gaux la vitesse laquelle l'ATP s'hydrolyse pour former l'ADP et le Pi. En d'autres termes, lorsque G = 0, la r action est l' quilibre (voir Figure 14 29). C'est G, et non G , qui indique quel point une r action est loign e de l' quilibre et d termine si elle peut entra ner d'autres r actions. Parce que la conversion efficace de l'ADP en ATP dans les mitochondries maintient une concentration si lev e d'ATP par rapport l'ADP et au Pi, la r action d'hydrolyse de l'ATP dans les cellules est maintenue tr s loin de l' quilibre et G est donc tr s n gative. Sans ce grand d s quilibre, l'hydrolyse de l'ATP ne pourrait pas tre utilis e pour piloter les r actions de la cellule. de faibles concentrations d'ATP, de nombreuses r actions biosynth tiques se d rouleraient l'envers et la cellule mourrait. l'atp synthase est une nanomachine qui produit de l'atp par catalyse rotative L'ATP synthase est une nanomachine finement r gl e compos e d'au moins 23 sous-unit s prot iques distinctes, avec une masse totale d'environ 600 000 daltons. L'ATP synthase peut fonctionner la fois dans le sens avant, en produisant de l'ATP partir de l'ADP et du phosphate en r ponse un gradient lectrochimique, ou en sens inverse, en g n rant un gradient lectrochimique par hydrolyse de l'ATP. Pour le distinguer des autres enzymes qui hydrolysent l'ATP, on l'appelle galement ATP synthase F1Fo ou ATPase de type F. Semblable une turbine, l'ATP synthase est compos e d'un rotor et d'un stator (Figure 14 30). Pou |
Biologie moléculaire de la cellule | r emp cher la t te catalytique de tourner, une tige la p riph rie du complexe (la tige du stator) relie la t te aux sous-unit s du stator int gr es dans la membrane. Une deuxi me tige au centre de l'ensemble (la tige du rotor) est reli e l'anneau du rotor dans la membrane qui tourne lorsque les protons la traversent, entra n s par le gradient lectrochimique travers la membrane. En cons quence, le proton Figure 14 29 La relation de base entre les changements d' nergie libre et l' quilibre dans la r action d'hydrolyse de l'ATP. Les constantes de vitesse des cases 1 et 2 sont d termin es partir d'exp riences dans lesquelles l'accumulation de produit est mesur e en fonction du temps (conc., concentration). la constante d' quilibre repr sent e ici, K, est exprim e en moles par litre. (Voir les panneaux 2-7, pp. 102-103, pour une discussion sur l' nergie libre et voir la figure 3-44 pour une discussion sur la constante d' quilibre.) fait tourner la tige du rotor l'int rieur de la t te fixe, o se trouvent les sites catalytiques qui assemblent l'ATP partir de l'ADP et du Pi. Trois sous-unit s et trois sous-unit s de structure similaire alternent pour former la t te. Chacune des trois sous-unit s a un site de liaison nucl otidique catalytique l'interface / . Ces sites catalytiques sont tous dans des conformations diff rentes, en fonction de leur interaction avec la tige du rotor. Cette tige agit comme un arbre cames, le dispositif qui ouvre et ferme les soupapes d'un moteur combustion. En tournant l'int rieur de la t te, la tige modifie s quentiellement les conformations des sous-unit s . L'une des conformations possibles des sites catalytiques a une forte affinit pour l'ADP et le Pi, et lorsque la tige du rotor pousse le site de liaison dans une conformation diff rente, ces deux substrats sont entra n s former de l'ATP. De cette fa on, la force m canique exerc e par la tige centrale du rotor est directement convertie en nergie chimique de la liaison phosphate ATP. Servant de turbine entra n e par des protons, l'ATP synthase est entra n e par le flux H+ dans la matrice pour tourner environ 8000 tours par minute, g n rant trois mol cules d'ATP par tour. De cette fa on, chaque ATP synthase peut produire environ 400 mol cules d'ATP par seconde. les turbines entra n es par des protons sont d'origine ancienne Les rotors membranaires des ATP synthases sont constitu s d'un anneau de sous-unit s c identiques (Figure 14 31). Chaque sous-unit c est une pingle cheveux de deux h lices de membranaires qui contiennent un site de liaison aux protons d fini par un glutamate ou un aspartate au milieu de la bicouche lipidique. La sous-unit a, qui fait partie du stator (voir Figure 14-30), forme deux canaux troits l'interface entre le rotor et le stator, chacun couvrant la moiti de la membrane et convergeant vers le site de liaison aux protons au milieu de la sous-unit du rotor. Les protons circulent travers les deux demi-canaux le long de leur gradient lectrochimique de l'espace crista vers la matrice. Une cha ne lat rale charg e n gativement dans le site de liaison accepte un proton arrivant de l'espace crista par le premier demi-canal, alors qu'il tourne au-del de la sous-unit a. Le proton li tourne ensuite dans l'anneau pendant un cycle complet, apr s quoi on pense qu'il est d plac par une arginine charg e positivement dans la sous-unit a, et s' chappe Figure 14 30 ATP synthase. la structure tridimensionnelle de l'atp synthase F1Fo, d termin e par cristallographie aux rayons X. galement connue sous le nom d'atpase de type F, elle se compose d'une partie Fo (du facteur sensible l'oligomycine ) dans la membrane et de la grande t te catalytique F1 dans la matrice. Dans des conditions de dissociation l g re, ce complexe se s pare en ses composantes F1 et Fo, qui peuvent tre isol es et tudi es individuellement. (a) Sch ma du complexe enzymatique montrant comment sa partie de t te globulaire (vert) est maintenue stationnaire lorsque le flux de protons travers la membrane entra ne un rotor (bleu) qui tourne l'int rieur de celle-ci. (B) Dans les mitochondries cardiaques bovines, l'anneau rotor Fo dans la membrane (bleu clair) comporte huit sous-unit s c. Il est attach la sous-unit de la tige centrale (bleu fonc ) par la sous-unit (violet). la t te catalytique F1 se compose d'un anneau de trois sous-unit s et trois sous-unit s (vert clair et vert fonc ), et elle convertit directement l' nergie m canique en nergie de liaison chimique en ATP, comme d crit dans le texte. la tige p riph rique allong e du stator (orange) est reli e la t te F1 par la petite sous-unit (rouge) une extr mit , et la sous-unit a de la membrane (ovale rose) l'autre. Avec les sous-unit s C de l'anneau qui tournent au-del de lui, la sous-unit A cr e un chemin pour les protons travers la membrane. (C) le symbole de l'atp synthase utilis tout au long de ce livre. Les |
Biologie moléculaire de la cellule | ATP synthases troitement apparent es des mitochondries, des chloroplastes et des bact ries synth tisent l'ATP en exploitant la force motrice des protons travers une membrane. cela alimente la rotation du rotor contre le stator dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, comme on le voit depuis la t te F1. Le m me complexe enzymatique peut galement pomper des protons contre leur gradient lectrochimique en hydrolysant l'ATP, qui entra ne ensuite la rotation du rotor dans le sens des aiguilles d'une montre. la direction de fonctionnement d pend de la variation nette d' nergie libre ( G) pour les processus coupl s de translocation h+ travers la membrane et la synth se de l'ATP partir de aDp et pi (Vid o 14.5 et Vid o 14.6). La mesure du couple que l'atp synthase peut produire par hydrolyse de l'atp r v le que l'atp synthase est 60 fois plus puissante qu'un moteur diesel de dimensions gales. (B, avec la permission de K. Davies. Codes pDB : 2WpD, 2CLy, 2WSS, 2BO5.) par le second demi-canal dans la matrice. Ainsi, l' coulement de protons fait tourner l'anneau du rotor contre le stator comme une turbine entra n e par des protons. L'ATP synthase mitochondriale est d'origine ancienne : essentiellement la m me enzyme se trouve dans les chloroplastes v g taux et dans la membrane plasmique des bact ries ou des arch es. La principale diff rence entre eux est le nombre de sous-unit s c dans l'anneau du rotor. Chez les mitochondries de mammif res, l'anneau comporte 8 sous-unit s. Dans les mitochondries de levure, le nombre est de 10 ; chez les bact ries et les arch es, elle varie de 11 13 ; dans les chloroplastes v g taux, il y en a 14 ; Et les anneaux de certaines cyanobact ries contiennent des sous-unit s de 15 C. Les sous-unit s c de l'anneau du rotor peuvent tre consid r es comme des rouages dans les engrenages d'un v lo. Un rapport lev , avec un petit nombre de pignons, est avantageux lorsque l'apport de protons est limit , comme dans les mitochondries, mais un rapport bas, avec un grand nombre de pignons dans la roue, est pr f rable lorsque le gradient de protons est lev . C'est le cas des chloroplastes et des cyanobact ries, o les protons produits par l'action de la lumi re du soleil sont abondants. Parce que chaque rotation produit trois mol cules d'ATP dans la t te, la synth se d'un ATP n cessite environ trois protons dans les mitochondries, mais jusqu' cinq dans les organismes photosynth tiques. C'est le nombre de sous-unit s c dans l'anneau qui d finit le nombre de protons n cessaires pour passer travers ce merveilleux dispositif pour fabriquer chaque mol cule d'ATP, et donc le rapport ATP/ADP lev qui peut tre maintenu par l'ATP synthase. En principe, l'ATP synthase peut galement fonctionner en sens inverse en tant que pompe protons aliment e par l'ATP qui convertit le l' nergie de l'ATP en un gradient de protons travers la membrane. Chez de nombreuses bact ries, le rotor de l'ATP synthase dans la membrane plasmique change r guli rement de direction, passant du mode de synth se de l'ATP dans la respiration a robie au mode d'hydrolyse de l'ATP dans le m tabolisme ana robie. Dans ce dernier cas, l'hydrolyse de l'ATP sert maintenir le gradient de protons travers la membrane plasmique, qui est utilis pour alimenter de nombreuses autres fonctions cellulaires essentielles, notamment le transport des nutriments et la rotation des flagelles bact riens. Les ATPases de type V qui acidifient certains organites cellulaires sont architecturalement similaires aux ATP synthases de type F, mais elles fonctionnent normalement en sens inverse (voir Figure 13-37). Les cr tes mitochondriales aident rendre la synth se de l'atp efficace (A) Au microscope lectronique, on peut voir les complexes mitochondriaux ATP synthase se projeter comme des sucettes sur le c t matriciel des membranes de cr tes. Des tudes r centes par cryomicroscopie lectronique et tomographie ont montr que ce grand complexe n'est pas distribu au hasard dans la membrane, mais forme de longues rang es de dim res le long des cr tes (Figure 14 32). Les rang es de dim res induisent ou stabilisent ces r gions de forte courbure membranaire, qui sont par ailleurs nerg tiquement d favorables. En effet, la formation de dim res d'ATP synthase et leur assemblage en rang es sont n cessaires la formation des cr tes et ont des cons quences consid rables sur la valeur adaptative cellulaire. Contrairement aux ATP synthases bact riennes ou chloroplastes, qui ne forment pas de dim res, le complexe mitochondrial contient des sous-unit s suppl mentaires, situ es principalement pr s de l'extr mit membranaire de la tige du stator. Plusieurs de ces sous-unit s se sont av r es sp cifiques aux dim res. Si ces sous-unit s sont mut es chez la levure, l'ATP synthase dans la membrane reste monom re, les mitochondries n'ont pas de cr tes, la respiration cellulaire chute de moiti et les cellules se d veloppent plus lentement. Figure 14 31 |
Biologie moléculaire de la cellule | Anneaux de rotor de l'ATP synthase. (a) Image de microscopie force atomique de rotors d'ATP synthase de la cyanobact rie Synechococcus elongatus dans une bicouche lipidique. Alors que 8 sous-unit s c forment le rotor sur la figure 14-30, il y a 13 sous-unit s c dans cet anneau. (B) la structure radiographique de l'anneau Fo de l'atp synthase de Spirulina platensis, une autre cyanobact rie, montre que ce rotor a des sous-unit s 15 c. Dans toutes les atp synthases, les sous-unit s c sont des pingles cheveux de deux h lices membranaires (une sous-unit est surlign e en gris). Les h lices sont tr s hydrophobes, l'exception de deux cha nes lat rales de glutamine et de glutamate (jaune) qui cr ent des sites de liaison aux protons dans la membrane. (a, avec l'aimable autorisation de Thomas Meier et Denys pogoryelov ; B, code pDB : 2WIE.) La tomographie lectronique sugg re que les pompes protons de la cha ne respiratoire sont situ es dans les r gions membranaires de part et d'autre des rang es de dim res. On pense que les protons pomp s dans l'espace des cr tes par ces complexes de cha nes respiratoires diffusent tr s rapidement le long de la surface de la membrane, les rang es d'ATP synthase cr ant un puits de protons aux extr mit s des cr tes (Figure 14-33). Des tudes in vitro sugg rent que l'ATP synthase a besoin d'un gradient de protons d'environ 2 unit s de pH pour produire de l'ATP la vitesse requise par la cellule, quel que soit le potentiel membranaire. Le gradient H+ travers la membrane mitochondriale interne n'est que de 0,5 0,6 unit de pH. Les cr tes semblent donc fonctionner comme des pi ges protons qui permettent l'ATP synthase d'utiliser efficacement les protons pomp s hors de la matrice mitochondriale. Comme nous le verrons dans la section suivante, cet arrangement labor de complexes prot iques membranaires est absent dans les chloroplastes, o le gradient H+ est beaucoup plus lev . Prot ines de transport sp ciales : changent de l'atp et de l'aDp travers la membrane interne Comme toutes les membranes biologiques, la membrane mitochondriale interne contient de nombreuses prot ines de transport sp cifiques qui permettent des substances particuli res de passer travers. L'une des plus abondantes d'entre elles est la prot ine porteuse ADP/ATP (Figure 14 34). Ce transporteur transporte l'ATP produit dans la matrice travers la membrane interne vers l'espace intermembranaire, d'o il diffuse travers la membrane mitochondriale externe jusqu'au cytosol. En change, l'ADP passe du cytosol la matrice pour tre recycl en ATP. L'ATP4 a une charge n gative de plus que l'ADP3 , et l' change d'ATP et d'ADP est entra n par le gradient lectrochimique travers la membrane interne, de sorte que le plus d'ATP charg n gativement est pouss hors de la matrice, et que le moins de charge n gative de l'ADP est attir . Le transporteur ADP/ATP n'est qu'un seul membre d'une famille de porteurs mitochondriaux : l'innerCYTOSOL pH 7.4 membrane interneMATRIX pH 7.9 ATP synthaseFigure 14 32 Dim res de l'ATP synthase mitochondriale dans les membranes cristae. Une carte tridimensionnelle d'une petite mitochondrie obtenue par tomographie au microscope lectronique montre que les ATP synthases forment de longues rang es appari es le long des cr tes de Cristae. La membrane externe est grise, la membrane interne et les membranes Crist e ont t color es en bleu clair. Chaque t te d'une atp synthase est indiqu e par une sph re jaune. (B) une carte tridimensionnelle d'un dim re mitochondrial de l'atp synthase dans la membrane crista obtenue par calcul de la moyenne par sous-tomogramme, avec des structures de rayons X ajust es (Vid o 14.7). (a, de K. Davies et al., Proc. Natl Acad. Sci. USA 108:14121 14126, 2011. Avec l'autorisation de l'Acad mie nationale des sciences ; B, d'apr s K. Davies et al., Proc. Natl Acad. Sci. USA 109:13602 13607, 2012. Avec l'autorisation de l'Acad mie nationale des sciences.) Figure 14 33 Dim res de l'ATP synthase aux cr tes et production d'ATP. Au niveau des cr tes Crista, les ATP synthases (jaune) forment un puits pour les protons (rouge). Les pompes protons de la cha ne de transport d' lectrons (en vert) sont situ es dans les r gions membranaires de chaque c t de la crista. Comme nous l'avons illustr , les protons ont tendance diffuser le long de la membrane depuis leur source jusqu'au puits de protons cr par l'ATP synthase. Cela permet une production efficace d'ATP malgr le faible gradient H+ entre le cytosol et la matrice. Les fl ches rouges indiquent la direction du flux de protons. Figure 14 34 La prot ine porteuse ADP/ATP. (a) la prot ine porteuse aDp/atp est une petite prot ine membranaire qui transporte l'atp produit du c t de la matrice de la membrane interne vers l'espace intermembranaire, et l'aDp qui est n cessaire la synth se de l'atp dans la matrice. (B) Dans le porteur aDp/atp, six h lices transmembranaires d finissent une cavi |
Biologie moléculaire de la cellule | t qui se lie soit aDp, soit atp. Dans cette structure rayons X, le substrat est remplac par un inhibiteur troitement li (color ). Lorsque l'aDp se lie de l'ext rieur de la membrane interne, elle d clenche un changement de conformation et est lib r e dans la matrice. En change, une mol cule d'atp se lie rapidement au c t matriciel du support et est transport e vers l'espace intermembranaire. De l , l'atp se diffuse travers la membrane mitochondriale externe jusqu'au cytoplasme, o il alimente les processus n cessitant de l' nergie dans la cellule. (B, code pDB : 1OKC.) La membrane mitochondriale contient environ 20 prot ines porteuses apparent es changeant divers autres m tabolites, y compris le phosphate qui est n cessaire avec l'ADP pour la synth se de l'ATP. Dans certaines cellules adipeuses sp cialis es, la respiration mitochondriale est d coupl e de la synth se de l'ATP par la prot ine de d couplage, un autre membre de la famille des porteurs mitochondriaux. Dans ces cellules, connues sous le nom de cellules adipeuses brunes, la majeure partie de l' nergie d'oxydation est dissip e sous forme de chaleur plut t que d' tre convertie en ATP. Dans les membranes internes des grandes mitochondries de ces cellules, la prot ine de d couplage permet aux protons de se d placer le long de leur gradient lectrochimique sans passer par l'ATP synthase. Ce processus est activ lorsque la g n ration de chaleur est n cessaire, ce qui am ne les cellules oxyder leurs r serves de graisse un rythme rapide et produire de la chaleur plut t que de l'ATP. Les tissus contenant de la graisse brune servent de coussins chauffants , aidant raviver les animaux en hibernation et prot ger les b b s humains nouveau-n s du froid. Les bact ries utilisent des sources d' nergie extr mement diverses. Certains, comme les cellules animales, sont a robies ; ils synth tisent l'ATP partir des sucres qu'ils oxydent en CO2 et H2O par glycolyse, le cycle de l'acide citrique et une cha ne respiratoire dans leur membrane plasmique qui est similaire celle de la membrane mitochondriale interne. D'autres sont des ana robies stricts, tirant leur nergie soit de la glycolyse seule (par fermentation, voir figure 2-47), soit d'une cha ne de transport d' lectrons qui utilise une mol cule autre que l'oxyg ne comme accepteur final d' lectrons. L'accepteur d' lectrons alternatif peut tre un compos azot (nitrate ou nitrite), un compos soufr (sulfate ou sulfite), ou un compos carbon (fumarate ou carbonate), par exemple. Une s rie de transporteurs d' lectrons dans la membrane plasmique qui sont comparables ceux des cha nes respiratoires mitochondriales transf re les lectrons ces accepteurs. Malgr cette diversit , la membrane plasmique de la grande majorit des bact ries contient une ATP synthase tr s similaire celle des mitochondries. Chez les bact ries qui utilisent une cha ne de transport d' lectrons pour r colter de l' nergie, la cha ne de transport d' lectrons pompe H+ hors de la cellule et tablit ainsi une force motrice de protons travers la membrane plasmique qui entra ne l'ATP synthase pour produire de l'ATP. Chez d'autres bact ries, l'ATP synthase fonctionne l'envers, en utilisant l'ATP produit par la glycolyse pour pomper H+ et tablir un gradient de protons travers la membrane plasmique. Les bact ries, y compris les ana robies stricts, maintiennent un gradient de protons travers leur membrane plasmique qui est exploit pour piloter de nombreux autres processus. Il peut tre utilis pour entra ner un moteur flagellaire, par exemple (Figure 14 35). Ce gradient est exploit pour pomper le Na+ hors de la bact rie via un antiporteur Na+-H+ qui remplace la pompe Na+-K+ des cellules eucaryotes. Le gradient est galement utilis pour le transport actif vers l'int rieur des nutriments, tels que la plupart des acides amin s et de nombreux sucres : chaque nutriment est entra n dans la cellule avec un ou plusieurs protons travers un symporteur sp cifique (Figure 14 36 ; voir aussi Chapitre 11). Dans les cellules animales, en revanche, la majeure partie du transport vers l'int rieur travers la membrane plasmique est entra n e par le gradient Na+ (Na+ lev l'ext rieur, Na+ faible l'int rieur) qui est tabli par la pompe Na+-K+ (voir Figure 11-15). Certaines bact ries inhabituelles se sont adapt es pour vivre dans un environnement tr s alcalin et doivent pourtant maintenir leur cytoplasme un pH physiologique. Pour ces piles, toute tentative de g n rer un gradient lectrochimique H+ se heurterait un grand gradient de concentration H+ dans la mauvaise direction (H+ plus lev l'int rieur qu' l'ext rieur). Probablement pour cette raison, certaines de ces bact ries substituent Na+ H+ dans tous leurs m canismes chimiosmotiques. La cha ne respiratoire pompe le Na+ hors de la cellule, les syst mes de transport et le moteur flagellaire sont entra n s par un flux entrant de Na+, et une ATP synthase ent |
Biologie moléculaire de la cellule | ra n e par le Na+ synth tise l'ATP. L'existence de telles bact ries d montre un point critique : le principe de la chimiosmose est plus fondamental que la force motrice des protons sur laquelle il est normalement bas . Comme nous le verrons ci-dessous, une ATP synthase coupl e des processus chimiosmotiques est galement une caract ristique centrale des plantes, o elle joue un r le essentiel dans les mitochondries et les chloroplastes. Figure 14 36 L'importance du transport induit par H+ chez les bact ries. une force motrice de protons g n r e travers la membrane plasmique pompe les nutriments dans la cellule et expulse le Na+. (a) Chez une bact rie a robie, une cha ne respiratoire aliment e par l'oxydation des substrats produit un gradient lectrochimique de protons travers la membrane plasmique. Ce gradient est ensuite exploit pour produire de l'ATP, ainsi que pour transporter les nutriments (proline, succinate, lactose et lysine) dans la cellule et pour pomper le Na+ hors de la cellule. (B) Lorsque la m me bact rie se d veloppe dans des conditions ana robies, elle tire son ATP de la glycolyse. Comme indiqu , l'ATP synthase dans la membrane plasmique hydrolyse ensuite une partie de cet ATP pour tablir un gradient de protons lectrochimiques qui entra ne les m mes processus de transport qui d pendent du pompage de protons en cha ne respiratoire (a). Figure 14 35 La rotation du flagelle bact rien entra n e par le flux H+. Le flagelle est attach une s rie d'anneaux prot iques (roses), qui sont int gr s dans les membranes externe et interne et tournent avec le flagelle. La rotation est entra n e par un flux de protons travers un anneau externe de prot ines (le stator) par des m canismes qui peuvent ressembler ceux utilis s par l'ATP synthase. cependant, le flux de protons dans le moteur flagellaire se fait toujours vers le cytosol, la fois pendant la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, alors que dans l'ATP synthase, ce flux s'inverse dans le sens de la rotation (Vid o 14.8). La grande quantit d' nergie libre lib r e lorsque H+ retourne dans la matrice partir des cr tes fournit la base de la production d'ATP du c t de la matrice des membranes des cr tes mitochondriales par une machine prot ique remarquable, l'ATP synthase. L'ATP synthase fonctionne comme une turbine miniature, et c'est un dispositif r versible qui peut coupler le flux de protons la synth se ou l'hydrolyse de l'ATP. Le gradient lectrochimique transmembranaire qui stimule la production d'ATP dans les mitochondries entra ne galement le transport actif de m tabolites s lectionn s travers la membrane mitochondriale interne, y compris un change efficace ADP/ATP entre la mitochondrie et le cytosol qui maintient le pool d'ATP de la cellule fortement charg . La forte concentration cellulaire d'ATP qui en r sulte rend le changement d' nergie libre pour l'hydrolyse de l'ATP extr mement favorable, permettant cette r action d'hydrolyse de conduire un tr s grand nombre de processus n cessitant de l' nergie dans toute la cellule. La pr sence universelle de l'ATP synthase dans les bact ries, les mitochondries et les chloroplastes t moigne de l'importance centrale des m canismes chimiosmotiques dans les cellules. Tous les animaux et la plupart des micro-organismes d pendent de l'absorption continue de grandes quantit s de compos s organiques de leur environnement. Ces compos s fournissent la fois les l ments constitutifs riches en carbone pour la biosynth se et l' nergie m tabolique pour la vie. Il est probable que les premiers organismes de la Terre primitive aient eu acc s une abondance de compos s organiques produits par des processus g ochimiques, mais il est clair que ceux-ci ont t utilis s il y a des milliards d'ann es. Depuis lors, pratiquement toutes les mati res organiques n cessaires aux cellules vivantes ont t produites par des organismes photosynth tiques, y compris les plantes et les bact ries photosynth tiques. La machinerie de base qui alimente toute la photosynth se semble avoir volu il y a plus de 3 milliards d'ann es chez les anc tres des bact ries actuelles ; aujourd'hui, il fournit le seul m canisme majeur de stockage de l' nergie solaire sur Terre. Les bact ries photosynth tiques les plus avanc es sont les cyanobact ries, qui ont des besoins minimaux en nutriments. Ils utilisent les lectrons de l'eau et l' nergie de la lumi re du soleil pour convertir le CO2 atmosph rique en compos s organiques, un processus appel fixation du carbone. Au cours de la r action globale nH2O + nCO2 (lumi re) (CH2O)n + nO2, ils lib rent galement dans l'atmosph re l'oxyg ne mol culaire qui alimente ensuite la phosphorylation oxydative. De cette fa on, on pense que l' volution des cyanobact ries partir de bact ries photosynth tiques plus primitives a finalement rendu possible le d veloppement des nombreuses formes de vie a robies diff rente |
Biologie moléculaire de la cellule | s qui peuplent la Terre aujourd'hui. Les plantes (y compris les algues) se sont d velopp es beaucoup plus tard que les cyanobact ries, et leur photosynth se se produit dans un organite intracellulaire sp cialis , le chloroplaste (Figure 14-37). Les chloroplastes utilisent des m canismes chimiosmotiques pour effectuer leurs interconversions d' nergie de la m me mani re que les mitochondries. Bien que beaucoup plus grandes que les mitochondries, elles sont organis es sur les m mes principes. Ils ont une membrane externe tr s perm able ; une membrane interne beaucoup moins perm able, dans laquelle sont int gr es des prot ines de transport membranaire ; et un espace intermembranaire troit entre les deux. Ensemble, ces deux membranes forment l'enveloppe du chloroplaste (Figure 14 37D). La membrane interne du chloroplaste entoure un grand espace appel stroma, qui est analogue la matrice mitochondriale. Le stroma contient de nombreuses enzymes m taboliques et, quant la matrice mitochondriale, c'est l'endroit o l'ATP est fabriqu par la t te d'une ATP synthase. Comme la mitochondrie, le chloroplaste poss de son propre g nome et son propre syst me g n tique. Le stroma contient donc galement un ensemble sp cial de ribosomes, d'ARN et d'ADN chloroplastique. Une diff rence importante entre l'organisation des mitochondries et des chloroplastes est mise en vidence dans la figure 14-38. La membrane interne du chloroplaste n'est pas pli e en cr tes et ne contient pas de cha nes de transport d' lectrons. Au lieu de cela, les cha nes de transport d' lectrons, les syst mes photosynth tiques de capture de la lumi re et l'ATP synthase sont tous contenus dans la membrane thylako de, une mem-brane s par e et distincte qui forme un ensemble de sacs aplatis en forme de disque, les thylako des. La membrane thylako de est fortement pli e en de nombreux empilements locaux de v sicules aplaties appel es grana, interconnect es par des thylako des non empil s. La lumi re de chaque thylako de est connect e la lumi re des autres thylako des, d finissant ainsi un troisi me compartiment interne appel espace thylako de. Cet espace repr sente un compartiment s par dans chaque chloroplaste qui n'est pas reli soit l'espace intermembranaire, soit au stroma. Les chloroplastes captent l' nergie de la lumi re du soleil et l'utilisent pour fixer le carbone Nous pouvons regrouper les r actions qui se produisent pendant la photosynth se dans les chloroplastes en deux grandes cat gories : 1. Les r actions photosynth tiques de transfert d' lectrons ( galement appel es r actions lumineuses ) se produisent dans deux grands complexes prot iques, appel s centres r actionnels, int gr s dans la membrane thylako de. Un photon (un quantum de lumi re) fait sortir un lectron de la mol cule de pigment vert chlorophylle dans le premier centre de r action, cr ant ainsi un ion chlorophylle charg positivement. Cet lectron se d place ensuite le long d'une cha ne de transport d' lectrons et travers un centre de r action secondaire de la m me mani re qu'un lectron se d place le long de la cha ne respiratoire dans les mitochondries. Au cours de ce processus de transport d' lectrons, H+ est pomp travers la membrane thylako de, et la FEUILLE r sultante piderme sup rieur noyau de l' piderme inf rieur cytosol vacuole espace d'air paroi cellulaire mitochondrie (B) (C)(A) 10 mm chloroplaste chloroplaste (D) 5 m 0,5 m Figure 14 37 Chloroplastes dans la cellule. Coupe transversale sch matique travers la feuille d'une plante verte. (B) La microscopie optique d'une cellule de feuille de plante ici, une cellule du m sophylle de Zinnia elegans montre que les chloroplastes sont des corps vert vif, mesurant plusieurs microm tres de diam tre, l'int rieur transparent de la cellule. (C) la micrographie lectronique d'une mince section color e travers une cellule de feuille de bl montre un mince bord de cytoplasme contenant les chloroplastes, le noyau et les mitochondries entourant une grande vacuole remplie d'eau. (D) un grossissement plus lev , la microscopie lectronique r v le la membrane de l'enveloppe du chloroplaste et la membrane thylako de l'int rieur du chloroplaste qui est fortement pli e en empilements de grana (Vid o 14.9). (B, avec l'aimable autorisation de la Fondation John Innes ; C et D, avec l'aimable autorisation de K. Plaskitt.) Figure 14 38 Une mitochondrie et un chloroplaste compar s. Les chloroplastes sont g n ralement plus gros que les mitochondries. En plus d'une membrane d'enveloppe externe et interne, ils contiennent la membrane thylako de avec son espace thylako de interne. La membrane thylako de du chloroplaste, qui est le site de conversion de l' nergie solaire chez les plantes et les algues, correspond aux cr tes mitochondriales, qui sont les sites de conversion d' nergie par la respiration cellulaire. Contrairement la membrane crista, qui est continue avec la membrane mitochondriale interne aux jonc |
Biologie moléculaire de la cellule | tions cristae, la membrane thylako de n'est aucun point reli e la membrane interne du chloroplaste. Le gradient de protons lectrochimique entra ne la synth se de l'ATP dans le stroma. Comme derni re tape de cette s rie de r actions, les lectrons sont charg s (avec H+) sur NADP+, le convertissant en mol cule NADPH riche en nergie. Parce que la chlorophylle charg e positivement dans le premier centre de r action r cup re rapidement ses lectrons de l'eau (H2O), le gaz O2 est produit comme sous-produit. Toutes ces r actions sont confin es au chloroplaste. 2. Les r actions de fixation du carbone ne n cessitent pas la lumi re du soleil. Ici, l'ATP et le NADPH g n r s par les r actions lumineuses servent respectivement de source d' nergie et de pouvoir r ducteur pour stimuler la conversion du CO2 en glucides. Ces r actions de fixation du carbone commencent dans le stroma du chloroplaste, o elles g n rent le glyc rald hyde 3-phosphate, un sucre trois atomes de carbone. Ce sucre simple est export vers le cytosol, o il est utilis pour produire du saccharose et de nombreux autres m tabolites organiques dans les feuilles de la plante. Le saccharose est ensuite export pour r pondre aux besoins m taboliques des tissus v g taux non photosynth tiques, servant la fois de squelette de carbone et d' nergie pour la croissance. Ainsi, la formation de l'ATP, du NADPH et de l'O2 (qui n cessite directement de l' nergie lumineuse) et la conversion du CO2 en glucides (qui ne n cessite de l' nergie lumineuse qu'indirectement) sont des processus distincts (Figure 14-39). Cependant, ils sont li s par des m canismes de r troaction labor s qui permettent une plante de ne fabriquer des sucres que lorsqu'il est appropri de le faire. Plusieurs des enzymes chloroplastiques n cessaires la fixation du carbone, par exemple, sont inactives dans l'obscurit et r activ es par des processus de transport d' lectrons stimul s par la lumi re. La fixation du carbone utilise l'ATP et le NaDph pour convertir le CO2 en sucres Nous avons vu plus t t dans ce chapitre comment les cellules animales produisent de l'ATP en utilisant la grande quantit d' nergie libre lib r e lorsque les glucides sont oxyd s en CO2 et H2O. La r action inverse, dans laquelle les plantes fabriquent des glucides partir de CO2 et de H2O, a lieu dans le stroma chloroplaste. Les grandes quantit s d'ATP et de NADPH produites par les r actions photosynth tiques de transfert d' lectrons sont n cessaires pour entra ner cette r action nerg tiquement d favorable. Figure 14 39 Un r sum du m tabolisme de conversion d' nergie dans les chloroplastes. Les chloroplastes n'ont besoin que d'eau et de dioxyde de carbone comme intrants pour leurs r actions de photosynth se induites par la lumi re, et ils produisent les nutriments pour la plupart des autres organismes de la plan te. Chaque oxydation de deux mol cules d'eau par un centre de r action photochimique dans la membrane thylako de produit une mol cule d'oxyg ne, qui est lib r e dans l'atmosph re. Dans le m me temps, les protons sont concentr s dans l'espace thylako de. ces protons cr ent un grand gradient lectrochimique travers la membrane thylako de, qui est utilis par la chloroplaste ATP synthase pour produire de l'ATP partir d'aDp et de phosphate. les lectrons retir s de l'eau sont transf r s vers un deuxi me type de centre de r action photochimique pour produire du NaDph partir de NaDp+. comme indiqu , le NaDph et l'atp sont introduits dans le cycle de fixation du carbone pour r duire le dioxyde de carbone, produisant ainsi les pr curseurs des sucres, des acides amin s et des acides gras. le CO2 qui est absorb dans l'atmosph re ici est la source des atomes de carbone pour la plupart des mol cules organiques sur Terre. Dans une cellule v g tale, une vari t de m tabolites produits dans le chloroplaste sont export s vers le cytoplasme pour les biosynth ses. Une partie du sucre produit est stock e sous forme de granules d'amidon dans le chloroplaste, mais le reste est transport dans toute la plante sous forme de saccharose ou converti en amidon dans des tissus de stockage sp ciaux. Ces tissus de stockage constituent une source de nourriture majeure pour les animaux. Carbone ribulose 1,5-bisphosphate interm diaire 2 mol cules de dioxyde 3-phosphoglyc rate La figure 14-40 illustre la r action centrale de fixation du carbone, dans laquelle un atome de carbone inorganique est converti en carbone organique : le CO2 de l'atmosph re se combine avec le compos cinq atomes de carbone ribulose-1,5-bisphosphate plus de l'eau pour produire deux mol cules du compos trois atomes de carbone 3-phosphoglyc rate. Cette r action de carboxylation est catalys e dans le stroma du chloroplaste par une grande enzyme appel e ribulose bisphosphate carboxylase, ou Rubisco en abr g . Parce que la r action est si lente (chaque mol cule de Rubisco ne retourne qu'environ 3 mol cules de substrat par seconde, contre 1000 |
Biologie moléculaire de la cellule | mol cules par seconde pour une enzyme typique), un nombre inhabituellement lev de mol cules enzymatiques est n cessaire. La rubisco constitue souvent plus de 50 % de la masse prot ique des chloroplastes, et on pense qu'elle est la prot ine la plus abondante sur Terre. Dans un contexte mondial, Rubisco maintient galement la quantit de CO2, un gaz effet de serre, dans l'atmosph re un faible niveau. Bien que la production de glucides partir de CO2 et de H2O soit nerg tiquement d favorable, la fixation du CO2 catalys e par la rubisco est une r action nerg tiquement favorable. La fixation du carbone est nerg tiquement favorable car un apport continu de ribulose 1,5-bisphosphate, riche en nergie, est introduit dans le processus. Ce compos est consomm par l'ajout de CO2 et doit tre reconstitu . L' nergie et le pouvoir r ducteur n cessaires pour r g n rer le ribulose 1,5-bisphosphate proviennent de l'ATP et du NADPH produits par les r actions photosynth tiques de la lumi re. La s rie labor e de r actions dans lesquelles le CO2 se combine avec le ribulose 1,5-bisphosphate pour produire un sucre simple dont une partie est utilis e pour r g n rer le ribulose 1,5-bisphosphate forme un cycle, appel cycle de fixation du carbone, ou cycle de Calvin (figure 14-41). Ce cycle a t l'une des premi res voies m taboliques tre labor e en appliquant des radio-isotopes comme traceurs en biochimie. Comme indiqu , chaque tour de Le cycle convertit six mol cules de 3-phosphoglyc rate en trois mol cules de ribulose 1,5-bisphosphate plus une mol cule de glyc rald hyde 3-phosphate. Le glyc rald hyde 3-phosphate, le sucre trois atomes de carbone produit par le cycle, fournit ensuite la mati re premi re pour la synth se de nombreux autres sucres et de toutes les autres mol cules organiques qui forment la plante. Les sucres g n r s par la fixation du carbone peuvent tre stock s sous forme d'amidon ou consomm s pour produire de l'ATP Le glyc rald hyde 3-phosphate g n r par la fixation du carbone dans le stroma du chloroplaste peut tre utilis de plusieurs fa ons, en fonction des besoins de la plante. Pendant les p riodes d'activit photosynth tique excessive, une grande partie est retenue dans le stroma du chloroplaste et convertie en amidon. Comme le glycog ne dans les cellules animales, l'amidon est un gros polym re de glucose qui sert de r serve de glucides, et il est stock sous forme de gros granules dans le stroma du chloroplaste. L'amidon constitue une partie importante de l'alimentation de tous les animaux qui mangent des plantes. D'autres mol cules de glyc rald hyde 3-phosphate sont converties en graisse dans le stroma. Cette mati re, qui s'accumule sous forme de gouttelettes de graisse, sert galement de r serve d' nergie. La nuit, cet amidon et cette graisse stock s peuvent tre d compos s en sucres et en acides gras, qui sont export s vers le cytosol pour aider soutenir les besoins m taboliques de la plante. Une partie du sucre export entre dans le Figure 14 40 La r action initiale dans la fixation du carbone. Cette r action de carboxylation permet d'incorporer une mol cule de dioxyde de carbone et une mol cule d'eau dans des mol cules de carbone organique. Il est catalys dans le stroma chloroplaste par l'enzyme abondante ribulose, bisphosphate carboxylase, ou rubisco. Comme indiqu , le produit est constitu de deux mol cules de 3-phosphoglyc rate. 6 6 6 6 6 6 3-phosphoglyc rate 6 1,3-bisphosphoglyc rate 6 glyc rald hyde 3-phosphate 1 MOL CULE DE GLYC RALD HYDE 3-PHOSPHATE QUITTE LE CYCLE 5 glyc rald hyde 3-phosphate 3 ribulose 1,5-bisphosphate 3C 5C 3C 3C3C Rubisco ATPADPATPADPNADPHNADP+Pi Pi FIXATION DU CARBONE (CALVIN) R SULTAT NET DU CYCLE : Pour chaque 3 mol cules de CO2 qui entrent dans le cycle, 1 mol cule de glyc rald hyde 3-phosphate est produite et 9 mol cules d'ATP + 6 mol cules de NADPH sont consomm es R G N RATIONCARBOXYLATIONR DUCTION sucres, graisses, acides amin s voie glycolytique (voir Figure 2-46), o il est converti en pyruvate. Le pyruvate et les acides gras peuvent p n trer dans les mitochondries des cellules v g tales et tre introduits dans le cycle de l'acide citrique, conduisant finalement la production de grandes quantit s d'ATP par phosphorylation oxydative (Figure 14-42). Les plantes utilisent cet ATP de la m me mani re que les cellules animales et d'autres organismes non photosynth tiques pour alimenter une vari t de r actions m taboliques. Le glyc rald hyde 3-phosphate export des chloroplastes dans le cytosol peut galement tre converti en de nombreux autres m tabolites, y compris le disaccharide saccharose. Le saccharose est la principale forme sous laquelle le sucre est transport entre les cellules d'une plante : tout comme le glucose est transport dans le sang des animaux, le saccharose est export des feuilles pour fournir des glucides au reste de la plante. les membranes thylako des des chloroplastes contiennent les complexes prot |
Biologie moléculaire de la cellule | iques n cessaires la photosynth se et la g n ration d'atp Nous devons ensuite expliquer comment les grandes quantit s d'ATP et de NADPH n cessaires la fixation du carbone sont g n r es dans le chloroplaste. Les chloroplastes sont beaucoup plus grands et moins dynamiques que les mitochondries, mais ils utilisent la conversion d' nergie chimiosmotique de la m me mani re. Comme nous l'avons vu sur la figure 14-38, les chloroplastes et les mitochondries sont organis s selon les m mes principes, bien que le chloroplaste contienne un syst me de membrane thylako de distinct dans lequel ses m canismes chimiosmotiques se produisent. Les membranes thylako des contiennent deux grands complexes de prot ines membranaires, appel s photosyst mes, qui conf rent aux plantes et autres organismes photosynth tiques la capacit de capturer et de convertir l' nergie solaire pour leur propre usage. Deux autres complexes prot iques de la membrane thylako de qui travaillent avec les photosyst mes dans la photophosphorylation la g n ration d'ATP avec la lumi re du soleil ont des quivalents mitochondriaux. Il s'agit du cytochrome contenant l'h me Figure 14 41 Le cycle de fixation du carbone. cette voie m tabolique centrale permet de produire des mol cules organiques partir de CO2 et d'h2O. Dans la premi re tape du cycle (carboxylation), du CO2 est ajout au ribulose 1,5-bisphosphate, comme le montre la figure 14-40. Dans la deuxi me tape (r duction), l'atp et le NaDph sont consomm s pour produire des mol cules de glyc rald hyde 3-phosphate. Au stade final (r g n ration), une partie du glyc rald hyde 3-phosphate produit est utilis e pour r g n rer le ribulose 1,5-bisphosphate. D'autres mol cules de glyc rald hyde 3-phosphate sont soit converties en amidon et en graisse dans le stroma du chloroplaste, soit transport es hors du chloroplaste dans le cytosol. Le nombre d'atomes de carbone dans chaque type de mol cule est indiqu en jaune. Il existe de nombreux interm diaires entre le glyc rald hyde 3-phosphate et le ribulose 5-phosphate, mais ils ont t omis ici pour plus de clart . l'entr e de l'eau dans le cycle n'est pas non plus repr sent e (mais voir Figure 14 40). Figure 14 42 Comment les chloroplastes et les mitochondries collaborent pour fournir aux cellules la fois des m tabolites et de l'ATP. a)la membrane interne du chloroplaste est imperm able l'ATP et au NaDph qui sont produits dans le stroma lors des r actions lumineuses de la photosynth se. Ces mol cules sont donc achemin es dans le cycle de fixation du carbone, o elles sont utilis es pour fabriquer des sucres. Les sucres r sultants et leurs m tabolites sont soit stock s dans le chloroplaste sous forme d'amidon ou de graisse soit export s vers le reste de la cellule v g tale. L , ils peuvent entrer dans la voie de g n ration d' nergie qui se termine par la synth se de l'ATP li e la phosphorylation oxydative l'int rieur de la mitochondrie. Contrairement au chloroplaste, les membranes mitochondriales contiennent un transporteur sp cifique qui les rend perm ables l'atp (voir Figure 14 34). Notons que l'O2 lib r dans l'atmosph re par la photosynth se dans les chloroplastes est utilis pour la phosphorylation oxydative dans les mitochondries ; de m me, le CO2 lib r par le cycle de l'acide citrique dans les mitochondries est utilis pour la fixation du carbone dans les chloroplastes. (B) Dans une feuille, les mitochondries (rouges) ont tendance se regrouper pr s des chloroplastes (vert), comme on le voit dans cette micrographie optique. (B, avec l'aimable autorisation d'Olivier Grandjean.) complexe b6-f, qui ressemble la fois fonctionnellement et structurellement la cytochrome CH2 c r ductase dans la cha ne respiratoire ; et la chloroplaste ATP synthase, qui ressemble beaucoup l'ATP synthase mitochondriale et fonctionne de la m me mani re. Les photosyst mes de la membrane thylako de sont des assemblages multiprot iques d'une complexit comparable celle des complexes prot iques de la cha ne mitochondriale de transport d' lectrons. Ils contiennent un grand nombre de mol cules de chlorophylle sp cifiquement li es, en plus des cofacteurs qui seront familiers de notre discussion sur le CH2 des mitochondries (h me, amas fer-soufre et quinones). La chlorophylle, le pigment vert des organismes photosynth tiques, a une longue queue hydrophobe qui la fait se comporter comme un lipide, ainsi qu'un cycle porphyrine qui a un atome central de Mg et un vaste syst me d' lectrons d localis s en doubles liaisons conjugu es (Figure 14-43). Lorsqu'une mol cule de chlorophylle absorbe une quantit quantique de lumi re solaire (un photon), l' nergie du photon fait passer l'un de ces lectrons d'une orbitale mol culaire de basse nergie une autre orbitale de plus haute nergie. L' lectron excit d'une mol cule de chlorophylle a tendance revenir rapidement son tat fondamental, ce qui peut se produire de l'une des trois fa ons suivantes : 1. En conve |
Biologie moléculaire de la cellule | rtissant l' nergie suppl mentaire en chaleur (mouvement mol culaire) ou en une combinaison de chaleur et de lumi re d'une longueur d'onde plus longue (fluorescence) ; C'est ce qui se passe g n ralement lorsque la lumi re est absorb e par une mol cule de chlorophylle isol e en solution. 2. En transf rant l' nergie, mais pas l' lectron, directement une mol cule de chlorophylle voisine par un processus appel transfert d' nergie par r sonance. 3. En transf rant l' lectron excit avec sa charge n gative une autre mol cule voisine, un accepteur d' lectrons, apr s quoi la chlorophylle charg e positivement revient son tat d'origine en prenant un lectron d'une autre mol cule, un donneur d' lectrons. Figure 14 43 La structure de la chlorophylle. un atome de magn sium est maintenu dans un cycle porphyrine, qui est li au cycle porphyrine qui lie le fer dans l'h me (voir Figure 14-15). Les lectrons sont d localis s sur les liaisons ombrag es en bleu. Ces deux derniers m canismes se produisent lorsque les chlorophylles sont attach es aux prot ines d'un complexe chlorophylle-prot ine. La prot ine coordonne l'atome central de Mg dans la porphyrine de chlorophylle, le plus souvent par l'interm diaire d'une cha ne lat rale histidine situ e l'int rieur hydrophobe d'une membrane, ce qui fait que chacune des chlorophylles d'un complexe prot ique est maintenue des distances et des orientations exactement d finies. Le flux d' nergie d'excitation ou d' lectrons d pend alors la fois de la disposition spatiale pr cise et de l'environnement prot ique local des chlorophylles li es aux prot ines. Lorsqu'elles sont excit es par un photon, la plupart des chlorophylles li es aux prot ines transmettent simplement l' nergie absorb e une autre chlorophylle voisine par le processus de transfert d' nergie de r sonance. Cependant, dans quelques chlorophylles sp cialement positionn es, la diff rence d' nergie entre l' tat fondamental et l' tat excit est juste ce qu'il faut pour que le photon d clenche une r action chimique induite par la lumi re. L' tat particulier de ces mol cules de chlorophylle provient de leur interaction troite avec une deuxi me mol cule de chlorophylle dans le m me complexe chlorophylle-prot ine. Ensemble, ces deux chlorophylles forment une paire sp ciale. Le processus de transfert d' lectrons photosynth tiques commence lorsqu'un photon d' nergie appropri e ionise une mol cule de chlorophylle dans une telle paire sp ciale, la dissociant en un lectron et un ion chlorophylle charg positivement. L' lectron nergis est transmis rapidement une quinone dans le m me complexe prot ique, emp chant sa r association improductive avec l'ion chlorophylle. Ce transfert induit par la lumi re d'un lectron d'une chlorophylle un porteur d' lectrons mobile est l' tape centrale de s paration de charge dans la photosynth se, au cours de laquelle une chlorophylle devient charg e positivement et un porteur d' lectrons devient charg n gativement (Figure 14 44). L'ion chlorophylle est un oxydant tr s fort qui est capable de retirer un lectron d'un substrat de faible nergie ; Dans la premi re tape de la photosynth se oxyg n e, ce substrat faible nergie est l'eau. Lors du transfert vers un support mobile dans la cha ne de transport d' lectrons, l' lectron est stabilis dans le cadre d'un donneur d' lectrons fort et rendu disponible pour des r actions ult rieures. Ces r actions ult rieures n cessitent plus de temps pour tre r alis es, et elles aboutissent des compos s riches en nergie g n r s par la lumi re. un photosyst me Se compose d'un complexe d'antennes et d'un centre de r action Il existe deux types distincts de complexes chlorophylle-prot ine dans la membrane photosynth tique. L'un d'eux, appel centre de r action photochimique, contient la paire sp ciale de chlorophylles que nous venons de d crire. L'autre type s'engage exclusivement dans l'absorption de la lumi re et le transfert d' nergie de r sonance et est appel complexe d'antennes. Ensemble, les deux types de complexes forment un photosyst me (Figure 14 45). Le r le du complexe d'antennes dans le photosyst me est de collecter l' nergie d'un nombre suffisant de photons pour la photosynth se. Sans cela, le processus serait lent et inefficace, car chaque chlorophylle du centre de r action n'absorberait qu'environ un quantum de lumi re par seconde, m me en plein jour, alors que des centaines par seconde sont n cessaires pour une photosynth se efficace. Lorsque la lumi re excite une mol cule de chlorophylle dans le complexe d'antennes, l' nergie passe rapidement d'une chlorophylle li e une prot ine une autre par transfert d' nergie de r sonance jusqu' ce qu'elle atteigne la paire sp ciale dans le centre de r action. Le complexe d'antennes est galement connu sous le nom de Figure 14 44 Sch ma g n ral de l' tape de s paration des charges dans un centre de r action photosynth tique. Dans un centre r actionnel, l' nergie lumineuse est e |
Biologie moléculaire de la cellule | xploit e pour g n rer des lectrons qui sont maintenus un niveau d' nergie lev par des porteurs d' lectrons mobiles dans une membrane. L' nergie lumineuse est ainsi convertie en nergie chimique. Le processus commence lorsqu'un photon absorb par la paire sp ciale de chlorophylles dans le centre de r action fait tomber un lectron de l'une des chlorophylles. L' lectron est absorb par un porteur d' lectrons mobile (orange) li la surface oppos e de la membrane. Un ensemble de supports interm diaires int gr s dans le centre de r action fournit le chemin de la paire sp ciale ce support (non illustr ). La distance physique entre l'ion chlorophylle charg positivement et le porteur d' lectrons charg n gativement stabilise l' tat s par de charge pendant une courte p riode, au cours de laquelle l'ion chlorophylle, un oxydant puissant, retire un lectron d'un compos appropri (par exemple, de l'eau, un v nement dont nous parlerons en d tail sous peu). Le porteur d' lectrons se diffuse ensuite loin du centre de r action sous la forme d'un puissant donneur d' lectrons qui transf rera son lectron une cha ne de transport d' lectrons. complexe de r cup ration de lumi re, ou LHC. En plus de nombreuses mol cules de chlorophylle, un LHC contient des pigments carot no des orange. Les carot no des collectent la lumi re d'une longueur d'onde diff rente de celle absorb e par les chlorophylles, ce qui contribue rendre le complexe d'antennes plus efficace. Ils ont galement un r le protecteur important dans la pr vention de la formation de radicaux oxyg n s nocifs dans la membrane photosynth tique. la membrane thylako de contient deux photosyst mes diff rents travaillant en s rie L' nergie d'excitation collect e par le complexe d'antennes est transmise la paire sp ciale dans le centre de r action photochimique. Le centre r actionnel est un complexe transmembranaire chlorophylle-prot ine qui se trouve au c ur de la photosynth se. Il abrite la paire sp ciale de mol cules de chlorophylle, qui agit comme un pi ge irr versible pour l' nergie d'excitation (voir Figure 14-45). Les chloroplastes contiennent deux photosyst mes fonctionnellement diff rents bien que structurellement li s, chacun d'entre eux alimentant en lectrons g n r s par l'action de la lumi re du soleil dans une cha ne de transfert d' lectrons. Dans la membrane thylako de du chloroplaste, le photosyst me I est confin aux thylako des stroma non empil s, tandis que les thylako des grana empil s contiennent le photosyst me II. Les deux photosyst mes ont t nomm s dans l'ordre de leur d couverte, et non de leurs actions dans la voie photosynth tique, et les lectrons sont d'abord activ s dans le photosyst me II avant d' tre transf r s dans le photosyst me I (Figure 14-46). La trajectoire de l' lectron travers les deux photosyst mes peut tre d crite comme une trajectoire de type Z et est connue sous le nom de sch ma Z. Dans le sch ma Z, le centre r actionnel du photosyst me II retire d'abord un lectron de l'eau. L' lectron passe via une cha ne de transport d' lectrons (compos e de la plastoquinone porteuse d' lectrons, du complexe cytochrome b6-f et de la prot ine plastocyanine) au photosyst me I, qui propulse l' lectron travers la membrane dans une deuxi me r action de s paration de charge induite par la lumi re qui conduit la production de NADPH. Figure 14 45 Un photosyst me. Chaque photosyst me se compose d'un centre de r action et d'un certain nombre de complexes d'antennes collecteurs de lumi re. L' nergie solaire n cessaire la photosynth se est collect e par les complexes d'antennes, qui repr sentent la majeure partie de la chlorophylle d'une cellule v g tale. L' nergie saute au hasard par transfert d' nergie de r sonance (fl ches rouges) d'une mol cule de chlorophylle une autre, jusqu' ce qu'elle atteigne le complexe du centre de r action, o elle ionise une chlorophylle dans la paire sp ciale. La paire sp ciale de chlorophylle maintient ses lectrons une nergie inf rieure celle de la chlorophylle dans les complexes d'antennes, ce qui fait que l' nergie qui lui est transf r e par le complexe d'antennes y est pi g e. Notez que c'est seulement l' nergie qui se d place d'une mol cule de chlorophylle une autre dans le complexe d'antennes, et non les lectrons (vid o 14.10). Figure 14 46 Le sch ma Z pour la photosynth se. les thylako des des plantes et des cyanobact ries contiennent deux photosyst mes diff rents, connus sous le nom de photosyst me I et photosyst me II, qui fonctionnent en s rie. Chacun des centres de r action des photosyst mes I et II re oit de l' nergie d'excitation de son propre ensemble de complexes d'antennes troitement associ s, connus sous le nom de LhC-I et LhC-II, par transfert d' nergie de r sonance. Notez que, pour des raisons historiques, les deux photosyst mes ont t nomm s l'oppos de l'ordre dans lequel ils agissent, le photosyst me II passant ses lectrons au photosyst me I. Le sch ma Z |
Biologie moléculaire de la cellule | est n cessaire pour combler le tr s grand cart nerg tique entre l'eau et le NADPH (figure 14-47). Un seul quantum de lumi re visible ne contient pas assez d' nergie la fois pour retirer des lectrons de l'eau, qui retient tr s troitement ses lectrons (potentiel redox +820 mV) et est donc un tr s mauvais donneur d' lectrons, et pour les forcer passer au NADP+, qui est un tr s mauvais accepteur d' lectrons (potentiel redox -320 mV). Le sch ma Z a d'abord volu chez les cyanobact ries pour leur permettre d'utiliser l'eau comme un lectron universellement disponible source. D'autres bact ries photosynth tiques, plus simples, n'ont qu'un seul photosyst me. Comme nous le verrons, ils ne peuvent pas utiliser l'eau comme source d' lectrons et doivent s'appuyer sur d'autres substrats plus riches en nergie, dont les lectrons sont plus facilement retir s. La capacit d'extraire des lectrons de l'eau (et donc de produire de l'oxyg ne mol culaire) a t acquise par les plantes lorsque leurs anc tres ont adopt les cyanobact ries endosymbiotiques qui ont ensuite volu en chloroplastes (voir Figure 1-31). Le photosyst me II utilise un amas de mangan se pour extraire des lectrons de l'eau En biologie, seul le photosyst me II est capable de retirer des lectrons de l'eau et de g n rer de l'oxyg ne mol culaire sous forme de d chet. Cette sp cialisation remarquable du photosyst me II est conf r e par les propri t s uniques de l'une des deux mol cules de chlorophylle de sa paire sp ciale et par un cluster de mangan se li la prot ine. Ces mol cules de chlorophylle et l'amas de mangan se forment le noyau catalytique du centre de r action du photosyst me II, dont le m canisme est d crit sur la figure 14-48. L'eau est une source in puisable d' lectrons, mais elle est aussi extr mement stable ; Par cons quent, une grande quantit d' nergie est n cessaire pour qu'il se s pare de ses lectrons. Le seul compos dans les organismes vivants qui est capable de r aliser cet exploit apr s son ionisation par la lumi re, est la paire sp ciale de chlorophylle appel e P680 (potentiel redox P680/P680+ = +1270 mV). La r action 2H2O + 4 photons 4H+ + 4e + O2 est catalys e par son amas de mangan se adjacent. Les interm diaires restent fermement attach s l'amas de mangan se jusqu' ce que deux mol cules d'eau aient t compl tement oxyd es en O2, ce qui Figure 14 47 Changements dans le potentiel redox pendant la photosynth se. Le potentiel redox de chaque mol cule est indiqu par sa position le long de l'axe vertical. Le photosyst me II transmet des lectrons d riv s de l'eau au photosyst me I, qui son tour les transmet au NaDp+ par l'interm diaire de la ferr doxine-NaDp+ r ductase. le flux net d' lectrons travers les deux photosyst mes va de l'eau au NaDp+, et il produit du NaDph ainsi qu'un gradient lectrochimique de protons. Ce gradient de protons est utilis par l'ATP synthase pour produire de l'ATP. Les d tails de cette figure seront expliqu s dans le texte suivant. en veillant ce qu'aucun radical d'oxyg ne dangereux ne soit lib r au cours de la r action. Les protons lib r s par les deux mol cules d'eau sont d charg s dans l'espace thylako de, contribuant au gradient de protons travers la membrane thylako de (pH plus bas dans l'espace thylako de que dans le stroma). L'environnement prot ique unique qui dote la vie de cette capacit tr s importante d'oxyder l'eau est rest essentiellement inchang au cours de milliards d'ann es d' volution (Figure 14-49). Tout l'oxyg ne de l'atmosph re terrestre a t g n r de cette mani re. Bien que les d tails exacts de la r action d'oxydation de l'eau dans le photosyst me II ne soient pas encore enti rement compris, les scientifiques tentent de construire un syst me artificiel qui imite le processus. En cas de succ s, cela pourrait fournir un approvisionnement pratiquement in puisable en nergie propre, contribuant ainsi r soudre la crise nerg tique mondiale. le complexe du cytochrome b6-f relie le photosyst me II au photosyst me I En suivant le chemin montr pr c demment dans la figure 14-48, les lectrons extraits de l'eau par le photosyst me II sont transf r s au plastoquinol, un puissant donneur d' lectrons similaire l'ubiquinol dans les mitochondries. Ce quinol, qui peut diffuser rapidement dans la bicouche lipidique de la membrane thylako de, transf re ses lectrons au complexe cytochrome b6-f, dont la structure est homologue la cytochrome c r ductase dans les mitochondries. Le complexe cytochrome b6-f pompe H+ dans l'espace thylako de en utilisant le m me cycle Q que celui utilis dans les mitochondries (voir Figure 14-21), ajoutant ainsi au gradient de protons travers la membrane thylako de. Le complexe cytochrome b6-f forme le lien entre les photosyst mes II et I dans la cha ne de transport d' lectrons du chloroplaste. Il fait passer ses lectrons Figure 14 48 La conversion de l' nergie lumineuse en nergie chimique dans le complexe du photosyst |
Biologie moléculaire de la cellule | me II. a) Sch ma de principe du centre r actionnel du photosyst me II, dont la paire sp ciale de mol cules de chlorophylle est d sign e par p680 en fonction de la longueur d'onde de son maximum d'absorbance (680 nm). (B) Cofacteurs et pigments au c ur du centre de r action. On voit l'amas de mangan se (Mn), la cha ne lat rale de tyrosine qui le relie la paire sp ciale p680, quatre chlorophylles (vertes), deux ph ophytines (bleu clair), deux plastoquinones (roses) et un atome de fer (rouge). La trajectoire des lectrons est indiqu e par des fl ches bleues. Dans l'amas de mangan se, quatre atomes de mangan se (bleu clair), un atome de calcium (violet) et cinq atomes d'oxyg ne (rouge) travaillent ensemble pour catalyser l'oxydation de l'eau. La r action de s paration de l'eau se produit en quatre tapes successives, chacune n cessitant l' nergie d'un photon. Chaque photon transforme une chlorophylle de centre de r action p680 en un ion chlorophylle charg positivement. Par l'interm diaire d'une cha ne lat rale de tyrosine ionis e (jaune), cet ion chlorophylle loigne un lectron d'une mol cule d'eau li e l'amas de mangan se. De cette fa on, un total de quatre lectrons sont retir s de deux mol cules d'eau pour g n rer de l'oxyg ne mol culaire, qui est lib r dans l'atmosph re. Chaque lectron qui est nergis par la lumi re passe de la paire sp ciale le long d'une cha ne de transfert d' lectrons l'int rieur du complexe, le long du chemin indiqu vers la plastoquinone Qa li e en permanence, puis vers la plastoquinone QB en tant qu'accepteurs d' lectrons. Une fois que QB a capt deux lectrons (plus deux protons ; voir Figure 14-17), il se dissocie de son site de liaison dans le complexe et p n tre dans la bicouche lipidique en tant que porteur d' lectrons mobiles, tant imm diatement remplac par une nouvelle mol cule non r duite de plastoquinone. Notez que les chlorophylles et les ph ophytines forment deux branches sym triques d'une cha ne potentielle de transport d' lectrons. Une seule branche est active, ce qui permet de r duire compl tement les plastoquinones en un minimum de temps. Figure 14 49 La structure du complexe complet du photosyst me II. Ce photosyst me contient au moins 16 sous-unit s prot iques, ainsi que 36 chlorophylles, deux ph ophytines, deux h mes et un certain nombre de carot no des protecteurs (color s). La plupart de ces pigments et cofacteurs sont profond ment enfouis, troitement complex s en prot ines (gris). le trajet des lectrons est indiqu par les fl ches bleues, et est expliqu dans la figure 14-48B. le complexe photosyst me II pr sent ici est le complexe cyanobact rien, qui est plus simple et plus stable que le complexe v g tal, qui fonctionne de la m me mani re. (code pDB : 3arC.) un la fois la plastocyanine, porteuse d' lectrons mobile (une petite prot ine contenant du cuivre qui remplace le cytochrome C dans les mitochondries), qui les transf rera au photosyst me I (Figure 14 50). Comme nous le verrons ensuite, le photosyst me I exploite ensuite un deuxi me photon de lumi re pour dynamiser davantage les lectrons qu'il re oit. Le photosyst me I effectue la deuxi me tape de s paration de charge dans le sch ma Z Le photosyst me I re oit des lectrons de la plastocyanine dans l'espace thylako de et les transf re, via une seconde r action de s paration de charge, la petite prot ine ferr doxine la surface oppos e de la membrane (Figure 14-51). Ensuite, dans une derni re tape, la ferr doxine alimente en lectrons un complexe enzymatique associ la membrane, la ferr doxine-NADP+ r ductase, qui utilise les lectrons pour produire du NADPH partir du NADP+ (voir Figure 14-50). Le potentiel redox de la paire NADP+/NADPH ( 320 mV) est d j tr s faible, et la r duction du NADP+ n cessite donc un compos avec un potentiel redox encore plus faible. Il s'agit d'une mol cule de chlorophylle situ e pr s de la surface de la membrane stromale du photosyst me I qui a un potentiel redox de -1000 mV (chlorophylle A0), ce qui en fait le plus fort donneur d' lectrons connu en biologie. Le NADPH r duit est lib r dans le stroma du chloroplaste, o il est utilis pour la biosynth se du glyc rald hyde 3-phosphate, des pr curseurs d'acides amin s et des acides gras, dont une grande partie est export e vers le cytoplasme. Figure 14 50 Flux d' lectrons travers le complexe du cytochrome b6-f vers le NADPH. Le complexe cytochrome B6-F est l' quivalent fonctionnel de la cytochrome C r ductase (le complexe cytochrome B-C1) dans les mitochondries (voir Figure 14-22). Comme son homologue mitochondrial, le complexe b6-f re oit ses lectrons d'une quinone et s'engage dans un cycle Q compliqu qui pompe deux protons travers la membrane (d tails non illustr s). Il transmet ses lectrons, un la fois, la plastocyanine (pC). la plastocyanine se diffuse le long de la surface de la membrane vers le photosyst me I et transf re les lectrons via la ferr doxine (Fd) la ferr doxine-NaDp |
Biologie moléculaire de la cellule | + r ductase (FNr), o ils sont utilis s pour produire du NaDph. P700 est une paire sp ciale de chlorophylles qui absorbe la lumi re de longueur d'onde de 700 nm. Figure 14 51 Structure et fonction du photosyst me I. Au c ur de l'assemblage complexe du photosyst me I se trouve la cha ne de transfert d' lectrons. une extr mit se trouve une paire sp ciale de chlorophylles appel e p700 (parce qu'elle absorbe la lumi re d'une longueur d'onde de 700 nm), recevant des lectrons de la plastocyanine (pC). l'autre extr mit se trouvent les chlorophylles A0, qui transmettent les lectrons la ferr doxine via deux plastoquinones (pQ ; violet) et trois amas fer-soufre. M me si les r les des photosyst mes I et II dans la photosynth se sont tr s diff rents, leurs cha nes centrales de transfert d' lectrons sont structurellement similaires, indiquant une origine volutive commune (voir Figure 14-53). Notez que dans le photosyst me I, les deux branches de la cha ne de transfert d' lectrons sont actives, contrairement au photosyst me II (voir Figure 14-48). (Code pDB : 3LW5.) Figure 14 52 R sum des mouvements d' lectrons et de protons pendant la photosynth se dans la membrane thylako de. Les lectrons sont retir s, par l'action de l' nergie lumineuse, d'une mol cule d'eau qui est contenue par le cluster de mangan se dans le photosyst me II. Les lectrons passent la plastoquinone, qui les d livre au complexe cytochrome B6-F qui ressemble la cytochrome C r ductase des mitochondries et au complexe B-C des bact ries. ils sont ensuite transport s vers le photosyst me I par la plastocyanine, l' quivalent fonctionnel du cytochrome C dans les mitochondries. partir du photosyst me I, ils sont transf r s la ferr doxine-NaDp+ r ductase (FNr) par le transporteur soluble ferr doxine (Fd ; une petite prot ine contenant un centre fer-soufre). Les protons sont pomp s dans l'espace thylako de par le complexe cytochrome B6-F, de la m me mani re que les protons sont pomp s dans les cr tes mitochondriales par la cytochrome c r ductase (voir Figure 14-21). De plus, le h+ lib r dans l'espace thylako de par l'oxydation de l'eau, et le h+ consomm lors de la formation de NaDph dans le stroma, contribuent la g n ration du gradient lectrochimique h+ travers la membrane thylako de. Comme illustr , ce gradient entra ne la synth se de l'ATP par une ATP synthase qui se trouve dans la m me membrane (voir Figure 14 47). le chloroplaste atp synthase utilise le gradient de protons g n r par les r actions photosynth tiques la lumi re pour produire de l'atp La s quence des v nements qui entra ne la production d'ATP et de NADPH par la lumi re dans les chloroplastes et les cyanobact ries est r sum e aux figures 14 52. En commen ant par le retrait des lectrons de l'eau, les tapes de s paration de charge induites par la lumi re dans les photosyst mes II et I permettent le flux nerg tiquement d favorable (en mont e) des lectrons de l'eau vers le NADPH (voir Figure 14 47). Trois petits porteurs d' lectrons mobiles la plastoquinone, la plastocyanine et la ferr doxine participent ce processus. Avec la pompe protons entra n e par les lectrons du complexe cytochrome b6-f, les photosyst mes g n rent un grand gradient de protons travers la membrane thylako de. Les mol cules d'ATP synthase int gr es dans les membranes thylako des exploitent ensuite ce gradient de protons pour produire de grandes quantit s d'ATP dans le stroma du chloroplaste, imitant la synth se de l'ATP dans la matrice mitochondriale. Le sch ma lin aire Z pour la photosynth se discut jusqu' pr sent peut passer un mode circulaire de flux d' lectrons travers le photosyst me I et le complexe b6-f. Ici, la ferr doxine r duite se diffuse vers le complexe b6-f pour r duire la plastoquinone, au lieu de transmettre ses lectrons au complexe enzymatique ferr doxine-NADP+ r ductase. Ceci, en effet, transforme le photosyst me I en une pompe protons entra n e par la lumi re, augmentant ainsi le gradient de protons et donc la quantit d'ATP produite par l'ATP synthase. Un ensemble labor de m canismes de r gulation contr le cet interrupteur, ce qui permet au chloroplaste de g n rer soit plus de NADPH (mode lin aire), soit plus d'ATP (mode circulaire), en fonction des besoins m taboliques de la cellule. Les preuves de l'origine procaryote des mitochondries et des chloroplastes abondent dans leurs syst mes g n tiques, comme nous le verrons dans la section suivante. Mais des preuves solides et directes des origines volutives des chloroplastes peuvent galement tre trouv es dans les structures mol culaires des centres de r action photosynth tiques r v l es ces derni res ann es par cristallographie. Les positions des chlorophylles dans la paire sp ciale et les deux branches de la cha ne de transfert d' lectrons sont fondamentalement les m mes dans le photosyst me I, le photosyst me II et le photochimique centres de r action des bact ries photosynth tiques (Film 14. |
Biologie moléculaire de la cellule | 11). En cons quence, on peut conclure qu'ils ont tous volu partir d'un anc tre commun. De toute vidence, l'architecture mol culaire du centre de r action photosynth tique n'est apparue qu'une seule fois et est rest e essentiellement inchang e au cours de l' volution. En revanche, les syst mes d'antennes moins critiques ont volu de plusieurs mani res diff rentes et sont donc diversifi s dans les organismes photosynth tiques actuels (Figure 14 53). la force motrice des protons pour la production d'atp dans les mitochondries et les chloroplastes est essentiellement la m me Le gradient de protons travers la membrane thylako de d pend la fois de l'activit de pompage des protons du complexe cytochrome b6-f et de l'activit photosynth tique des deux photosyst mes, qui d pend son tour de l'intensit lumineuse. Dans les chloroplastes expos s la lumi re, H+ est pomp hors du stroma (pH autour de 8, similaire la matrice mitochondriale) dans l'espace thylako de (pH 5-6), cr ant un gradient de 2-3 unit s de pH travers la membrane thylako de, repr sentant une force motrice du proton d'environ 180 mV. Ceci est tr s similaire la force motrice des protons dans les mitochondries respiratoires. Cependant, un potentiel membranaire travers la membrane mitochondriale interne contribue le plus la force motrice des protons qui pousse l'ATP synthase mitochondriale produire de l'ATP, tandis qu'un gradient H+ pr domine pour les chloroplastes. Contrairement l'ATP synthase mitochondriale, qui forme de longues rang es de dim res le long des cr tes cristae, la chloroplaste ATP synthase est monom re et situ e dans des r gions membranaires plates (Figure 14 54). De toute vidence, le gradient H+ travers la membrane thylako de est suffisamment lev pour la synth se de l'ATP sans qu'il soit n cessaire de recourir l'arrangement labor de l'ATP synthase observ dans les mitochondries. Les premi res cellules vivantes sur Terre ont peut- tre consomm des mol cules organiques produites g ochimiquement et g n r leur ATP par fermentation. Comme l'oxyg ne n' tait pas encore pr sent dans l'atmosph re, de telles r actions de fermentation ana robie auraient d vers des acides organiques, tels que les acides lactique ou formique, dans le Figure 14 53 volution des centres de r action photosynth tiques. Les pigments impliqu s dans la collecte de la lumi re sont de couleur verte ; Ceux impliqu s dans les v nements photochimiques centraux sont de couleur rouge. le centre de r action photochimique primitif des bact ries pourpres contient deux sous-unit s prot iques apparent es, L et M, qui lient les pigments impliqu s dans le processus central de photosynth se, y compris une paire sp ciale de mol cules de chlorophylle. Les lectrons sont introduits dans les chlorophylles excit es par un cytochrome. Lh1 est un complexe d'antennes bact riennes. le photosyst me II contient les prot ines D1 et D2, qui sont homologues aux sous-unit s L et M de (a). La chlorophylle P680 excit e dans la paire sp ciale retire des lectrons de l'eau contenue par l'amas de mangan se. LhC-II est le complexe de collecte de lumi re qui alimente en nergie les prot ines de l'antenne centrale. (C) le photosyst me I contient les prot ines psa a et psa B, chacune quivalant une fusion de la prot ine D1 ou D2 avec une prot ine d'antenne centrale du photosyst me II. la plastocyanine (pC) faiblement li e alimente la paire de chlorophylle excit e. comme indiqu , dans le photosyst me I, les lectrons passent d'une quinone li e (Q) travers une s rie de trois centres fer-soufre (cercles rouges). (Modifi de K. rhee, E. Morris, J. Barber et W. K hlbrandt, Nature 396:283-286, 1998 ; et W. K hlbrandt, Nature 411:896-899, 2001. Avec l'autorisation de Macmillan publishers Ltd.) matrice pH 7,9, espace intermembranaire pH 7,4, espace thylako de pH 5,5, espace intermembranaire, pH 7,4 environnement (voir figure 2 47). Peut- tre que de tels acides ont abaiss le pH de l'environnement, favorisant la survie des cellules qui ont d velopp des prot ines transmembranaires qui pourraient pomper H+ hors du cytosol, emp chant ainsi la cellule de devenir trop acide (stade 1 sur les figures 14 55). L'une de ces pompes a peut- tre utilis l' nergie disponible de l'hydrolyse de l'ATP pour jecter H+ de la cellule ; une telle pompe protons aurait pu tre l'anc tre des ATP synthases actuelles. Lorsque l'approvisionnement de la Terre en nutriments produits g ochimiquement a commenc diminuer, les organismes qui auraient pu trouver un moyen de pomper H+ sans consommer d'ATP auraient t avantag s : ils auraient pu conomiser les petites quantit s d'ATP qu'ils tiraient de la fermentation de denr es alimentaires de plus en plus rares pour alimenter d'autres activit s importantes. Ce besoin de conserver les ressources pourrait avoir conduit l' volution de prot ines de transport d' lectrons qui ont permis aux cellules d'utiliser le mouvement des lectrons entre des |
Biologie moléculaire de la cellule | mol cules de diff rents potentiels redox comme source d' nergie pour pomper H+ travers la membrane plasmique ( tape 2 de la figure 14-55). Certaines de ces cellules auraient pu utiliser les acides organiques non fermentescibles que les cellules voisines avaient excr t s sous forme de d chets pour fournir les lectrons n cessaires l'alimentation de ce syst me de transport d' lectrons. Certaines bact ries actuelles se d veloppent sur de l'acide formique, par exemple, en utilisant la petite quantit d' nergie redox d riv e du transfert d' lectrons de l'acide formique au fumarate pour pomper H+. Figure 14 55 Comment la synth se de l'ATP par chimioosmose aurait pu voluer par tapes. La premi re tape aurait pu impliquer l' volution d'une ATPASE qui pompait les protons hors de la cellule en utilisant l' nergie de l'hydrolyse de l'ATP. L' tape 2 aurait pu impliquer l' volution d'une pompe protons diff rente, entra n e par une cha ne de transport d' lectrons. L' tape 3 aurait ensuite li ces deux syst mes pour g n rer une atp synthase primitive qui aurait utilis les protons pomp s par la cha ne de transport d' lectrons pour synth tiser l'atp. Une bact rie pr coce avec ce syst me final aurait eu un avantage s lectif sur les bact ries avec aucun des syst mes ou un seul. Figure 14 54 Comparaison des concentrations de H+ et de la disposition de l'ATP synthase dans les mitochondries et les chloroplastes. Dans les deux organites, le ph dans l'espace intermembranaire est de 7,4, comme dans le cytoplasme. Le pH de la matrice mitochondriale et le pH du stroma du chloroplaste sont tous deux d'environ 8 (gris clair). Le pH dans l'espace thylako de est d'environ 5,5, en fonction de l'activit photosynth tique. il en r sulte une force motrice protonique lev e travers la membrane thylako de, compos e en grande partie du gradient h+ (une perm abilit lev e de cette membrane aux ions Mg2+ et Cl permet au flux de ces ions de dissiper la majeure partie du potentiel membranaire). Contrairement aux chloroplastes, le gradient h+ travers la membrane mitochondriale interne est insuffisant pour la production d'ATP, et les mitochondries ont besoin d'un potentiel membranaire pour amener la force motrice des protons au m me niveau que dans les chloroplastes. la disposition de l'ATP synthase mitochondriale en rang es de dim res le long des cr tes (voir Figure 14-32) c t des pompes protons de la cha ne respiratoire peut aider l' coulement des protons le long de la surface de la membrane vers l'ATP synthase, car la disponibilit des protons est limitante pour la production d'ATP. Dans le chloroplaste, l'atp synthase est distribu e de mani re al atoire dans les membranes thylako des. Pompe protons entra n e par l'ATP fonctionnant en sens inverse pour produire de l'ATP Finalement, certaines bact ries auraient d velopp des syst mes de transport d' lectrons pompant H+ qui taient si efficaces qu'elles pouvaient r colter plus d' nergie redox qu'elles n'en avaient besoin pour maintenir leur pH interne. De telles cellules auraient probablement g n r de grands gradients lectrochimiques de protons, qu'elles pourraient ensuite utiliser pour produire de l'ATP. Les protons pouvaient s' chapper dans la cellule travers les pompes H+ entra n es par l'ATP, essentiellement en les faisant fonctionner en sens inverse afin qu'elles synth tisent l'ATP ( tape 3 de la figure 14-55). Parce que ces cellules auraient besoin de beaucoup moins de nutriments fermentescibles, elles auraient prolif r aux d pens de leurs voisins. En fournissant une source in puisable de pouvoir r ducteur, les bact ries photosynth tiques ont surmont un obstacle volutif majeur L' puisement progressif des nutriments de l'environnement sur la Terre primitive signifiait que les organismes devaient Trouver une autre source de carbone pour fabriquer les sucres qui servent de pr curseurs tant d'autres composants cellulaires. Bien que le CO2 dans l'atmosph re fournisse une source potentielle abondante de carbone, pour le convertir en une mol cule organique telle qu'un glucide, il faut r duire le CO2 fix avec un puissant donneur d' lectrons, tel que le NADPH, qui peut g n rer des unit s (CH2O) partir du CO2 (voir Figure 14-41). Au d but de l' volution cellulaire, on pense que les agents r ducteurs puissants (donneurs d' lectrons) taient abondants. Mais une fois qu'un anc tre de l'ATP synthase a commenc g n rer la majeure partie de l'ATP, il serait devenu imp ratif pour les cellules de d velopper une nouvelle fa on de g n rer des agents r ducteurs puissants. Une perc e volutive majeure dans le m tabolisme nerg tique est survenue avec le d veloppement de centres de r action photochimiques capables d'utiliser l' nergie de la lumi re du soleil pour produire des mol cules telles que le NADPH. On pense que cela s'est produit t t dans le processus d' volution cellulaire chez les anc tres des bact ries soufr es vertes. Les bact ries vertes soufr es d'aujourd |
Biologie moléculaire de la cellule | 'hui utilisent l' nergie lumineuse pour transf rer les atomes d'hydrog ne (sous forme d' lectron et de proton) de H2S au NADPH, produisant ainsi le fort pouvoir r ducteur n cessaire la fixation du carbone. tant donn que le potentiel redox de H2S est beaucoup plus faible que celui de H2O (-230 mV pour H2S contre +820 mV pour H2O), un quantum de lumi re absorb par le photosyst me unique de ces bact ries est suffisant pour g n rer du NADPH via une cha ne photosynth tique de transport d' lectrons relativement simple. les cha nes photosynth tiques de transport d' lectrons des cyanobact ries ont produit de l'oxyg ne atmosph rique et ont permis de nouvelles formes de vie L' tape suivante de l' volution, qui aurait eu lieu avec le d veloppement des cyanobact ries il y a peut- tre 3 milliards d'ann es, a t l' volution d'organismes capables d'utiliser l'eau comme source d' lectrons pour la r duction du CO2. Cela a entra n l' volution d'une enzyme de s paration de l'eau et a galement n cessit l'ajout d'un deuxi me photosyst me, agissant en s rie avec le premier, pour combler le grand cart de potentiel redox entre H2O et NADPH. Les cons quences biologiques de cette tape volutive ont t consid rables. Pour la premi re fois, il y aurait eu des organismes qui auraient pu survivre gr ce l'eau, au CO2 et la lumi re du soleil (plus quelques oligo- l ments). Ces cellules auraient t capables de se propager et d' voluer d'une mani re refus e aux bact ries photosynth tiques pr c dentes, qui avaient besoin de H2S ou d'acides organiques comme source d' lectrons. Par cons quent, de grandes quantit s de mati res organiques synth tiques biologiquement r duites se sont accumul es et l'oxyg ne a p n tr dans l'atmosph re pour la premi re fois. L'oxyg ne est hautement toxique parce que l'oxydation des mol cules biologiques modifie leur structure et leurs propri t s de mani re indiscrimin e et irr versible. La plupart des bact ries ana robies, par exemple, sont rapidement tu es lorsqu'elles sont expos es l'air. Ainsi, les organismes de la Terre primitive auraient d d velopper des m canismes de protection contre l'augmentation des niveaux d'O2 dans l'environnement. Les arrivants tardifs, comme nous, ont de nombreux m canismes de d toxification qui prot gent nos cellules des effets n fastes de l'oxyg ne. Malgr cela, une accumulation de dommages oxydatifs nos macromol cules a t postul e comme contribuant au vieillissement humain, comme nous le verrons dans la section suivante. Figure 14 56 v nements majeurs au cours de l' volution des organismes vivants sur Terre. Avec l' volution du processus de photosynth se bas sur la membrane, les organismes ont t capables de fabriquer leurs propres mol cules organiques partir du gaz CO2. on pense que le d lai de plus de 109 ans entre l'apparition de bact ries qui divisent l'eau et lib rent de l'O2 lors de la photosynth se et l'accumulation de niveaux lev s d'O2 dans l'atmosph re est d la r action initiale de l'oxyg ne avec l'abondance de fer ferreux (Fe2+) qui a t dissoute dans les premiers oc ans. Ce n'est que lorsque le fer ferreux a t puis que l'oxyg ne a commenc s'accumuler dans l'atmosph re. En r ponse l'augmentation des niveaux d'oxyg ne, des organismes non photosynth tiques consommateurs d'oxyg ne ont volu et la concentration d'oxyg ne dans l'atmosph re s'est quilibr e son niveau actuel. L'augmentation de l'O2 atmosph rique a t tr s lente dans un premier temps et aurait permis une volution progressive des dispositifs de protection. Par exemple, les premi res mers contenaient de grandes quantit s de fer l' tat r duit et ferreux (Fe2+), et presque tout l'O2 produit par les premi res bact ries photosynth tiques aurait t utilis pour oxyder Fe2+ en Fe3+ ferrique. Cette conversion a provoqu la pr cipitation d' normes quantit s d'oxydes stables, et les vastes formations de fer ruban es dans les roches s dimentaires, qui ont commenc il y a environ 2,7 milliards d'ann es, aident dater la propagation des cyanobact ries. Il y a environ 2 milliards d'ann es, les r serves de Fe2+ taient puis es et le d p t de nouveaux pr cipit s de fer a cess . Les preuves g ologiques r v lent comment les niveaux d'O2 dans l'atmosph re ont chang au cours des milliards d'ann es, se rapprochant des niveaux actuels il y a seulement environ 0,5 milliard d'ann es (Figure 14-56). La disponibilit de l'O2 a permis l'augmentation des bact ries qui ont d velopp un m tabolisme a robie pour fabriquer leur ATP. Ces organismes pourraient exploiter la grande quantit d' nergie lib r e par la d composition des glucides et d'autres mol cules organiques r duites jusqu'au CO2 et au H2O, comme nous l'avons expliqu lorsque nous avons discut des mitochondries. Les composants de complexes de transport d' lectrons pr existants ont t modifi s pour produire une cytochrome oxydase, de sorte que les lectrons obtenus partir de substrats organiques ou inorganiques puisse |
Biologie moléculaire de la cellule | nt tre transport s vers l'O2 en tant qu'accepteur d' lectrons terminal. Certaines bact ries photosynth tiques violettes actuelles peuvent basculer entre la photosynth se et la respiration en fonction de la disponibilit de la lumi re et de l'O2, avec seulement des r organisations relativement mineures de leurs cha nes de transport d' lectrons. Dans la figure 14-57, nous relions ces voies volutives postul es diff rents types de bact ries. Par n cessit , l' volution est toujours conservatrice, prenant des parties de l'ancien et construisant dessus pour cr er quelque chose de nouveau. Ainsi, des parties des cha nes de transport d' lectrons qui ont t d riv es pour servir les bact ries ana robies il y a 3 4 milliards d'ann es survivent, sous une forme modifi e, dans les mitochondries et les chloroplastes des eucaryotes sup rieurs d'aujourd'hui. Un bon exemple est la similitude globale de structure et de fonction entre la cytochrome c r ductase qui pompe H+ dans le segment central de la cha ne respiratoire mitochondriale et le complexe analogue cytochrome b-f dans les cha nes de transport d' lectrons des bact ries et des chloroplastes, r v lant leur origine volutive commune (Figure 14-58). Photosynth se H2S Photosynth se H2O Bact ries soufr es vertes Bact ries soufr es violettes Bact ries flammeuses vertes -prot obact ries (par exemple, Bordetella) MITOCHONDRIESCHLOROPLASTES EUCARYOTES PROCARYOTES ATMOSPH RE OXYDANTE ATMOSPH RE R DUCTRICE cyanobact ries (par exemple, Synechococcus) bact ries ferment es ancestrales O2 respiration violette non soufr e bact ries -prot obact ries (par exemple, Agrobacterium) - prot obact ries (par exemple, E. coli) Figure 14 57 Sch ma volutif montrant les origines postul es des mitochondries et des chloroplastes et de leurs anc tres bact riens. On pense que la consommation d'oxyg ne par la respiration s'est d velopp e pour la premi re fois il y a environ 2 milliards d'ann es. L'analyse des s quences nucl otidiques sugg re qu'une cyanobact rie endosymbiotique voluant en oxyg ne (cyan) a donn naissance des chloroplastes (vert fonc ), tandis que les mitochondries sont issues d'une -prot obact rie. Les plus proches parents des mitochondries (roses) sont membres de trois groupes troitement apparent s de -prot obact ries les rhizobact ries, les agrobact ries et les rickettsies connus pour former des associations intimes avec les cellules eucaryotes actuelles. Les prot obact ries sont roses, les bact ries photosynth tiques violettes sont violettes et les autres bact ries photosynth tiques sont vert clair. Les chloroplastes et les bact ries photosynth tiques ont la capacit unique d'exploiter l' nergie de la lumi re du soleil pour produire des compos s riches en nergie. Ceci est r alis par les photosyst mes, dans lesquels les mol cules de chlorophylle attach es aux prot ines sont excit es lorsqu'elles sont frapp es par un photon. Les photosyst mes sont compos s d'un complexe d'antennes qui recueille l' nergie solaire et d'un centre de r action photochimique, dans lequel l' nergie collect e est achemin e vers une mol cule de chlorophylle maintenue dans une position sp ciale, ce qui lui permet de retirer des lectrons d'un donneur d' lectrons. Les chloroplastes et les cyanobact ries contiennent deux photosyst mes distincts. Les deux photosyst mes sont normalement li s en s rie dans le sch ma Z, et ils transf rent des lectrons de l'eau au NADP+ pour former du NADPH, g n rant ainsi un potentiel lectrochimique transmembranaire. L'un des deux photosyst mes, le photosyst me II, peut diviser l'eau en retirant des lectrons de ce compos omnipr sent et de faible nergie. Tout l'oxyg ne mol culaire (O2) de notre atmosph re est un sous-produit de la r action de s paration de l'eau dans ce photosyst me. Les structures tridimensionnelles des photosyst mes I et II sont tonnamment similaires aux photosyst mes des bact ries photosynth tiques violettes, d montrant un degr remarquable de conservation au cours de milliards d'ann es d' volution. Les deux photosyst mes et le complexe cytochrome b6-f r sident dans la membrane thylako de, un syst me membranaire s par dans le compartiment central du stroma du chloroplaste qui est diff renci en grana empil et en thylako des stroma non empil s. Les processus de transport d' lectrons dans la membrane thylako de provoquent la lib ration de protons dans l'espace thylako de. Le reflux des protons travers le chloroplaste ATP synthase g n re alors de l'ATP. Cet ATP est utilis en conjonction avec le NADPH produit par la photosynth se pour entra ner un grand nombre de r actions biosynth tiques dans le stroma du chloroplaste, y compris le cycle de fixation du carbone, qui g n re de grandes quantit s de glucides partir du CO2. Au d but de l' volution de la vie, les cyanobact ries ont surmont un obstacle majeur en concevant un moyen d'utiliser l' nergie solaire pour diviser l'eau et fixer le dioxyde de carbone. Les cyanobact ries pro |
Biologie moléculaire de la cellule | duisaient la fois des nutriments organiques abondants et de l'oxyg ne mol culaire, permettant l' mergence d'une multitude de formes de vie a robies. Les chloroplastes des plantes ont volu partir d'une cyanobact rie qui a t endocytos e il y a longtemps par un organisme h te eucaryote a robie. Figure 14 58 Comparaison de trois cha nes de transport d' lectrons abord es dans ce chapitre. Les bact ries, les chloroplastes et les mitochondries contiennent tous un complexe enzymatique li la membrane qui ressemble la cytochrome c r ductase des mitochondries. ces complexes acceptent tous les lectrons d'un porteur de quinone (Q) et pompent h+ travers leurs membranes respectives. De plus, dans les syst mes in vitro reconstitu s, les diff rents complexes peuvent se substituer les uns aux autres, et les structures de leurs composants prot iques r v lent qu'ils sont li s au cours de l' volution. Notez que les bact ries violettes non soufr es utilisent un flux cyclique d' lectrons pour produire un grand gradient de protons lectrochimiques qui entra ne un flux d' lectrons inverse travers la NaDh d shydrog nase pour produire du NaDh partir de NaD+ + h+ + e . Comme nous l'avons vu au chapitre 1, on pense que les mitochondries et les chloroplastes ont volu partir de bact ries endosymbiotiques (voir les figures 1 29 et 1 31). Les deux types d'organites contiennent encore leur propre g nome (Figure 14-59). Comme nous le verrons bient t, ils conservent galement leur propre machinerie biosynth tique pour fabriquer de l'ARN et des prot ines organellaires. Comme les bact ries, les mitochondries et les chloroplastes prolif rent par croissance et division d'un organite existant. Dans les cellules en division active, chaque type d'organite doit doubler de masse chaque g n ration de cellules, puis tre distribu dans chaque cellule fille. De plus, les cellules non divis es doivent reconstituer les organites qui sont d grad s dans le cadre du processus continu de renouvellement des organites, ou produire des organites suppl mentaires selon les besoins. La croissance et la prolif ration des organites sont donc soigneusement contr l es. Le processus est compliqu car les prot ines mitochondriales et chloroplastes sont cod es deux endroits : le g nome nucl aire et les g nomes s par s h berg s dans les organites eux-m mes. La biogen se des mitochondries et des chloroplastes n cessite donc l'apport de deux syst mes g n tiques distincts, qui doivent tre troitement coordonn s. La plupart des prot ines organellaires sont cod es par l'ADN nucl aire. L'organite importe ces prot ines du cytosol, apr s qu'elles aient t synth tis es sur des ribosomes cytosoliques, par le biais des transloges de prot ines mitochondriales de la membrane mitochondriale externe et interne - TOM et TIM. Dans le chapitre 12, nous avons vu comment cela se produit. Ici, nous d crivons les g nomes des organites et les syst mes g n tiques, et consid rons les cons quences de g nomes d'organites s par s pour la cellule et l'organisme dans son ensemble. les syst mes g n tiques des mitochondries et des chloroplastes ressemblent ceux des procaryotes Comme nous l'avons vu au chapitre 12, on pense que les cellules eucaryotes sont le r sultat d'une relation symbiotique entre un arch on et une bact rie a robie (une prot obact rie). On suppose que les deux organismes ont fusionn pour former l'anc tre de toutes les cellules nucl es, l'arch aon fournissant le noyau et la prot obact rie servant d'endosymbiote respirant et producteur d'ATP, qui voluerait ventuellement vers la mitochondrie (voir Figure 12-3). Cela s'est probablement produit il y a environ 1,6 milliard d'ann es, lorsque l'oxyg ne avait p n tr dans l'atmosph re en quantit s substantielles (voir figure 14-56). Le chloroplaste a t d riv plus tard, apr s la divergence des lign es v g tales et animales, par endocytose d'une cyanobact rie productrice d'oxyg ne. Cette hypoth se endosymbiote du d veloppement des organites est fortement tay e par l'observation que les syst mes g n tiques des mitochondries et des chloroplastes sont similaires ceux des bact ries actuelles. Par exemple, les ribosomes des chloroplastes sont tr s similaires aux ribosomes bact riens, la fois dans leur structure et dans leur sensibilit divers antibiotiques (tels que le chloramph nicol, la streptomycine, l' rythromycine et la t tracycline). De plus, la synth se des prot ines dans les chloroplastes commence avec la N-formylm thionine, comme dans les bact ries, et non avec la m thionine comme dans le cytosol des cellules eucaryotes. Bien que les syst mes g n tiques mitochondriaux soient beaucoup moins similaires ceux des bact ries actuelles que les syst mes g n tiques des chloroplastes, leurs ribosomes sont galement sensibles aux antibiotiques antibact riens, et la synth se des prot ines dans les mitochondries commence galement avec la N-formylm thionine. Figure 14 59 Coloration de l'ADN nucl |
Biologie moléculaire de la cellule | aire et mitochondrial. Dans cette micrographie confocale d'un fibroblaste humain, l'ADN nucl aire est color avec le colorant DapI (en bleu) et l'ADN mitochondrial est visualis avec des anticorps fluorescents qui se lient l'ADN (en vert). Les mitochondries sont color es avec des anticorps fluorescents qui reconnaissent une prot ine translocase sp cialis e sp cifique la membrane mitochondriale externe (rouge). De nombreuses copies du g nome mitochondrial sont distribu es dans des nucl o des distincts dans les mitochondries qui serpentent travers le cytoplasme. (D'apr s C. Kukat et al., Proc. Natl Acad. Sci. USA 108:13534 13539, 2011. Avec l'autorisation de l'Acad mie nationale des sciences.) 5 m Les processus de transcription de l'ADN des organites, de synth se des prot ines et de r plication de l'ADN ont lieu l o se trouve le g nome : dans la matrice des mitochondries ou le stroma des chloroplastes. Bien que les enzymes qui interviennent dans ces processus g n tiques soient uniques l'organite et ressemblent celles des bact ries (ou m me des virus bact riens) plut t qu' leurs analogues eucaryotes, le g nome nucl aire code la grande majorit de ces enzymes. En effet, la plupart des prot ines mitochondriales et chloroplastes actuelles sont cod es par des g nes qui r sident dans le noyau cellulaire. Au fil du temps, les mitochondries et les chloroplastes ont export la plupart de leurs g nes vers le noyau par transfert de g nes La nature des g nes d'organites situ s dans le noyau de la cellule d montre qu'un transfert important de g nes de l'organite l'ADN nucl aire s'est produit au cours de l' volution eucaryote. On s'attend ce qu'un tel transfert de g nes r ussi soit rare, car tout g ne d plac de l'organite doit s'adapter la fois aux exigences de transcription nucl aire et de traduction cytoplasmique. De plus, la prot ine doit acqu rir une s quence de signal qui la dirige vers l'organite correct apr s sa synth se dans le cytosol. En comparant les g nes dans les mitochondries de diff rents organismes, nous pouvons d duire que certains des transferts de g nes vers le noyau ont eu lieu relativement r cemment. Les g nomes mitochondriaux les plus petits et probablement les plus volu s, par exemple, ne codent que pour quelques prot ines hydrophobes de la membrane interne de la cha ne de transport d' lectrons, ainsi que des ARN ribosomales (ARNr) et des ARN de transfert (ARNt). D'autres g nomes mitochondriaux qui sont rest s plus complexes ont tendance contenir ce m me sous-ensemble de g nes avec d'autres (Figure 14-60). Les g nomes mitochondriaux les plus complexes comprennent des g nes qui codent pour des composants du syst me g n tique mitochondrial, tels que les sous-unit s de l'ARN polym rase et les prot ines ribosomiques ; Ces m mes g nes se trouvent dans le noyau cellulaire de la levure et de toutes les cellules animales. Les prot ines cod es par les g nes de l'ADN organellaire sont synth tis es sur les ribosomes de l'organite, en utilisant l'ARN messager (ARNm) produit par l'organite pour sp cifier leur s quence d'acides amin s (Figure 14 61). Le trafic prot ique entre le cytosol et ces organites semble tre unidirectionnel : les prot ines ne sont normalement pas export es des mitochondries ou des chloroplastes vers le cytosol. Une exception importante se produit lorsqu'une cellule est sur le point de subir une apoptose. Comme il sera Figure 14 60 Comparaison des g nomes mitochondriaux. Les g nomes mitochondriaux moins complexes codent des sous-ensembles de prot ines et d'ARNr ribosomales qui sont cod s par des g nomes mitochondriaux plus grands. Dans cette comparaison, il n'y a que cinq g nes partag s par les six g nomes mitochondriaux ; Ceux-ci codent pour les ARNr ribosomales (rns et rnl), le cytochrome b (cob) et deux sous-unit s de la cytochrome oxydase (cox1 et cox3). Le bleu indique les ARNr ribosomiques ; prot ines vertes ribosomiques ; et brunes, composants de la cha ne respiratoire et d'autres prot ines. (adapt de M.W. Gray, G. Burger et B.F. Lang, Science 283:1476-1481, 1999.) discut en d tail au chapitre 18, au cours de l'apoptose, la mitochondrie lib re des prot ines (notamment le cytochrome C) de l'espace crista travers sa membrane mitochondriale externe, dans le cadre d'une voie de signalisation labor e qui est d clench e pour provoquer la mort cellulaire programm e des cellules. la fission et la fusion des mitochondries sont des processus topologiquement complexes Dans les cellules de mammif res, l'ADN mitochondrial repr sente moins de 1 % de l'ADN cellulaire total. Dans d'autres cellules, cependant, telles que les feuilles des plantes sup rieures ou les tr s gros ovules d'amphibiens, une fraction beaucoup plus importante de l'ADN cellulaire peut tre pr sente dans les mitochondries ou les chloroplastes (Tableau 14-2), et une grande fraction de la synth se totale de l'ARN et des prot ines a lieu dans les organites. Les mitochondries et les chloroplastes |
Biologie moléculaire de la cellule | sont suffisamment grands pour tre visibles en microscopie optique dans les cellules vivantes. Par exemple, les mitochondries peuvent tre visualis es en exprimant dans les cellules une fusion g n tiquement modifi e d'une prot ine mitochondriale li e au vert. Figure 14 61 Biogen se des prot ines de la cha ne respiratoire dans les mitochondries humaines. La plupart des composants prot iques de la cha ne respiratoire mitochondriale sont cod s par l'ADN nucl aire, avec seulement un petit nombre cod s par l'ADN mitochondrial (ADNmt). La transcription de l'ADNmt produit 13 ARNm, qui codent toutes pour des sous-unit s du syst me de phosphorylation oxydative, et les 24 ARNr (22 ARNr de transfert et 2 ARNr ribosomiques) n cessaires la traduction de ces ARNm sur les ribosomes mitochondriaux (en brun). les ARNm produits par la transcription des g nes nucl aires sont traduits sur les ribosomes cytoplasmiques (vert), qui sont distincts des ribosomes mitochondriaux. les prot ines mitochondriales cod es par le noyau (vert fonc ) sont import es dans les mitochondries par deux translocases prot iques appel es tOM et tIM, et constituent la grande majorit des quelque 1000 esp ces de prot ines diff rentes pr sentes dans les mitochondries de mammif res. les prot ines mitochondriales cod es par le noyau chez l'homme comprennent la majorit des sous-unit s du syst me de phosphorylation oxydative, toutes les prot ines n cessaires l'expression et au maintien de l'ADNmt et toutes les prot ines des ribosomes mitochondriaux. les sous-unit s cod es par l'ADNmt (orange) s'assemblent avec les sous-unit s nucl aires pour former un syst me de phosphorylation oxydative fonctionnel. (adapt de N.G. Larsson, Annu. R v. Biochem. 79:683 706, 2010.) Figure 14 62 Le r ticulum mitochondrial est dynamique. (a) Dans les cellules de levure, les mitochondries forment un r ticulum continu du c t cytoplasmique de la membrane plasmique (paire st r o). (B) un quilibre entre la fission et la fusion d termine l'arrangement des mitochondries dans diff rentes cellules. (C) la microscopie fluorescence time-lapse montre le comportement dynamique du r seau mitochondrial dans une cellule de levure. En plus des changements de forme, la fission et la fusion remod lent constamment le r seau (fl ches rouges). Ces photos ont t prises des intervalles de 3 minutes. (a et C, d'apr s J. Nunnari et al., Mol. Biol. Cell 8:1233 1242, 1997. Avec l'autorisation de la Soci t am ricaine de biologie cellulaire.) Les cellules peuvent tre incub es avec un colorant fluorescent qui est sp cifiquement absorb par les mitochondries en raison de leur potentiel membranaire. De telles images d montrent que les mitochondries des cellules vivantes sont dynamiques, se divisant fr quemment par fission, fusionnant et changeant de forme (Figure 14-62 et vid o 14.12). La fission des mitochondries peut tre n cessaire de sorte que de petites parties du r seau peuvent se pincer et atteindre des r gions loign es de la cellule, par exemple dans l'axone mince et tendu et les dendrites d'un neurone. La fission et la fusion des mitochondries sont des processus topologiquement complexes qui doivent assurer l'int grit des compartiments mitochondriaux s par s d finis par les membranes interne et externe. Ces processus contr lent le nombre et la forme des mitochondries, qui peuvent varier consid rablement dans diff rents types de cellules, allant de plusieurs organites sph riques ou vermiformes un organite unique tr s ramifi et en forme de filet appel r ticulum. Chacun d pend de son propre ensemble de prot ines. La machine fission mitochondriale fonctionne en assemblant des GTPases li es la dynamine (discut es au chapitre 13) en oligom res h lico daux qui provoquent des constrictions locales dans les mitochondries tubulaires. L'hydrolyse de la GTP g n re ensuite la force m canique qui s pare les membranes mitochondriales interne et externe en une seule tape (Figure 14 63). La fusion mitochondriale n cessite deux machines distinctes, une pour la membrane externe et une pour la membrane interne (Figure 14-64). En plus de l'hydrolyse du GTP pour la g n ration de force, les deux m canismes d pendent galement de la force motrice des protons mitochondriaux pour des raisons encore inconnues. Les mitochondries animales contiennent les syst mes g n tiques les plus simples connus Les comparaisons de s quences d'ADN dans diff rents organismes r v lent que, chez les vert br s (y compris nous-m mes), le taux de mutation au cours de l' volution a t environ 100 fois plus lev dans le g nome mitochondrial que dans le g nome nucl aire. Cette diff rence est probablement due une plus faible fid lit de la r plication de l'ADN mitochondrial, Figure 14 63 Un mod le de division mitochondriale. La dynamine-1 (jaune) existe sous forme de dim res dans le cytosol, qui forment des structures oligom res plus grandes dans un processus qui n cessite l'hydrolyse du Gtp. Les assemblages de dyn |
Biologie moléculaire de la cellule | amine interagissent avec la membrane mitochondriale externe par le biais de prot ines adaptatrices sp ciales, formant une spirale de Gtp-dynamine autour de la mitochondrie qui provoque une constriction. on pense alors qu'un v nement concert d'hydrolyse Gtp dans les sous-unit s de dynamine produit les changements conformationnels qui entra nent la fission. (adapt de S. hoppins, L. Lackner et J. Nunnari, Annu. Rev. Biochem. 76:751 780, 2007.) r paration inefficace de l'ADN, ou les deux, tant donn que les m canismes qui effectuent ces processus dans l'organite sont relativement simples par rapport ceux du noyau. Comme nous l'avons vu au chapitre 4, le taux d' volution relativement lev des g nes mitochondriaux animaux rend la comparaison des s quences d'ADN mitochondriale particuli rement utile pour estimer les dates d' v nements volutifs relativement r cents, tels que les tapes de l' volution des primates. Il existe 13 g nes codant pour des prot ines dans l'ADN mitochondrial humain (Figure 14-65). Ceux-ci codent pour les composants hydrophobes des complexes de la cha ne respiratoire et de l'ATP synthase. En revanche, environ 1000 prot ines mitochondriales sont cod es dans le noyau, produites sur les ribosomes cytosoliques et import es par la machinerie d'importation de prot ines dans les membranes externe et interne (discut e au chapitre 12). Il a t sugg r que la production cytosolique de prot ines membranaires hydrophobes et leur importation dans l'organite peuvent pr senter un probl me pour la cellule, et que c'est la raison pour laquelle leurs g nes sont rest s dans la mitochondrie. Cependant, certaines des prot ines mitochondriales les plus hydrophobes, telles que la sous-unit c de l'anneau rotor de l'ATP synthase, sont import es du cytosol chez certaines esp ces (bien qu'elles soient cod es mitochondriquement chez d'autres). Et les parasites Plasmodium falciparum et Leishmania tarentolae, qui passent la majeure partie de leur cycle de vie l'int rieur des cellules de leurs organismes h tes, n'ont conserv que deux ou trois prot ines cod es par les mitochondries. La gamme de tailles de l'ADN mitochondrial est similaire celle de l'ADN viral. L'ADN mitochondrial de Plasmodium falciparum (le parasite du paludisme humain) contient moins de 6000 paires de nucl otides, tandis que l'ADN mitochondrial de certaines plantes terrestres contient plus de 300 000 paires de nucl otides (Figure 14 66). Chez les animaux, le g nome mitochondrial est un simple cercle d'ADN d'environ 16 600 paires de nucl otides (moins de 0,001 % du g nome nucl aire), et il est presque de la m me taille chez des organismes aussi diff rents de nous que la drosophile et les oursins. Le g nome mitochondrial humain pr sente plusieurs caract ristiques surprenantes qui le distinguent des chloroplaste et g nomes bact riens : 1. Emballage dense de g nes. Contrairement d'autres g nomes, le g nome mitochondrial humain semble ne contenir presque pas d'ADN non codant : presque chaque nucl otide semble faire partie d'une s quence codante, soit pour une prot ine, soit pour l'un des ARNr ou ARNt. tant donn que ces s quences codantes se heurtent directement les unes aux autres, il reste tr s peu de place pour les s quences d'ADN r gulatrices. 2. Utilisation d tendue des codons. Alors que 30 ARNt ou plus sp cifient les acides amin s dans le cytosol et dans les chloroplastes, seuls 22 ARNt sont n cessaires la synth se des prot ines mitochondriales. Les r gles normales d'appariement codon-anticodon sont assouplies dans les mitochondries, de sorte que de nombreuses mol cules d'ARNt reconnaissent l'un des quatre nucl otides en troisi me position (oscillante). Un tel appariement 2 sur 3 ADNmt humain16,569 bporigine de la r plication cytochrome bd shydrog nase d shydrog nasecytochrome oxydasesous-unit sSous-unit s ATP synthase Figure 14 64 Un mod le pour la fusion mitochondriale. Les fusions des membranes mitochondriales externe et interne sont des v nements s quentiels coordonn s, chacun n cessitant un ensemble distinct de facteurs prot iques. La fusion de la membrane externe est provoqu e par une Gtpase membrane externe (violette), qui forme un complexe oligom rique comprenant des sous-unit s ancr es dans les deux membranes fusionner. La fusion des membranes externes n cessite du Gtp et un gradient h+ travers la membrane interne. Pour la fusion de la membrane interne, une prot ine li e la dynamine forme un complexe d'attache oligom rique (en bleu) qui comprend des sous-unit s ancr es dans les deux membranes internes fusionner. La fusion des membranes internes n cessite du Gtp et la composante lectrique du potentiel travers la membrane interne. (adapt de S. hoppins, L. Lackner et J. Nunnari, Annu. Rev. Biochem. 76:751 780, 2007.) Figure 14 65 L'organisation du g nome mitochondrial humain. le g nome mitochondrial humain de 16 600 paires de nucl otides contient 2 g nes ARNr, 22 g nes ARNr et 13 s quences codant p |
Biologie moléculaire de la cellule | our des prot ines. il existe deux promoteurs transcriptionnels, un pour chaque brin de l'ADN mitochondrial (ADNmt). les DNas de nombreux autres g nomes mitochondriaux animaux ont t compl tement s quenc s. La plupart de ces ADN mitochondriaux animaux codent exactement pour les m mes g nes que les humains, l'ordre des g nes tant identique pour des animaux allant des poissons aux mammif res. permet un ARNt de s'apparier l'un des quatre codons et permet la synth se des prot ines avec moins de mol cules d'ARNt. 3. Variante du code g n tique. Ce qui est peut- tre le plus surprenant, c'est que les comparaisons entre les s quences de g nes mitochondriaux et les s quences d'acides amin s des prot ines correspondantes indiquent que le code g n tique est diff rent : 4 des 64 codons ont des significations diff rentes de celles des m mes codons dans d'autres g nomes (tableau 14-3). L' troite similitude du code g n tique de tous les organismes fournit des preuves solides qu'ils ont tous volu partir d'un anc tre commun. Comment, alors, expliquer les diff rences dans le code g n tique de nombreuses mitochondries ? Un indice vient de la d couverte que le code g n tique mitochondrial dans diff rents organismes n'est pas le m me. Dans la mitochondrie avec le plus grand nombre de g nes de la figure 14-60, celle du protozoaire Reclinomonas, le code g n tique est inchang par rapport au code g n tique standard du noyau cellulaire. Pourtant, l'UGA, qui est un codon stop ailleurs, est lu comme du tryptophane dans les mitochondries des mammif res, des champignons et des invert br s. De m me, le codon AGG code normalement pour l'arginine, mais il code pour l'arr t dans les mitochondries des mammif res et code pour la s rine dans les mitochondries de la drosophile (voir tableau 14 3). Une telle variation sugg re qu'une d rive al atoire peut se produire dans le code g n tique des mitochondries. Vraisemblablement, le nombre inhabituellement faible de prot ines cod es par le g nome mitochondrial rend tol rable un changement occasionnel dans la signification d'un codon rare, alors qu'un tel changement dans un g nome plus grand modifierait la fonction de nombreuses prot ines et d truirait ainsi la cellule. Il est int ressant de noter que chez de nombreuses esp ces, un ou deux ARNt pour la synth se des prot ines mitochondriales sont cod s dans le noyau. Certains parasites, par exemple les trypanosomes, n'ont conserv aucun g ne d'ARNt dans leur ADN mitochondrial. Au lieu de cela, les ARNt requis sont tous produits dans le cytosol et on pense qu'ils sont import s dans les mitochondries par des translocases sp ciales d'ARNt distinctes du syst me d'importation de prot ines mitochondriales. Figure 14 66 Comparaison de diff rentes tailles de g nomes mitochondriaux avec le g nome d'anc tres bact riens. les s quences compl tes d'ADN de milliers de g nomes mitochondriaux ont t d termin es. les longueurs de quelques-uns de ces ADN mitochondriaux sont montr es l' chelle comme des cercles pour les g nomes consid r s comme circulaires et des lignes pour les g nomes lin aires. le plus grand cercle repr sente le g nome de Rickettsia prowazekii, une petite bact rie pathog ne dont le g nome ressemble le plus celui des mitochondries. la taille des g nomes mitochondriaux n'est pas bien corr l e avec le nombre de prot ines qu'ils contiennent : alors que l'ADN mitochondrial humain code pour 13 prot ines, l'ADN mitochondrial 22 fois plus grand d'Arabidopsis thaliana ne code que pour 32 prot ines, soit environ 2,5 fois plus que l'ADN mitochondrial humain. l'ADN suppl mentaire que l'on trouve dans Arabidopsis, Marchantia et d'autres mitochondries v g tales peut tre de l' ADN poubelle , c'est- -dire de l'ADN non codant sans fonction apparente. l'ADN mitochondrial du protozoaire Reclinomonas americana poss de 98 g nes. (adapt de M.W. Gray, G. Burger et B.F. Lang, Science 283:1476-1481, 1999.) La taille des g nomes chloroplastiques des plantes terrestres varie de 70 000 200 000 paires de nucl otides. Plus de 300 g nomes de chloroplastes ont maintenant t s quenc s. Beaucoup sont tonnamment similaires, m me chez des plantes loign es (comme le tabac et l'h patique), et m me celles des algues vertes sont troitement apparent es (Figure 14 67). Les g nes des chloroplastes sont impliqu s dans trois processus principaux : la transcription, la traduction et la photosynth se. Les g nomes des chloroplastes v g taux codent g n ralement pour 80 90 prot ines et environ 45 ARN, dont 37 ARNt ou plus. Comme dans les mitochondries, la plupart des prot ines cod es par des organites font partie de complexes prot iques plus grands qui contiennent galement une ou plusieurs sous-unit s cod es dans le noyau et import es du cytosol. Les g nomes des chloroplastes et des bact ries pr sentent des similitudes frappantes. Les s quences r gulatrices de base, telles que les promoteurs et les terminateurs de transcription, sont pratiquement identiques. L |
Biologie moléculaire de la cellule | es s quences d'acides amin s des prot ines cod es dans les chloroplastes sont clairement reconnaissables comme bact riennes, et plusieurs groupes de g nes ayant des fonctions connexes (tels que ceux codant pour les prot ines ribosomiques) sont organis s de la m me mani re dans les g nomes des chloroplastes, de la bact rie E. coli et des cyanobact ries. Les m canismes par lesquels les chloroplastes et les bact ries se divisent sont galement similaires. Les deux utilisent des prot ines FtsZ, qui sont des GTPases auto-assembl es li es aux tubulines (voir chapitre 16). La FtsZ bact rienne est une prot ine soluble qui s'assemble en un anneau dynamique de protofilaments attach s la membrane membranaire sous la membrane plasmique au milieu de la cellule en division. L'anneau FtsZ agit comme un chafaudage pour le recrutement d'autres prot ines de division cellulaire et g n re une force contractile qui entra ne une constriction membranaire et finalement une division cellulaire. Vraisemblablement, les chloroplastes se divisent peu pr s de la m me mani re. Bien que les deux utilisent des GTPases interagissant avec les membranes, les m canismes par lesquels les mitochondries et les chloroplastes se divisent sont fondamentalement diff rents. La machinerie de division des chloroplastes agit de l'int rieur, comme chez les bact ries, tandis que les GTPases de type dynamine divisent les mitochondries de l'ext rieur (voir Figure 14-63). Les chloroplastes sont rest s plus proches de leurs origines bact riennes que les mitochondries, car les m canismes eucaryotes de constriction membranaire et de formation de v sicules ont t adapt s la fission mitochondriale. L' dition et le traitement de l'ARN qui pr valent dans les chloroplastes doivent tout leurs h tes eucaryotes. Ce traitement de l'ARN comprend la g n ration des terminaisons 5 et 3 des transcrits et le clivage des transcrits polycistroniques. De plus, un processus d' dition d'ARN vous convertit des r sidus C sp cifiques et peut modifier l'acide amin sp cifi par le codon modifi . Ces produits et d'autres base d'ARN 23S 16S 23S 16S h patique chloroplaste ADN 121 024 pb CL : Figure 14 67 L'organisation du g nome du chloroplaste de l'h patique. l'organisation du g nome du chloroplaste est similaire chez toutes les plantes sup rieures, bien que la taille varie d'une esp ce l'autre, en fonction de la quantit d'ADN entourant les g nes codant pour les rNas ribosomales 16S et 23S du chloroplaste pr sente en deux copies. Les processus sont catalys s par des familles de prot ines qui ne se trouvent pas chez les procaryotes. On peut se demander pourquoi l'expression de si peu de g nes de chloroplaste doit tre si complexe. L'une des explications est que l'expression des g nes chloroplastiques et nucl aires doit tre troitement coordonn e. Plus g n ralement, le concept bact rien de l'op ron en tant qu'ensemble co-r gul de g nes dans une seule unit de transcription a t largement abandonn dans les chloroplastes. Les transcrits polycistroniques sont cliv s en fragments plus petits, qui n cessitent ensuite un pissage ou une modification de l'ARN pour devenir fonctionnels. Les g nes des organites sont h rit s maternellement chez les animaux et les plantes Chez Saccharomyces cerevisiae (levure de boulanger), lorsque deux cellules haplo des s'accouplent, elles sont de taille gale et apportent des quantit s gales d'ADN mitochondrial au zygote diplo de. L'h r dit mitochondriale chez les levures est donc biparentale : les deux parents contribuent de mani re gale au patrimoine g n tique mitochondrial de la descendance. Cependant, au cours de la croissance v g tative asexu e qui s'ensuit, les mitochondries se distribuent plus ou moins al atoirement aux cellules filles. Apr s quelques g n rations, les mitochondries d'une cellule donn e ne contiennent que l'ADN de l'une ou l'autre cellule parente, car seul un petit chantillon de l'ADN mitochondrial passe de la cellule m re au bourgeon de la cellule fille. Ce processus est connu sous le nom de s gr gation mitotique, et il donne lieu une forme distincte d'h r dit appel e h r dit non mend lienne, ou h r dit cytoplasmique, par opposition l'h r dit mend lienne des g nes nucl aires. L'h r dit des mitochondries chez les animaux et les plantes est tr s diff rente. Chez ces organismes, l'ovule contribue beaucoup plus de cytoplasme au zygote que le gam te m le (spermatozo des chez les animaux, pollen chez les plantes). Par exemple, un ovocyte humain typique contient environ 100 000 copies d'ADN mitochondrial maternel, alors qu'un spermatozo de n'en contient que quelques-uns. De plus, un processus actif garantit que les mitochondries des spermatozo des n'entrent pas en comp tition avec celles de l'ovule. Au fur et mesure que les spermatozo des m rissent, l'ADN est d grad dans leurs mitochondries. Les mitochondries des spermatozo des sont galement sp cifiquement reconnues puis limin es de l'ovule f cond par |
Biologie moléculaire de la cellule | autophagie de la m me mani re que les mitochondries endommag es sont limin es (par ubiquitylation suivie d'une livraison aux lysosomes, comme nous l'avons vu au chapitre 13). En raison de ces deux processus, l'h ritage mitochondrial chez les animaux et les plantes est uniparental. Plus pr cis ment, l'ADN mitochondrial se transmet d'une g n ration l'autre par h ritage maternel. Chez environ deux tiers des plantes sup rieures, les pr curseurs du chloroplaste du parent m le (contenus dans les grains de pollen) ne p n trent pas dans le zygote, de sorte que le chloroplaste ainsi que l'ADN mitochondrial sont h rit s de la m re. Chez d'autres plantes, les pr curseurs du chloroplaste des grains de pollen p n trent dans le zygote, ce qui rend l'h r dit du chloroplaste biparentale. Chez ces plantes, les chloroplastes d fectueux sont une cause de panachure : un m lange de chloroplastes normaux et d fectueux dans un zygote peut se trier par s gr gation mitotique pendant la croissance et le d veloppement de la plante, produisant ainsi une alternance de taches vertes et blanches dans les feuilles. Les cellules foliaires des taches vertes contiennent des chloroplastes normaux, tandis que celles des taches blanches contiennent des chloroplastes d fectueux (Figure 14-68). Chez l'homme, comme nous l'avons expliqu , tout l'ADN mitochondrial d'un ovule f cond est h rit de la m re. Certaines m res portent une population mixte de g nomes mitochondriaux mutants et normaux. Leurs filles et leurs fils h riteront de ce m lange d'ADN mitochondrial normal et mutant et seront en bonne sant , moins que le processus de s gr gation mitotique n'aboutisse une majorit de mitochondries d fectueuses dans un tissu particulier. Les muscles et le syst me nerveux sont les plus risque. Parce qu'elles ont besoin de quantit s particuli rement importantes d'ATP, les cellules musculaires et nerveuses sont particuli rement d pendantes des mitochondries pleinement fonctionnelles. De nombreuses maladies chez l'homme sont caus es par des mutations de l'ADN mitochondrial. Ces maladies sont reconnues par leur transmission des m res touch es leurs filles et leurs fils, les filles mais pas les fils produisant des enfants atteints de la maladie. Comme on pouvait s'y attendre compte tenu de la nature al atoire de la s gr gation mitotique, les sympt mes de ces maladies varient consid rablement entre les diff rents membres de la famille, y compris non seulement la gravit et l' ge d'apparition, mais aussi les tissus touch s. Il existe galement des maladies mitochondriales caus es par des mutations dans des prot ines mitochondriales cod es par le nucl aire ; ces maladies sont h r ditaires de mani re mend lienne. Figure 14 68 Une feuille panach e. Dans les taches blanches, les cellules v g tales ont h rit d'un chloroplaste d fectueux. (Avec l'aimable autorisation de la Fondation John Innes.) l'accumulation de mutations de l'ADN mitochondrial est un contributeur au vieillissement Les mitochondries sont des merveilles d'efficacit dans la conversion d' nergie, et elles fournissent aux cellules de notre corps une source d' nergie facilement disponible sous forme d'ATP. Mais chez les animaux tr s d velopp s et longue dur e de vie comme nous, les cellules de notre corps vieillissent et finissent par mourir. Un facteur de ce processus in vitable est l'accumulation de d l tions et de mutations ponctuelles dans l'ADN mitochondrial. Les dommages oxydatifs caus s la cellule par des esp ces r actives de l'oxyg ne (ROS) telles que H2O2, le superoxyde ou les radicaux hydroxyles augmentent galement avec l' ge. La cha ne respiratoire mitochondriale est la principale source de ROS dans les cellules animales, et les animaux chez qui la superoxyde dismutase mitochondriale le principal pi geur de ROS a t limin e, meurent pr matur ment. Les syst mes moins complexes de r plication et de r paration de l'ADN dans les mitochondries signifient que les accidents sont corrig s moins efficacement. Il en r sulte une fr quence 100 fois plus lev e de d l tions et de mutations ponctuelles que dans l'ADN nucl aire. La mod lisation math matique sugg re que la plupart de ces mutations et l sions sont acquises dans l'enfance ou au d but de la vie adulte, puis prolif rent par expansion clonale plus tard dans la vie. En raison de la s gr gation mitotique, certaines cellules accumuleront des niveaux plus lev s d'ADN mitochondrial d fectueux que d'autres. Au-del d'un certain seuil, de graves d ficiences de la fonction de la cha ne respiratoire se d velopperont, produisant des cellules s nescentes. Dans de nombreux organes du corps humain, les cellules s nescentes pr sentant des niveaux lev s de dommages l'ADN mitochondrial sont m lang es aux cellules normales, ce qui entra ne une mosa que de cellules avec et sans d ficience de la cha ne respiratoire. Le r le principal de la fusion mitochondriale dans la physiologie cellulaire est d'assurer une distribution unifo |
Biologie moléculaire de la cellule | rme de l'ADN mitochondrial dans tout le r ticulum mitochondrial et d'emp cher l'accumulation d'ADN endommag dans une partie du r seau. Lorsque la machinerie de fusion est d fectueuse, l'ADN est perdu d'un sous-ensemble des mitochondries de la cellule. La perte d'ADN mitochondrial entra ne une perte de fonction de la cha ne respiratoire et peut provoquer des maladies. Toutes les consid rations qui viennent d' tre discut es ont sugg r certains scientifiques que les changements dans nos mitochondries sont des contributeurs majeurs au vieillissement humain. Cependant, il existe de nombreux autres processus qui ont tendance mal tourner mesure que les cellules et les tissus vieillissent, comme on peut s'y attendre compte tenu de l'incroyable complexit de la biologie cellulaire humaine. Malgr des recherches intensives, la question n'est toujours pas r solue. Pourquoi les mitochondries et les chloroplastes maintiennent-ils un syst me s par co teux pour la transcription et la traduction de l'ADN ? Pourquoi les mitochondries et les chloroplastes ont-ils besoin de leurs propres syst mes g n tiques distincts, alors que d'autres organites qui partagent le m me cytoplasme, tels que les peroxysomes et les lysosomes, ne le font pas ? La question n'est pas triviale, car le maintien d'un syst me g n tique distinct est co teux : plus de 90 prot ines, dont de nombreuses prot ines ribosomiques, des aminoacyl-ARNt synth tases, de l'ADN polym rase, de l'ARN polym rase et des enzymes de traitement et de modification de l'ARN doivent tre cod es par des g nes nucl aires sp cifiquement cette fin. De plus, comme nous l'avons vu, le syst me g n tique mitochondrial comporte un risque de vieillissement et de maladie. Une raison possible du maintien de cet arrangement co teux et potentiellement dangereux est le nature hydrophobe des prot ines non ribosomiques cod es par les g nes des organites. Cela peut rendre leur production et leur importation dans le cytoplasme tout simplement trop difficiles et nergivores. Il est galement possible que l' volution (et l' limination ventuelle) des syst mes g n tiques organellaires soit toujours en cours, mais pour l'instant, il n'y a pas d'alternative pour la cellule que de maintenir des syst mes g n tiques s par s pour ses g nes nucl aires, mitochondriaux et chloroplastes. Les mitochondries sont des organites qui permettent aux eucaryotes d'effectuer la phosphorylation oxydative, tandis que les chloroplastes sont des organites qui permettent aux plantes d'effectuer la photosynth se. Probablement en raison de leurs origines procaryotes, chaque organite se maintient et se reproduit dans un processus hautement coordonn qui n cessite la contribution de deux syst mes g n tiques distincts, l'un dans l'organite et l'autre dans le noyau cellulaire. La grande majorit des prot ines de ces organites sont cod es par l'ADN nucl aire, synth tis es dans le cytosol, puis import es individuellement dans l'organite. D'autres prot ines d'organites, ainsi que les ARN ribosomiaux et de transfert des organites, sont cod s par l'ADN de l'organite ; Ceux-ci sont synth tis s dans l'organite lui-m me. Les ribosomes des chloroplastes ressemblent beaucoup aux ribosomes bact riens, tandis que l'origine des ribosomes mitochondriaux est plus difficile retracer. Cependant, de nombreuses similitudes prot iques sugg rent que les deux organites sont apparus lorsqu'une cellule eucaryote primitive est entr e dans une relation endosymbiotique stable avec une bact rie. Bien que certains des g nes de ces anciennes bact ries fonctionnent toujours pour fabriquer des prot ines et de l'ARN d'organites, la plupart d'entre eux ont t transf r s dans le g nome nucl aire, o ils codent pour des enzymes semblables des bact ries qui sont synth tis es sur des ribosomes cytosoliques, puis import es dans l'organite. Les processus de r plication et de r paration de l'ADN mitochondrial sont nettement moins efficaces que les processus correspondants dans le noyau cellulaire. Les dommages s'accumulent donc dans le g nome des mitochondries au fil du temps ; Ces dommages peuvent contribuer de mani re substantielle au vieillissement des cellules et des organismes, et ils peuvent provoquer des maladies graves. Quelles d clarations sont vraies ? Expliquez pourquoi ou pourquoi pas. 14 1 Les trois complexes d'enzymes respiratoires de la membrane interne mitochondriale ont tendance s'associer les uns aux autres de mani re faciliter le transfert correct des lectrons entre les complexes appropri s. 14 2 Le nombre de sous-unit s c dans l'anneau du rotor de l'ATP synthase d finit le nombre de protons qui doivent passer travers la turbine pour former chaque mol cule d'ATP. 14 3 Les mutations h rit es selon les r gles mend liennes affectent les g nes nucl aires ; les mutations dont l'h r dit viole les r gles mend liennes sont susceptibles d'affecter les g nes des organites. Discutez des probl mes suivants. Dans les ann es 18 |
Biologie moléculaire de la cellule | 60, Louis Pasteur remarqua que lorsqu'il ajoutait de l'O2 une culture de levure se d veloppant en ana robie sur du glucose, le taux de consommation de glucose diminuait consid rablement. Expliquez la base de ce r sultat, connu sous le nom d'effet Pasteur. 14 5 Le muscle cardiaque re oit la majeure partie de l'ATP n cessaire pour alimenter ses contractions continuelles par phosphorylation oxydative. Lors de l'oxydation du glucose en CO2, le muscle cardiaque consomme de l'O2 un taux de 10 mol/min par g de tissu, afin de remplacer l'ATP utilis dans la contraction et de donner une concentration d'ATP l' tat d' quilibre de 5 mol/g de tissu. ce rythme, Quelles structures sont n cessaires pour former les barri res qui s parent et maintiennent les domaines membranaires diff renci s dans une seule membrane continue comme pour les cr tes et la membrane de limite interne dans les mitochondries ? Comment une cellule eucaryote r gule-t-elle les nombreuses fonctions des mitochondries, y compris la production d'ATP ? Quelles sont les origines et l'histoire volutive des complexes photosynth tiques ? Existe-t-il des types de photosynth se non d couverts sur Terre pour aider r pondre cette question ? Pourquoi le taux de mutation est-il tellement plus lev dans les mitochondries que dans le noyau (et les chloroplastes) ? Ce taux lev aurait-il pu tre utile la cellule ? Quels m canismes et voies ont t utilis s au cours de l' volution pour transf rer les g nes de la mitochondrie au noyau ? combien de secondes faudrait-il au c ur pour consommer une quantit d'ATP gale ses niveaux d' quilibre ? (L'oxydation compl te d'une mol cule de glucose en CO2 donne 30 ATP, dont 26 sont d riv s par phosphorylation oxydative l'aide des 12 paires d' lectrons captur s dans les porteurs d' lectrons NADH et FADH2.) 14 6 H+ et Ca2+ sont tous deux des ions qui se d placent dans le cytosol. Pourquoi le mouvement des ions H+ est-il beaucoup plus rapide que celui des ions Ca2+ ? Comment pensez-vous que la vitesse de ces deux ions serait affect e par la cong lation de la solution ? Vous attendriez-vous ce qu'ils se d placent plus vite ou plus lentement ? Expliquez votre r ponse. 14 7 Si des mitochondries isol es sont incub es avec une source d' lectrons telle que le succinate, mais sans oxyg ne, les lectrons p n trent dans la cha ne respiratoire, r duisant presque compl tement chacun des porteurs d' lectrons. Lorsque l'oxyg ne est ensuite introduit, les vecteurs s'oxydent des vitesses diff rentes (Figure Q14 1). Comment ce r sultat vous permet-il de commander Figure Q14 1 : Analyse spectrophotom trique rapide des taux d'oxydation des porteurs d' lectrons dans la cha ne respiratoire (probl me 14 7). Les cytochromes a et a3 ne peuvent pas tre distingu s et sont donc r pertori s comme cytochromes (a + a3). Les porteurs d' lectrons dans la cha ne respiratoire ? Quel est leur sens (A) de l'ordre de rotation ? 14 8 Normalement, le flux d' lectrons vers l'O2 est troitement li la production d'ATP via le gradient lectrochimique. Si l'ATP synthase est inhib e, par exemple, les lectrons ne circulent pas dans la cha ne de transport d' lectrons et la respiration cesse. Depuis les ann es 1940, plusieurs substances, telles que le 2,4-dinitroph nol, sont connues pour d coupler le flux d' lectrons de la synth se de l'ATP. Le dinitroph nol tait autrefois prescrit comme m dicament di t tique pour aider perdre du poids. Comment un d couplage de la phosphorylation oxydative favoriserait-il la perte de poids ? Pourquoi pensez-vous que le dinitroph nol n'est plus prescrit (B) ? 5 14 9 Dans les mitochondries h patiques respiration active, le pH dans la matrice est sup rieur d'environ une demi-unit de pH celui du cytosol. En supposant que le cytosol est pH 7 et que la matrice est une sph re d'un diam tre de 1 m [V = (4/3) r3], calcule tardivement le nombre total de protons dans la matrice d'une mitochondrie h patique respirante. Si la matrice commen ait un pH de 7 ( gal celui du cytosol), combien de protons faudrait-il pomper pour tablir un pH matriciel de 7,5 (une diff rence de 0,5 unit de pH) ? L'ATP synthase 14-10 est le plus petit moteur rotatif au monde. Le passage des ions H+ travers la partie membranaire de l'ATP synthase (le composant Fo) provoque la rotation de la sous-unit centrale, centrale et semblable un essieu, l'int rieur du groupe de t te. La t te tripartite est compos e des trois dim res , dont la sous-unit est responsable de la synth se de l'ATP. La rotation de la sous-unit induit des changements conformationnels dans les dim res qui permettent ADP et Pi d' tre convertis en ATP. Diverses preuves indirectes avaient sugg r une catalyse rotative par l'ATP synthase, mais il faut le voir pour le croire. Pour d montrer le mouvement rotatif, une forme modifi e du complexe 3 3 a t utilis e. Les sous-unit s ont t modifi es de mani re pouvoir tre solidement ancr es |
Biologie moléculaire de la cellule | un support solide, et la sous-unit a t modifi e ( l'extr mit qui s'ins re normalement dans le composant Fo de la membrane interne) de sorte qu'un filament d'actine facilement visible et marqu par fluorescence puisse tre fix (figure Q14 2A). Cette disposition permet des rotations des sous-unit visualiser sous forme de r volutions du filament d'actine long. Dans ces exp riences, l'ATP synthase a t tudi e l'inverse de son m canisme normal en lui permettant d'hydrolyser l'ATP. de faibles concentrations d'ATP, on a observ que le filament d'actine tournait par pas de 120 , puis s'arr tait pendant des dur es variables, comme le montre la figure Q14 2B. Un. Pourquoi le filament d'actine tourne-t-il par tapes avec des pauses entre les deux ? quoi correspond cette rotation en termes de structure du complexe 3 3 ? B. Dans son mode de fonctionnement normal l'int rieur de la cellule, combien de mol cules d'ATP pensez-vous qu'elles seraient synth tis es pour chaque rotation compl te 360 de la sous-unit ? Expliquez votre r ponse. 14 11 Quelle est la quantit d' nergie disponible en lumi re visible ? Quelle quantit d' nergie la lumi re du soleil d livre-t-elle la Terre ? Quelle est l'efficacit Figure Q14 2 Dispositif exp rimental d'observation de la rotation de la sous-unit de l'atp synthase (probl me 14 10). (a) le complexe 3 3 immobilis . Les sous-unit s sont ancr es un support solide et un filament d'actine fluorescent est attach la sous-unit . (B) R volution par tapes du filament d'actine. La trace indiqu e est un exemple typique d'une exp rience. L'encart montre les positions dans la r volution auxquelles le filament d'actine s'arr te. (B, d'apr s R. Yasuda et al., Cell 93:1117 1124, 1998. Avec l'autorisation d'Elsevier.) Les plantes convertissent-elles l' nergie lumineuse en nergie chimique ? Les r ponses ces questions fournissent une toile de fond importante au sujet de la photosynth se. Chaque quantum ou photon de lumi re a une nergie hv, o h est la constante de Planck (6,6 10 37 kJ sec/photon) et v est la fr quence en sec 1. La fr quence de la lumi re est gale c/ , o c est la vitesse de la lumi re (3,0 1017 nm/sec) et est la longueur d'onde en nm. Ainsi, l' nergie (E) d'un photon est R. Calculez l' nergie d'une mole de photons (6 1023 photons/mole) 400 nm (lumi re violette), 680 nm (lumi re rouge) et 800 nm (lumi re proche infrarouge). B. La lumi re du soleil frappe la Terre une vitesse d'environ 1,3 kJ/s par m tre carr . En supposant, pour les besoins du calcul, que la lumi re du soleil est constitu e d'une lumi re monochromatique de longueur d'onde de 680 nm, combien de secondes faudrait-il une mole de photons pour frapper un m tre carr ? C. En supposant qu'il faut huit photons pour fixer une mol cule de CO2 sous forme de glucide dans des conditions optimales (8 10 photons est la valeur actuellement accept e), calculez combien de temps il faudrait un plant de tomate avec une surface foliaire de 1 m tre carr pour fabriquer une mole de glucose partir de CO2. Supposons que les photons frappent la feuille la vitesse calcul e ci-dessus et, de plus, tous les photons sont absorb s et utilis s pour fixer le CO2. D. S'il faut 468 kJ/mole pour fixer une mole de CO2 en glucides, quelle est l'efficacit de la conversion de l' nergie lumineuse en nergie chimique apr s capture de photons ? Supposons nouveau que huit photons de lumi re rouge (680 nm) soient n cessaires pour fixer une mol cule de CO2. 14 12 Dans les chloroplastes, les protons sont pomp s hors du stroma travers la membrane thylako de, tandis que dans les mitochondries, ils sont pomp s hors de la matrice travers la membrane crista. Expliquez comment cet arrangement permet aux chloroplastes de g n rer un gradient de protons plus important travers la membrane thylako de que les mitochondries ne peuvent g n rer travers la membrane interne. 14 13 Examinez la feuille panach e illustr e la figure Q14 3. Les taches jaunes entour es de vert sont courantes, mais il n'y a pas de taches vertes entour es de jaune. Proposez une explication ce ph nom ne. Figure Q14 3 : une feuille panach e d'Aucuba japonica avec des taches vertes et jaunes (probl me 14 13). Cramer Wa & Knaff DB (1990) Transduction d' nergie dans les membranes biologiques : un manuel de bio nerg tique. New York : Springer-Verlag. Mathews CK, van holde KE & ahern K-G (2012) Biochimie, 4e d. San Francisco : Benjamin Cummings. Nicholls DG & Ferguson SJ (2013) Bio nerg tique, 4e d. New York : presse universitaire. Schatz G (2012) les feux de la vie. Annu. Rev. of Biochem.81, 34 59.La mitochondrie Ernster L & Schatz G (1981) Mitochondries : une revue historique. J. Cell Biol. 91, 227s 255s. Friedman Jr & Nunnari J (2014) Forme et fonction mitochondriales. Nature 505, 335-43. Mitchell p (1961) Couplage de la phosphorylation au transfert d' lectrons et d'hydrog ne par un m canisme de type chi |
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