دروس لطلبة LMD

Organisation cellulaire

Contrairement à ce que l'on pense, les cellules ne sont pas toutes
construites sur le même schéma. Bien sûr, elles se ressemblent, elles sont
toute constitué d'un cytoplasme entouré d'une membrane, contiennent un
génome à base d'ADN et les même règles physiologiques peuvent dans la
plupart des cas, s'appliquer à toutes. Mais au delà de ces ressemblances,
il existe des différences fondamentales. Il ne s'agit pas de simples
différences morphologique, mais des architectures cellulaires
fondamentalement différentes. Ces différences permettent de différencier
deux types de base d'organisation cellulaires et trois grandes branches
dans l'arbre généalogique de la vie. Ces types sont disjoints, il n'y a
aucun intermédiaires entre eux.
Les domaines du vivant

Les scientifiques du passé avaient divisé le monde en 3 règnes : animal,
végetal et minéral. Cette description, basée sur ce qui était visible à
l'oeil nu était inexacte parce qu'elle oubliait tout un pan de la vie tout
en lui reliant le monde non-vivant. La découverte des cellules au XVIIeme
sciecle puis celle des organismes unicellulaires ne va pas modifier cet
état de chose; en se basant sur l'autotrophie et l'hétérotrophie de ces
organismes unicellulaires, ils seront répartis entre végétaux et animaux.
C'est ainsi que les bactéries sont classées dans les végétaux.
En 1866, Haeckel estime que cette répartition est inadaptée, il regroupe
les unicellulaires dans un nouveau regne, les protistes. La decouverte du
microscope électronique au debut du sciecle va permettre de découvrir la
différence fondamentale entre les bactéries et les autres cellules. Cela
abouti en 1938 à la séparation du règne des monères (ou procaryote) depuis
les protistes par Copeland. En 1969, Whittaker sépare les champignon des
végétaux et crée le régne des fongidés. 9 ans plus tard, avec Margulis, il
effectue un ultime remaniement de la classification en séparant les algues
pluricellulaires des végétaux et en les regroupant avec les protistes.
L'ensemble est renommé proctociste.
Dans les années 70, le monde vivant comportait donc deux grands types
cellulaires, les procaryotes et les eucaryotes, le second ayant connu une
évolution variée lui ayant permis de générer 4 régnes alors que les
procaryotes semblaient moins diversifiés. Plus récemment, les progrés de
la biologie moléculaire vont permettre d'effectuer une nouvelle
découverte. Les procaryotes peuvent être divisée en deux groupes
cellulaires aussi fondamentalement différents que le sont les bactéries
des eucaryotes : les eubactéries et les archéobactéries. Cette decouverte
abouti à la proposition par Woese en 1990 d'une division du monde vivant
en 3 domaines basés sur la structure cellulaire: eubactéries,
archéobactéries et eucaryotes.
Les eucaryotes

Les Eucaryotes sont les cellules qui constituent tout l'environnement que
nous voyons, les plantes, les animaux et champignons ainsi que divers
espèces unicellulaires tels que les amibes ou les paramécies. Ils sont
caractérisées par la présence d'organites, sortes d'organes
intracellulaire. Parmi eux, un organite est toujours présent : le noyau,
qui contient l'information génétique de la cellule. Il est d'ailleurs à
l'origine du nom de ce type (eucaryote = vrai noyau en latin). La
structure génétique de ces cellules est constituée de plusieurs brins
linéaire d'ADN (les chromosomes) et par des gènes en "mosaique", c'est à
dire que les zones codantes du gène sont découpées en morceaux qui sont
séparés par des zones non codantes.
Les originalités des eucaryotes ne se limitent pas à des considérations
génétiques. Celles-ci sont souvent de grande taille, ce qui les fragilise
et diminue leur surface d'échange avec le milieu extérieur. Mais surtout,
elles vont développer un cytosquelette, sorte de charpente intracellulaire
mobile qui va permettre à la fois de se rigidifier (et de compenser leur
fragilité) et de se déformer de façon contrôlée, phénomène qui est à
l'origine du mouvement des animaux, mais aussi des cellules phagocytaire
et qui est donc directement responsable de la grande variété des formes
animales qui existent.
Les procaryotes

Par opposition, les procaryotes sont les cellules sans noyau. Ces cellules
sont de petites tailles et sans organites intracellulaires. Leur matériel
est constitué d'un unique chromosome circulaire et de divers morceaux
d'ADN également circulaires mais beaucoup plus petit et en nombres
variables (meme entre les individus d'une meme espèce, voire à des moments
différents de la vie d'un meme individu) , les plasmides. En effet, alors
que le chromosome se duplique de façon synchronisée avec la division
cellulaire, les plasmides se repliquent de façon indépendante et sont
répartis au hasard entre les deux cellules filles lors d'une division. De
plus, certains plasmides ont la capacité de s'intégrer provisoirement au
chromosome. Enfin, ces cellules ne contiennent pas de cytosquelette. Elles
sont en général rigidifiées par un revetement externe et sont
indeformables sauf chez les plus petites espèces). La structure des gènes
différe également de ceux des eucaryotes, chez les procaryotes, ils sont
continus et plusieurs d'entre eux sont regroupés au sein d'un meme
ensemble fonctionnel, l'operon.
Eubactéries et archéobactéries

Pendant longtemps, procaryote a été synonyme de bactérie, jusqu'à la
découverte en 1990 d'un type cellulaire nouveau, de toute évidence
procaryote, mais qui ne sont pas des bactéries. Les bactéries ont donc été
renommées eubactéries (vrai bactéries) et ce nouveau type cellulaire
archéobactérie. Ces dernières partagent avec les eubactéries la possession
d'un chromosome circulaire unique et l'absence de cytosquelette. Mais
elles comportent aussi des caractères eucaoryotes tels que les gènes en
mosaique et une structure génétique semblable. Ces caractèristiques
intermédiaires les ont fait considerer comme les ancetres des deux
groupes. Toutefois, elles disposent de particularités originales, leur
membrane notamment est constitituée de lipides retrouvés nulle part
ailleurs dans le monde vivant. La principale caractéristique des
archeobactéries, à l'origine de leur popularité, est leur capacité a
survivre dans les milieux extrèmes : eaux trés acides (pH < 1) ou très
salées (mer morte) ou très chaude ( > 120°C) ou très froides ( < 0°C),
bien que la plupart d'entre elles vivent dans des milieu plus cléments.
Les procaryotes


Morphologie des prokaryotes
Aspect général des procaryotes

Selon leur aspect les bactéries peuvent être regroupées en plusieurs
catégories. Ces catégories sont purement descriptives et ont peu à voir
avec la phylogénie de ce groupe.
Les cocci

Les cocci sont des bactéries rondes. Ces bactéries peuvent vivre de façon
isolée mais elles sont en général regroupées en structures
pseudo-pluricellulaires. A chaque division, les cellules filles restent
collées. Selon les cas, on peut obtenir trois types de structures :

Les diplocoques : les cellules sont regroupées deux par deux.
Les streptocoques : les cellules forment une chaine linéaire.
Les staphylocoques : les cellules forment une petite grappe.
Les bacilles

Les bacilles sont des bactéries allongées. Elles vivent en général
solitaires mais peuvent à l'occasion se regrouper en structure
pseudo-pluricellulaires. Par leur morphologie on distingue deux groupes :

Les bacilles sont des cellules allongées droites.
Les vibrions sont des cellules incurvées.
Les spirilles

Les spirilles sont les plus étranges des bactéries. Elles ont en effet une
forme hélicoidale.

Structure interne des procaryotes

Les membranes







Les bactéries possèdent toutes une membrane plasmique qui les entoure qui
est constituée comme toutes les membranes biologiques
d'une bicouche lipidique. Elles ne possèdent cependant pas de membranes
intra-cytoplasmiques comme les eucaryotes et les fonctions dévolues à ces
dernières sont toutes assumées par la membrane plasmique : membranes
nucléaire, du réticulum et même des organites.
La membrane plasmique est entourée d'une paroi pectocellulosique,
perméable mais néanmoins très rigide qui lui permet de résister à des
pressions osmotiques du cytoplasme très élevée, supérieure à 5
atmosphères, sans exploser.
Certaines bactéries possèdent une seconde biomembrane qui entoure la
paroi. Cette membrane permet de distinguer les bactéries Gram - (du nom du
biologiste qui a mis le test au point) qui la possède des Gram + qui ne
l'ont pas. Cette biomembrane est constituée comme la membrane plasmique
d'une bicouche lipidique, mais les acides gras et les protéines
constitutives en sont très différentes.
Le matériel génétique

Le matériel génétique est constitué d'un unique chromosome circulaire qui
baigne dans le cytoplasme. Il est replié en longues boucles dont la base
est reliée à un ensemble protéique, le core. Ce dernier est lui même fixé
à la membrane plasmique et empêche donc l'ADN de se déplacer librement
dans le cytoplasme.
La duplication du chromosome est reliée à la multiplication cellulaire,
c'est à dire qu'il ne se duplique que quand la cellule se divise et
inversement. Dans les deux cellules filles, le chromosome est identique.
A côté de ce chromosome, il existe de petits éléments d'ADN circulaire en
nombres variables : les plasmides. Contrairement au chromosome, ces
plasmides ne sont pas indispensables à la vie de la cellule. Ils portent
toutefois quelques gènes intéressants, comme une résistance aux
antibiotiques. Ils peuvent aussi dans certains cas s'integrer de façon
réversible au chromosome.
La multiplication des plasmides est indépendante de celle de la cellule et
du chromosome. Ils peuvent se dupliquer sans division cellulaire et en cas
de division ils sont répartis au hasard entre les deux cellules filles.
Le cytoplasme

Le cytoplasme des bactéries remplit toutes les fonctions remplies par le
cytoplasme des eucaryotes, mais aussi par le nucléoplasme (milieu
intranucléaire) ou le stroma des organites. Comme chez les eucaryotes, les
principales réactions du métabolisme et la synthèse des protéines
intracellulaire s'y déroulent. Mais il assure aussi la duplication de
l'ADN et la synthèse d'ARN (fonctions du noyau), la synthèse des protéines
extracellulaires (fonction du réticulum endoplasmique granuleux), la
respiration (fonction des mitochondries), la photosynthèse (fonction des
chloroplastes), etc...
Ce mélange des fonctions dans un seul endroit fait que des évènements
disjoints dans le temps et l'espace chez les eucaryotes sont simultanée
chez les procaryotes. Il en est ainsi de la synthèse des protéine qui
débute alors même que la synthèse de l'ARN messager correspondant n'est
pas encore totalement terminée.


Le flagelle

Le flagelle est l'organe qui assure le déplacement de la cellule. Toutes
les bactéries n'en possèdent pas et les cocci en sont dépourvu. Le
flagelle a une morphologie différente de celui des eucaryotes, il est plus
simple, son fonctionnement est plus rustique. Il est constitué d'une
protéine, la flagelline. Il est ancrée dans la membrane par une protéine
motrice (c'est à dire capable de générer de l'énergie mécanique à partir
d'énergie chimique. Ce moteur peut tourner sous l'action du gradient de pH
qui existe entre l'intérieur et
l'extérieur de la cellule. Chaque ion H+ qui entre dans la cellule fait
tourner le moteur d'une fraction de tour. Pour faire un tour complet il
faut un nombre d'ion bien connu des informaticiens : 256 ions H+.
Le moteur peut tourner dans les deux sens, mais l'effet n'est pas le même.
Dans un sens il propulse la cellule, dans l'autre il la fait tourner. Ce
système permet à la cellule de se diriger d'une façon certe primitive mais
néanmoins efficace.

La reproduction des procaryotes



Les procaryotes se multiplient de la même façon que toutes les cellules
vivantes, par croissance puis division cellulaires. Contrairement aux
eucaryotes ou cette croissance est scrupuleusement régulée, elle est
continue chez les procaryotes. Les cellules se multiplient tant que les
conditions sont favorables. Quand les conditions deviennent défavorables,
les cellules meurent ou pour quelques rares groupes forment des spores
extremements résistants qui attendront que les conditions redeviennent
favorables.
La division cellulaire.

Lors de la division cellulaire, la cellule croit en volume, puis quand
elle atteind une taille suffisante, elle se coupe en deux cellules filles,
les constituants étant réparties entre les deux. L'ADN chromosomique est
un cas particulier puisqu'il est copié pendant la phase de croissance,
chaque cellule fille en recevant une copie. Sa synthèse est continue, elle
commence dès que la cellule nait et se termine avec la division suivante.
L'ADN est constitué de deux brins enroulés en double hélice. Les bases
azotées qui constituent ces brins sont complémentaires. Une base A est
toujours associée à une base T et G avec C. Lors de la duplication de
l'ADN, les deux brins se séparent. Le brin compléntaire de chacun est
synthétisé en prenant la base complémentaire de celle présente sur le brin
conservé. Les molécules d'ADN résultantes sont constituées chacune d'un
brin provenant de la molécule mère et ayant servi de moule et d'un brin
néosynthétisé. Une telle replication est dite semi-conservative.
La duplication de l'ADN est sous le contrôle d'une protéine complexe,
l'ADN réplicase. Cette protéine effectue toutes les opérations, séparation
des deux brins mère (brins noirs ci dessous) et synthèse des brins
complémentaires (brins bleus). Elle parcours un brin à partir d'un endroit
precis appelé point d'initiation. Deux réplicases parcourent l'ADN en sens
opposé à partir de ce même point. Avant la replicase, on a une seule
molécule d'ADN, deux après son passage. A l'endroit où se trouve la
réplicase, l'ADN à l'aspect d'un Y, ce Y est appelé fourche de
replication. Quand les deux réplicases ont fait le tour de l'ADN, les deux
brins deviennent indépendant, la cellule est prète à se diviser.
Les choses sont toutefois loin d'être aussi simple. Tout d'abord, la
replicase ne peut pas se fixer à l'ADN et le dupliquer comme ça. Elle ne
peut que prolonger un brin d'ADN déjà existant. Or quand la réplicase
commence son travail, il n'y a aucun brin à prolonger. Il faut donc
construire une amorce qui permettra à l'ADN replicase de démarrer. Les
seules protéines de l'organisme capable de construire une chaine nucléique
à partir d'une matrice sans brin amorce sont les ARN synthétase (en fait,
elles utilisent un brin d'ARN amorce, mais il est inclus dans la protéine
même). Une ARN synthétase va donc construire cette amorce d'ARN (en rouge)
dont l'ADN replicase va se servir comme point de départ de sa synthèse. A
la fin de la synthèse de l'ADN, ce morceau d'ARN au début de la chaine
d'ADN sera excisé et remplacé par les protéines de réparation de l'ADN, il
n'y a plus alors de problème puisque le chromosome étant circulaire, les
protéine peuvent se servir de ce qui précède pour élonguer l'ADN.

Le second problème concerne le sens de travail de l'ADN replicase. Elle ne
peux en parcourir l'ADN que dans un seul sens, nommé 5' -> 3'. Or les deux
brins sont disposés de façon antiparallèles. L'un des brins est donc
orienté dans le bon sens pour l'enzyme (brin du haut), mais l'autre l'est
dans le mauvais, elle ne peut donc pas le dupliquer directement. La
solution que les bactéries ont mis en place consiste à faire avancer la
replicase dans le bon sens le long du brin correctement orienté pendant
quelques milliers de paires de base, puis une seconde ADN replicase entre
en jeu, un brin d'ARN amorce est mis en place et l'ADN est synthétisé à
contre sens par l'ARN réplicase, jusqu'à ce qu'elle rencontre l'amorce ARN
du fragment précédent. On obtient donc une synthèse différente pour les
deux brins de la molécule d'ADN. Un brin est synthétisé en continu dans le
sens normal de lecture de l'ADN, l'autre brin est en apparence synthétisé
dans le même sens, donc en sens contraire du sens normal de lecture, mais
en réalité sa synthèse est le










résultat de plusieurs courtes synthèse qui s'initient successivement dans
le même sens que l'autre brin mais s'exécutent dans l'autre sens, correct
pour l'ADN réplicase. En fin de synthèse, le second brin est constitué de
multiples fragmenst d'ADN séparés par de courts fragments d'ARN. Chaque
fragment d'ADN est appelé fragment d'Okazaki (brin du bas). Comme pour le
premier brin les morceaux d'ARN sont remplacés par de l'ADN par les
mécanismes de réparation de l'ADN.
La conjugaison

Les cellules procaryotes n'ont pas de sexualité dans le sens cellulaire du
terme, c'est à dire la création d'un nouveau génome par la réunion de deux
demi génomes parentaux. Ils ont toutefois un mécanisme qui lui ressemble
de loin que certains microbiologiste ont assimilé à une sexualité
primitive : la conjugaison. Certains procaryotes possèdent un plasmide
particulier, le plasmide F. Celui possède la faculté de pouvoir se
dupliquer, la copie étant transmise à une autre cellule procaryote de la
même espèce qui ne possède pas ce plasmide. Dans les faits, deux cellules
s'approchent, une petite excroissante est émise par la cellule qui porte
le plasmide F (appelée cellule de type F) et rejoint la seconde cellule,
établissant un pont cytoplasmique entre elle. Le plasmide est alors
dupliqué et la copie passe le pont au fûr et à mesure de sa synthèse. La
nouvelle cellule devient a son tour de type F.
Toutefois, le plasmide F peut s'integrer au chromosome cellulaire, c'est
alors le chromosome dans sa totalité qui est transmis à la seconde
cellule. La cellule receveuse qui reçoie la copie peut alors effectuer des
recombinaisons avec son propre chromosome en contruisant un nouveau
chromosome hybride constitué d'éléments du sien et de la cellule donneuse.
Dans ce cas, le plasmide F est transmis en tant qu'élément du chromosome
et ne sera pas obligatoirement intégré au nouveau chromosome, la receveuse
ne deviens pas forcément de type F.
Dans le second cas, il y a bien eu recombinaison de deux génome pour
former un nouveau génome, cela ressemble donc à la sexualité des
eucaryotes, mais sans formation de gamètes. Il n'y a pas fusion de deux
cellules par fécondation mais transformation partielle d'une cellule par
une autre.



Illustrations
Bacille en division. Image de synthèse. Copyright 2000L. Delépine
Duplication de la molécule d'ADN. Les brins d'ADN mère sont en noir, les
brins néosynthétisés sont en bleu. Les zones rouges représentent les
amorces en ARN. La chaine supérieure est synthétisée en une seule fois
dans le sens 5'->3' alors que la chaine inférieure l'est par fragments
d'Okazaki dans le sens inverse. Copyright 2000 L. Delépine
Conjugaison entre bacteries La bactérie supérieure en bleu emet un
prolongement cytoplasmique vers la bactérie inférieure. Ce prolongement
servira à transférer un fragment d'ADN de la cellule verte vers la bleue.
Image de synthèse




La synthèse des protéines chez les procaryotes




La synthèse des protéines chez les procaryotes a été très étudiée, car
elle reprend dans les grandes lignes les mécanismes développés chez les
eucaryotes et chez l'homme, mais de façon beaucoup plus simple. C'est
grace aux bactéries que la biologie moléculaire a pu faire d'aussi grand
progrès aujourd'hui.
La strcuture d'une protéine est entièrement determinée par la séquence en
acide aminée qui la constitue. Pour synthetiser une protéine, la cellule
doit donc assembler les acides aminés dans un ordre exact défini pour
chaque protéine. La séquence en acide aminée est codée dans la molécule
d'ADN qui constitue la mémoire de la cellule. Il existe dans la nature 20
acides aminés, mais seulement 4 bases nucléiques. Tout le problème
consiste donc à transformer un code à quatre éléments en une structure
linéaire à 20 éléments. Cette prouesse est réalisée dans toutes les
cellules en 2 étapes appelées respectivement transcription et traduction,
que nous allons détailler maintenant après avoir défini auparavant ce
qu'est un gène.
Avant de continuer, je doit signaler que l'ADN ne synthètise pas les
protéines, il ne fait que coder l'information nécessaire. La synthèse est
effectuée par tout un mécanisme enzymatique à partir des informations
portées par la molécules.

Le gène

L'ADN de la cellule est une molécule linéaire constituée d'un enchainement
de bases nucléiques dans un ordre précis. Cette molécule, généralement
unique chez les procaryotes, est capable de coder les informations
nécessaires pour synthétiser plusieurs milliers de protéines différentes.
Le code de ces protéine est donc disposé bout à bout sur la molécule
d'ADN. Ce qui implique que l'ADN est divisé en zone, chacune correspondant
à une protéine précise. Ces zones sont appelée gène. L'ADN peut ainsi être
assimilé à une bande magnétique qui comporte plusieurs fichiers à la suite
l'un de l'autre.
Il ne suffit pas pour synthétiser une protéine, d'avoir une molécule
d'ADN. Puisque une molécule d'ADN peut coder plusieurs protéines, il faut
savoir où chacune commence et où elle finit. Il faut aussi que la protéine
soit synthétisée quand il faut mais pas de façon inutile. Toutes ces
informations sont codées sous forme de séquence de base à l'intérieur de
la molécule d'ADN. Le gène apparait donc comme une véritable fiche
technique qui indique non seulement la composition de la protéine, les
conditions dans lesquelles elle doit être synthétisée et où elle doit être
utilisée. Souvent, ces informations de régulation prennent plus de place
dans le gène que la composition de la protéine elle même.
Nous avons vu plus haut que la molécule d'ADN est constituée de deux brins
complémentaires. Des expériences ont montrés que le gène est porté par un
seul des deux brins. L'autre brins ne comporte aucune information, si ce
n'est qu'il permet par complémentarité de resynthétiser le premier brin.
Cette règle est respectée par l'ensemble des êtres vivants sauf chez les
virus à ADN chez qui le génome extrémement réduit oblige à choisir leur
séquence protéique de façon à utiliser les deux brins de la molécule
d'ADN. D'autre part, le brin traduit en protéine est lu dans un sens bien
précis, dans le sens 5' -> 3'. Ces informations de régulation sont
rassemblées dans une zone qui précéde le gène et qui est appelée

promoteur. Le promoteur est caractérisé par des séquences consensus, c'est
à dire des séquences de nucléotides qui ne sont pas toutes identiques d'un
promoteur à un autre mais qui ressemblent, à l'exception d'un ou deux
nucléotides, à une séquence moyenne (consensus) appelée boite. Il existe
deux boites, la boite CAAT et la boite TATA, ainsi nommées en fonction de
la séquence consensus qui les caractérise.
Une particularité dun génome des procaryotes est l'organisation des gènes
en opérons. Plusieurs sont disposés à la suite sur le brin d'ADN et tous
sont contrôlés par la même zone de régulation. Tous ces gènes seront
transcris sur le même ARN message et seront traduit en protéines. Cela est
un moyen simple, mis en place par les procaryotes pour assurer la synthèse
coordonnées de protéines dépendantes. On trouve ainsi dans un opéron une
enzyme et ses facteurs de régulation, les enzymes spécifiques d'une voie
métabolique, etc... Les eucaryotes ne possèdent pas d'opérons, ils ont
d'autres systèmes plus complexes, mais autrement plus performants.

La transcription

La molécule d'ADN est unique dans l'organisme. Ceci a deux implications :
tous mécanisme qui risque d'endommager l'ADN detruirait automatiquemnt le
gène en cours de traduction et la quantité de protéines qu'il est possible
de synthétiser par unité de temps est réduite. Ces difficultés ont été
tournée par les cellules en n'effectuant pas la traduction directement
depuis l'ADN mais se servant de celui-ci pour créer plusieurs copies de
travail qui elles servivont à synthétiser les protéines.
La première étape de la synthèse protéique est donc la synthèse d'une
copie de la partie utile du gène. La molécule synthétisée n'est toutefois
pas de l'ADN mais de l'ARN. Elle diffère de l'ADN par trois particularités
:/ [/IMG] Enfin, la molécule d'ADN est monocatenaire, c'est à dire,
constituée d'un seul brin.
L'ARN qui servira de matrice est appelé ARN messager, car il porte le
message sur la structure de la protéine. Il est différent pour chaque
protéine synthétisé. On peut noter trois particularités de cet ARN qui
différe de celui des eucaryotes, d'une part sur une molécule d'ARN, le
gène est en un seul morceau (ce détail sera approndi lors de l'etude des
gènes fragmenté des eucoaryotes), d'autre part, un ARN peut porter
plusieur gènes; au sein d'un opéron, enfin, un même gène ne peut coder
pour qu'une seule protéine, alors que les eucaryotes par le mécanisme de
l'épissage peuvent coder plusieurs protéines par un même gène.
L'ARN messager n'est toutefois pas le seul ARN synthétisé par la cellule à
partir de l'ADN. On trouve deux autres types qui sont aussi codés par des
gènes de l'ADN, mais ne seront pas traduits en protéines : l'ARN
ribosomal, qui intervient dans la machinerie de la synthèse protéique et
l'ARN de transfert qui participe à la reconnaissance des acides aminés.
Ces deux types sont communs à toutes les protéines synthétisées.
La synthèse de l'ARN fait intervenir un ensemble protéique très complexe,
la RNA synthétase. La première étape de la transcription est la
reconnaissance du gène à transcrire. Cette étape fait intervenir des
mécanismes variés qui dépendent de la protéine à transcrire, mais qui tous
reposent sur le principe d'une protéine spécifique du ou des gène à
transcrire, qui se fixe en un endroit précis de l'ADN, située dans le
promoteur. Cette protéine va servir de point d'ancrage au système RNA
synthétase, cette phase n'ayant lieu naturellement que si les deux boites
CAAT et TATA sont présentes. Ce complexe va parcourir la molcéule d'ADN
pour la lire. Elle va tout d'abord dérouler la molécule d'ADN, puis
séparer les deux brins, puis assembler les bases azotées en se servant du
brin complémentaire comme matrice pour aboutir à la molécule d'ARN.
Derrière elle, les deux brins se réassemblent et l'ADN se réenroule. Quand
la RNA synthétase rencontre le site de terminaison de gène, elle se sépare
de l'ADN est l'ARN est libéré dans le cytoplasme. Souvent, plusieurs RNA
synthétase peuvent parcourir le même gène simultanément, ce qui permet à
partir d'un seul gène d'obtenir de multiples copies sous forme d'ARN, ce
qui permettra ultérieurement de synthétiser la protéine beaucoup plus
rapidement que si la traduction avait lieu directement depuis l'exemplaire
unique de l'ADN.
Maintenant que l'ARN est prêt, l'étape suivante, sa traduction en protéine
va pouvoir débuter.

La traduction



La traduction est la synthèse de protéine à partir du message porté par la
molécule d'ARN. Ce terme de traduction se justifie car il faut passer
d'une succession de 4 bases azotées à une succession de 20 acides aminés.
La méthode la plus simple à imaginer est de faire correspondre à chaque
acide aminé une succession de bases azotées, les groupes de base azotés
correspondant à chaque acides aminés se succedant sur la molécule d'ARN
pour coder la séquence de la protéine. En regroupant les bases par deux,
on peut ainsi coder 8 acides aminés, par 3 on dispose de 64 possibilités,
ce qui est suffisant pour nos besoins. Comme il y a 20 acides aminés, on
pouvait donc supposer que :
le codage des protéines est beaucoup plus complexe, utilisant par
exemple un mélange de doublet et de triplet.
plusieurs triplets de bases codent pour le même acide aminés
seuls une partie des triplets codent pour des acides aminés, les autres
étant inutilisés.
Des expériences ont montrés que la réalité est un petit peu un mélange des
trois.
Les acides aminés sont bien codés par des triplets de bases azotés et
plusieurs triplet correspondent au même acide aminés, ce qui correspond à
l'hypothèse 2. Mais certains triplets ne code aucun acide aminés
(hypothèse 3). Enfin, si plusieurs triplets codent pour plusieurs acides
aminés, la correspondance ne s'est pas établie au hasard. Souvent seules
les deux premières bases sont spécifiques de l'acide aminés, la troisième
étant sans importance ou au mieux seule sa nature chimique (purique ou
pyrimidique) compte. Seul pour un petit nombre d'acide aminés, la
succession exacte des bases azotés est importante. On retrouve ainsi un
code à deux bases noyés dans le code à trois bases (hypothèse 1).
Trois triplets ne codent pour aucun acides aminés. Cela ne signifient pas
qu'ils ne servent à rien. En réalité, ils servent de ponctuation,
indiquant au mécansime de synthèse que la fin de la protéine est atteinte.
Il existe aussi un triplet indiqué ou débute la protéine, mais le cas est
beaucoup plus complexe puiqu'il code aussi pour un acide aminé, ce qui lui
atttribue donc deux rôles.
Il est a noter que le code de correspondance entre les triplets de bases
et les acides aminés est, à de très rares exceptions près et dans une
mesure très réduite, universel pour l'ensemble de la planète, des
bactéries à l'homme. Ce fait, plus que tous les autres milite en faveur
d'une origine commune pour tous les êtres vivants. Ce code a été
aujourd'hui élucidé et s'appelle le code génétique. Le triplet de base
azoté est le codon.



Le code génétique






U



C



A



G




U



phe

phe

leu
leu




ser

ser

ser
ser





tyr

tyr

stop
stop





cys

cys

stop
try





U

C

A
G





C



leu

leu

leu
leu





pro

pro

pro
pro





his

his

gln
gln





arg

arg

arg
arg





U

C

A
G





A



ileu

ileu

ileu
met





thr

thr

thr
thr





asn

asn

lys
lys





ser

ser

arg
arg





U

C

A
G





G



val

val

val
val





ala

ala

ala
ala





asp

asp

glu
glu





gly

gly

gly
gly





U

C

A
G







Dans le tableau, l'ordre des bases se lit de gauche à droite. Les codons
rouges sont les codons stop qui signifient au mécanisme de synthèse
protéique la fin de la chaine. Le codon bleu est le codon d'initiation
qui, comme on le voit, code aussi pour la méthionine.
A partir du brin d'ARN et des acides aminés, la synthèse de la protéine va
s'executer en plusieurs étapes : la reconnaissance des acides aminés,
l'élongation puis la maturation de la chaine protéique. Dans la plupart
des ces étapes sont sous le contrôle, le rôle majeur est joué par un ARN.

La reconnaissance des acides aminés.













Il n'existe aucune reconnaissance directe entre un codon et un acide
aminé. Le système de synthèse des protéines reconnait les acides aminés à
ajouter à la chaine protéique parce que ceux ci sont fixés de facon
covalente à un ARN d'un type particulier appelé ARN de transfert. Cet ARN
est constitué d'une courte chaine de base azotées à la séquence
parfaitement determiné. Cette séquence provoque un repliement de la chaine
dans l'espace qui forme alors 3 boucle et comporte une longue queue. La
seconde boucle porte la séquence complémentaire du codon (l'anticodon) qui
sera reconnu par le système de synthèse. L'acide aminé est fixé à
l'extrémité de la longue queue au moyen d'une protéine spéciale qui
reconnait la structure tridimensionnelle de l'ARN et l'acide aminé. Il
existe 20 protéines de liaison (une pour chaque acide aminé) et 61 ARN de
transfert (un par codon).




L'élongation de la chaine protéique.










La synthèse de la chaine protéique se fait dans le cytoplasme au niveau
d'un organite spécialisé, le ribosome. Le ribosome est constitué de deux
sous unités nommées 30S et 50S en fonction de leur coefficient de
sédimentation, chacune formée de protéines et d'une troisieme sorte d'ARN,
l'ARN ribosomique. Dans un premier temps, l'ARN messager se fixe sur la
particule 30S du ribosome, au niveau du codon AUG qui indique le début de
la traduction. La deuxième sous-unité se fixe alors à la première et
reconstitue le ribosome complet et fonctionnel.
Le ribosome comporte un site qui peut recevoir le complexe acide-aminé/ARN
de transfert. Si l'anticodon porté par l'ARNt est complémentaire du codon
de l'ARNm le complexe prend place dans le site. Le ribosome sépare alors
le complexe et soude l'acide aminé à la chaine protéique, l'ARNt quitte le
site pour être réutilisé. Le ribosome glisse ensuite d'un codon le long de
l'ARNm, pour accueillir l'acide aminé suivant.
Quand un codon stop est rencontré, aucun complexe acide amine/ARNt ne peut
prendre place dans le site et la chaine peptidique est libérée.
Quand un ribosome a suffisament avancé le long de l'ARNm, un autre
ribosome peut venir se fixer sur le site d'initiatin de la traduction et
commencer une nouvelle traduction alors que la première n'est pas encore
finie. Une telle structure avec plusieurs ribosomes traduisant
simultanement le même ARNm est appelé polysome.
La synthèse protéiques des bactéries présente une particularité absente
chez les eucaryotes, le début de la traduction alors que la transcription
n'est pas terminée. Chez les eucaryotes, la synthèse d'ARN a lieu dans le
noyau et les ribosomes se situant dans le cytoplasme, les deux évènements
sont séparés dans l'espace et le temps. Il n'en est pas de même chez les
procaryotes où les deux peuvent se prduire simultanément.
La maturation de la chaine protéique.

Après sa synthèse, la chaine protéique est rarement immédiatement
utilisable. Elle doit subir une étape de maturation qui doit la rendre
apte à exercer sa fonction. Cette étape est très variable d'une protéine à
l'autre. Les principales possibilités sont :

La coupure de la chaine protéique en plusieurs morceaux
La fixation de groupement glucidique ou lipidique sur certains acides
aminés. C'est en général le cas pour les protéines extracellulaires
L'assemblage de plusieurs chaines pour former une protéine multimérique.
La transformation d'un acide aminé en un autre. C'est la méthode utilisée
pour insérer dans une protéine un acide aminé qui ne fait pas partie des
20 figurants dans le code génétique.
Toutes ces étapes sont sous la dépendance de protéines spécialisées.
Tous ces mécanismes permettent la synthèse des protéine à une vitesse
élevée et avec un taux d'erreur très faible. Ces mécanismes se retrouvent
avec de très légères différences chez les eucaryotes.


La cellule eucaryote




Variétés des cellules eucaryotes


La cellule végétale
La cellule animale
Les champignons
les organismes unicellulaires
Constitution des cellules eucaryotes


Le noyau
La membrane plasmique
Le reticulum endoplasmique
L'appareil de Golgi
Les mitochondries
Les plastes
Les autres organites
Le cytosquelette


Les microtubules
Les microfilaments
La reproduction des eucaryotes


Haploidie, diploidie, polypoloidie
La mitose
Le cycle cellulaire
La phase G ou interphase
La phase M ou mitose chez les animaux
Les variations de la mitose
La méiose
La mitose reductionnelle
La mitose équationnelle
La synthèse des protéines chez les eucaryotes


La maturation des ARN messagers
L'adressage des protéines

Variété des cellules eucaryotes



Chez les procaryotes les cellules avaient toutes une morphologie
semblable, sphérique ou cylindrique, au point que pendant des décennies
les eubactéries et les archéobactéries ont été considérées comme faisant
partie du même groupe alors qu'en réalité ils sont aussi différents entre
eux qu'avec les eucaryotes, des études biochimiques ont été nécessaires
pour les différencier. Les eucaryotes en revanche font preuve d'une
variété absolument extraordinaire. Il suffit d'un rapide coup d'oeil dans
un microscope pour différencier une cellule végétale d'une cellule
animale. De même chez l'animal, un neurone, allongé et ramifié et pouvant
faire plusieurs mêtres de long ne ressemble absolument pas à un cellule
épithéliale prismatique, ou à une cellule endothéliale en forme de tube.
La cellule végétale

La cellule végétale représente le sommet de l'évolution cellulaire. Elle
est capable de synthétiser toutes les substances organiques qui lui sont
nécessaire et ce uniquement à partir de matière inorganique et de lumière,
ce que même les bactéries ne peuvent pas faire. Elle est responsables du
fonctionnement de la biosphère. La photosynthèse qui fourni les glucides
nécessaires à son alimentation energétique, absorbe le gaz carbonique et
rejette l'oxygène qui permet aux animaux et à la plupart des procaryotes
de respirer. Sa production de matière organique est suffisante pour ses
besoins, mais aussi ceux des autres groupes de la vie, animaux et
bactéries comprises (même si certaines bactéries savent synthétiser leur
matière organique à partir de substances minérales).
Une cellule végétale est une cellule eucaryote, elle comporte donc un
noyau qui contient le matériel génétique, le réticulum endoplasmique et
des mitochondries, centrales énergétiques de la cellule. La membrane
plasmique est entourée d'une paroi de cellulose qui donne sa forme à la
cellule. En l'absence de cette paroi, la cellule prend une forme sphérique
en raison des forces osmotiques qui s'exercent sur les membranes. La plus
grande partie du cytoplasme est occupé par une vacuole, organite limité
par une membrane et contenant principalement de l'eau. Mais la principale
caractéristique des cellules végétale est la présence de chloroplastes,
organites spécialisés dans la photosynthèse.

La cellule animale

La cellule animale est moins perfectionnée que la cellule végétale.
Incapable de synthétiser l'ensemble de ses matière organiques, elle est
obligée de trouver la plupart d'entre eux dans son environnement. Elle
n'en sont pas moins depourvue de qualités. Son principal atout est sa
faculté à se deformer. La forme d'une cellule animale est due à une
charpente intracellulaire, deformable de façon controlée : le
cytosquelette. Cette deformabilité est rendue possible par l'absence de
paroi cellulosique, remplacé par un revetement glucidique souple, le
glycocallix.
Le cytosquelette associée à la pluricellularité (qu'ils partagent avec les
végétaux et les champignons) à permis de donner les organismes vivant les
plus complexes et les plus variés qui soient. Il existerait entre 1 et 2
millions d'espèces animales, soit plus que tous les autres groupes réunis
et un mammifère comporte plus de 200 types de cellules différents. A titre
de comparaison, les végétaux, le second groupe par la variété ne comporte
que 100 à 200 mille espèces et est constituée de quelques dizaines de
types cellulaires.
La deformabilité permet aussi la phagocytose, c'est à dire l'englobement
d'une partie de leur environnement et l'absorption de leur contenu. Ainsi,
le comportement de predateur des animaux se retrouve déjà au niveau de
leur cellules.

Les champignons

Les champignons sont des cellules à première vue intermédiaire entre les
cellules animales et végétales. Ils de chloroplastes, ils sont incapables
de synthétiser leurs glucides à la lumière du soleil. A l'instar des
animaux, ils doivent trouver leur matière organique dans leur
environnement. Mais contrairement à eux, ils ne peuvent pas se déformer,
et de là se déplacer, leur membrane est entourée d'une paroi cellulosique
comme chez les végétaux. Leur mode d'alimentation est dit saprophyte,
c'est à dire se nourrissant d'organisme mort. Ce groupe est le troisième
ayant réussi a atteindre l'état pluricellulaire et est certainement le
premier à l'avoir fait. Il n'en sont pas pour autant les ancêtres des
animaux et des végétaux, mais un groupe frère. Leur mode de reproduction
tout à fait original les place totalement à l'ecart de ces deux autres
groupes.

Les eucaryotes unicellulaires.

Si les cellules animales sont parmi les plus variées de la natures, les
groupes d'eucaryotes unicellulaires ne sont pas en reste. Certains d'entre
eux n'ont pas de forme précise, comme l'amibe et semblent apparentés aux
animaux. D'autres ont des capacités photosynthétiques et semble proches
des végétaux. Certains groupes enfin ne ressemblent à aucun des deux.
Toutefois classer les unicellulaire en fonction de leurs capacité
photosynthétique et de leur motilité est absurde. Que faire des cellules
portant des chloroplastes et qui se déplacent, ou une cellule mobile qui
perd ses chloroplastes devient elle un animal pour autant. Hormis pour les
champignos unicellulaires qui sont forment un groupe bien individualisé et
homogène avec les champignons pluricellulaires, tous les eucaryotes
unicellulaires sont regroupé dans l'ensemble des protistes.













Les organites des eucaryotes





Il existe deux principales différences entre les eucaryotes et les
procaryotes, la présence chez les premiers d'organites intracellulaires et
l'existence du cytosquelette, un réseau de protéine fibrillaire qui
participe à la forme et aux mouvements de la cellule. Les organites,
décrits sur cette page sont chargés d'accomplir une ou plusieurs tâches
bien précises dans la cellule. En fait, l'architecture des eucaryotes n'a
rien à voir avec celle des procaryotes, mais si les mêmes éléments de base
se retrouvent. En revanche certains organites ressemblent tellement à des
procaryotes que la majorités des scientifiques considèrent à l'origine
qu'ils en étaient et que les eucaryotes sont le résultat d'une symbiose
entre une cellule de type encore indeterminée (mais certainement une
archéobactérie) et plusieurs bactéries. Je reprendrais cette théorie quand
j'aborderai l'évolution.
La principale propriété qu'ont amenée les organites avec eux est la
compartimentation. Ces organites ont en effet un milieu interne, de
composition très différents de celle de leur milieu externe le cytoplasme
et également très différents entre eux. Une autre conséquence est la
multiplication des membranes. Alors que les procaryotes ne possèdent en
général que la membrane plasmique, plus parfois une membrane externe,
chaque organite des eucaryotes possède sont propre jeu de membranes aux
propriétés très différentes les unes des autres. Tous ces éléments vont
aboutir à faire de la cellule eucaryote une cellule qui bien que peu
performante face à la vitalité des procaryotes, possède des potentialités
absolument extraordinaires. Songez que la quasitotalité de ce que l'on
observe autour de nous est constituée d'eucaryotes.



















Le noyau














Le noyau est l'organite qui a donné son nom aux eucaryotes (eu = vrai,
caryos = noyau), bien que quelques uns puissent en être dépourvus à
certains stades de leur existence (comme les globules rouges de
mammifères). La fonction du noyau est de contenir la majeure partie de
l'ADN cellulaire. L'ADN contenu est de type eucaryote (cette affirmation
n'est pas si ridicule que ça, comme nous le verrons avec les
mitochondries).
Le noyau est limité par une enveloppe constituée d'une membrane double
(deux membranes bilipidiques) qui sépare 3 compartiment, le cytoplasme à
l'exterieur, le nucléoplasme à l'intérieur et le compartiment
intermédiaire entre les deux membranes. Le cytoplasme et le nucléoplasme
communiquent par des pores, les pores nucléaires, qui traversent les deux
membranes. Au niveau des pores, la membrane interne et la membrane externe
sont en continuité, il n'y a aucune communication entre le nucléoplasme et
le compartiment intermédiaire (qui est en réalité une extension de la
lumière du réticulum). La membrane interne de la paroi est tapissée de
lamine, une protéine fibrillaire capable de fixer la chromatine.
L'intérieur du noyau abrite la chromatine, assemblage de protéines et
d'ADN. Au microscope on distingue l'hétérochromatine et l'euchromatine.
L'hétérochromatine, aussi appelée chromatine condensée est située
généralement contre l'enveloppe et en amas isolés au centre du noyau.
L'euchromatine est la forme active de l'ADN, elle apparait au microscope
plus claire et plus dispersée. Une particularité des cellules des femelles
de mammifères est la présence d'un condensat de chromatine près de la
paroi, le corpuscule de Barr, il correspond au second chromosome X de la
cellule, inactivé pour compenser l'excés par rapport aux cellules males
qui n'en ont qu'un (Si les femelles avaient leurs deux chromosomes X
actifs, le déséquilibre entre les gènes des deux sexes serait trop grand
avec des conséquences pathologiques, comme c'est le cas quand un
chromosome 21 est en trop dans la trisomie). Ce corpuscule participe au
test de féminité chez les sportives.
Le noyau possède une zone spécialisée très fortement colorée par les
préparations standards, le nucléole. Ce nucléole, en général unique dans
les cellules, est le centre de synthèse des ARN ribosomaux et d'assemblage
des sous-unités ribosomales. Ce nucléole est dynamique, il disparait avant
la division cellulaire et réapparait juste après. Le nucléole est centré
autour d'une structure bien particulière de l'ADN, l'organisateur
nucléolaire. Il est constituée de multiples copies (plusieurs centaine de
fois) des gènes de l'ARN 45S, ARN qui par clivage donne les deux grands et
le petit 5,8S ARN ribosomal. Le dernier ARN ribosomal et les protéines
associées sont codées ailleurs dans le génome, mais c'est quand même dans
le nucléole qu'ils s'assemblent avec le reste du ribosome. L'assemblage
des deux sous unités a lieu, comme chez les procaryotes, dans le
cytoplasme lors de la synthèse protéique.
Pour terminer ce tout d'horizon du noyau, il faut signaler qu'à l'instar
du cytoplasme qui est silloné d'un réseau fibrillaire, le cytosquelette,
le noyau l'est également, par une autre famille de protéines qui
constituent le nucléosquelette.
La membrane plasmique

La membrane ressemble fortement à celle des procaryotes. Elle est
constituée d'une double couche lipidique du même type que celle des
bactéries. Elle comporte toutefois du cholestérol dans sa couche externe.
Ce cholesterol sert de tampon de fluidité, il permet à la membrane de
supporter de faibles écarts de température sans que cela se ressente trop
dans sa consistance, un ecart de température plus important étant absorbé
par un changement de longueur des lipides et de la répartition des lipides
saturés et insaturé (les lipides courts ou insaturés sont plus fluides).
La membrane est traversées par des protéines : transporteurs, canaux,
récepteurs aux molécules extérieures, etc... Les cellules animales
comportent en plus un type protéines particulier qui traverse la membrane
et fixe d'un coté le cytosquelette et de l'autre les protéines du milieu
conjonctif, assurant la continuité mécanique du tissu. D'autres protéines
sont absente chez les eucaryotes. Elles correspondent à des fonctions de
la membrane procaryote qui sont prises en charge par des organites chez
les eucaryotes. C'est le cas des protéines du complexe respiratoire qui
sont localisée dans la mitochondrie.
La membrane plasmique semble en apparence plus simple que chez les
procaryotes. En réalité, ce transfert de compétence vers d'autres
organites à libéré la membrane pour de nouvelles fonctions. Par exemples,
toutes membranes plasmique de toutes les cellules (procayotes comprises)
sont polarisés, la face interne étant plus négative que la face externe.
Mais les propriétés des neurones (et plus généralement des cellules
excitables) proviennent de ce qu'ils sont non seulement capables de se
dépolariser rapidement, mais qu'en plus ils sont capables de propager
cette dépolarisation le long de leur membrane. La morphologie spécifique
avec dendrites et axone n'est qu'une amélioration morphologique, les
animaux les plus primitifs (éponges, cnidaires) en sont d'ailleurs
dépourvus. La membrane plasmique est avec le cytosquelette l'organite qui
participe le plus à la spécialisation cellulaire.

Le réticulum endoplasmique

Les cellules eucaryotes sont beaucoup plus grosses que les procaryotes. Or
quand le diamêtre d'une cellule augmente, sa surface augmente
proportionnellement au carré et son volume au cube. Le rapport
surface/volume est donc fortement diminué dans une cellule eucaryote, ce
qui rend les échanges avec l'extérieur moins performants. Les eucaryotes
compensent ce phénomène en se plissant, ce qui augmente la surface
d'échange. Mais ces plis, s'ils sont suffisants pour fournir ses aliments
à la cellule, ne permettent pas de remplir la totalité des fonctions de la
membrane plasmique procaryotes. Les eucaryotes se sont alors doté d'un
réseau membranaire interne le réticulum endoplasmique, qui prend en charge
une partie de ces fonctions la synthèse des protéines extracellulaires et
des lipides. A ces deux fonctions, s'en ajoute une troisième,
particulièrement développée dans les muscles striés, le stockage du
calcium intracellulaire.
Le réticulum est constituée d'un réseau de tubes ramifiés et très
fortement interconnecté limité par une membrane lipidique, qui occupe la
majeure partie du cytoplasme. Cette membrane est en continuité avec la
membrane externe de la paroi nucléaire et l'espace du compartiment
intermédiaire n'est qu'une extension de la lumière du réticulum.
L'extension du réticulum est telle qu'il peut se spécialiser par zones.
Morphologiquement, on distingue deux parties au microscope é,lectronique,
mais elles sont en réalité plus nombreuse.
Le réticulum endoplasmique granuleux porte à sa surface une multitude de
petites boules. Chacune de ces boules est un ribosome en pleine synthèse
protéique, fixé à la surface externe du réticulum. La protéine qu'il
synthétise est injectée dans la lumière du réticulum par un pore spécial.
Dans la lumière, la protéine subira une maturation puis elle sera envoyée
à l'appareil de golgi qui l'intégrera à une vesicule d'exocytose. Le
réticulum endoplasmique granuleux synthétise les protéines membranaires
voire carrément excrétées dans le milieu extracellulaire. La membrane
nucléaire externe fait partie de ce système.
A l'inverse le réticulum endoplasmique lisse apparait parfaitement lisse.
Ses fonctions sont très diversifiées. Il peut s'agir tout d'abord d'une
zone de réticulum granuleux mais ou ne s'exerce pour le moment aucune
synthèse. C'est aussi une zone de transit entre les région de synthèse
protéique et celles où elles sont excrétées. Mais d'autres endroits
assurent la synthèse des lipides membranaire. Ces lipides seront intégrés
à des vésicules d'exocytose qui fourniront leurs lipides à la membrane en
fusionnant avec elle. Une autre fonction très importante du réticulum
endoplasmique lisse est de régulateur du calcium intracellulaire. Le
calcium est en effet un poison pour la plupart des processus métaboliques,
la cellule en contient donc le minimum. Or ce calcium est utilisé comme
signal par certains des récepteurs membranaires, comme il y en a très peu
dans la cellule, il suffit de peu d'ions pour augmenter la concentration
dans des proportions élevées. Il permet entre autre de déclencher la
contraction musculaire, le potentiel d'action ou l'exocytose et même la
fusion des pronuclei lors de la fécondation. La cellule doit donc
maintenir une concentration intracellulaire de calcium très basse, tout en
s'assurant qu'il y en a assez pour le signal calcique et ensuite évacuer
le calcium du signal le plus vite possible pour permettre l'arrivée d'un
nouveau signal tout en évitant que la concentration augmente trop et
atteigne le seuil létal. Certaines zones du réticulum lisse participent à
cette régulation en constituant une reserve de calcium pour le signal et
en récupérant le calcium cytoplasmique puis en évacuant l'excés vers le
milieu extérieur.
L'appareil de Golgi

L'appareil de Golgi travaille en relation avec le réticulum endoplasmique.
C'est lui qui assure la constitution des vésicules d'exocytoses ou
intracellulaires et assure leur composition correcte. L'appareil de Golgi
est constitué de un ou plusieur dictyosomes. Chaque dictyosome est
constitué de plusieurs saccules reliées par des pont membranaires.
Le fonctionnement du dictyosome est un peu particulier. Il est polarisé,
il comporte une face de formation et une face de secrétion. La face de
formation est toujour à proximité du réticulum endoplasmique lisse. Des
vésicules se détachent du réticulum et fusionnent pour former une nouvelle
saccule. Sur l'autre face, des vésicules se détachent et se dispersent
dans le cytoplasme avant de fusionner avec leur membrane cible. Le
dictyosome subit donc un renouvellement constant, une nouvelle saccule se
formant toutes les 4 minutes dans une cellule en



activité. C'est à l'intérieur des saccule que les protéines terminent leur
maturation.
Les mitochondries

Avec les mitochondries, on aborde un type particulier d'organites qui
comprend également les plastes végétaux et peut être les lysosomes. Alors
que les organites précédents, à l'exception de la membrane, pouvaient
être, dans certaines limites, detruit et reconstruit par la cellule en
fonction des besoins, les mitochondries et les plastes ne peuvent pas être
construit de novo à partir de leurs éléments séparés. Une mitochondrie
provient toujours de la division d'une autre mitochondrie.
La mitochondrie est un organite de 1µm de largeur et de longueur variable.
Elle est constituée de deux membranes qui isolent deux compartiments du
cytoplasme. A l'intérieur de la membrane interne se trouve la matrice, la
zone entre les deux membranes est appelée la zone intermembranaire.La
membrane interne est repliée sur elle même et forme des crêtes alors que
la membrane externe est relativement lisse. La mitochondrie est un
organite mobile grace à l'action de protéines matricielles.
Les différents éléments de la mitochondrie sont de composition très
différentes. La membrane externe semble n'être qu'une simple enveloppe,
proche dans sa composition des membranes du réticulum endoplasmique lisse,
elle s'en distingue toutefois par la présence d'une protéine particulière,
la porine, qui lui assure une perméabilité totale avec la plupart des
molécules cytoplasmiques. La zone intermembranaire a donc une composition
peu différente de celle du cytoplasme. La membrane interne en revanche est
plus interessante, elle porte toutes les protéines de la chaine
réspiratoire, l'ATP synthétase et l'échangeur ATP/ADP. La matrice elle
contient toutes les protéines du cycle de Krebbs. La mitochondrie peut
fabriquer de l'ATP à partir du pyruvate produit par la glycolyse
cytoplasmique, elle est donc capable d'exploiter la molécule de glucose au
maximum de ses capacités. La mitochondrie est la centrale energétique de
la cellule.
Par sa morphologie, son fonctionnement et son mode de reproduction, la
mitochondrie ressemble fortement à un procaryote. Cette ressemblance a été
accentuée par la découverte d'ADN dans la matrice mitochondriale. Cet ADN
à une structure de type procaryote et la synthèse de protéine est assurée
par des ribosomes également de type procaryotes. Ces constatations ont
conduit les scientifiques à affirmer que les mitochondries seraient un
ancien procaryote qui aurait été dans un lointain passé capturé par un
eucaryote primitif puis intégré à sa structure. Toutefois, les protéines
codées dans le chromosome ne couvrent pas l'ensemble des protéines
mitochondriales, le procaryote a perdu certains gène au profit du noyau de
la cellule et à également ainsi perdu toute possibilité d'autonomie.
Toutes les cellules eucaryotes ont (ou ont eu) des mitochondries, la
symbiose à donc du s'établir très tôt dans l'histoire à une époque ou ils
étaient encore peu diversés, peut être même que c'est cet évènement qui à
provoqué leur apparition. Cette théorie est dite de l'endosymbiote. Elle a
été aussi proposée pour les plastes et est discutée pour d'autres
organites tels que les flagelles ou les lysosomes.
Les plastes

Les plastes sont des organites spécifiques des végétaux. Il en existe
trois types les chloroplastes, les chromoplastes et les leucoplastes qui
dérivent par maturation d'un type de plaste indifférencié. L'origine des
plaste semble être d'origine endosymbiotique mais leur génome est
toutefois plus complet que celui des mitochondries. Comme en plus certains
groupes seulement en ont acquis, la symbiose semble s'être établie plus
tardivement alors que les eucaryotes étaient déjà très diversifiée. La
multiplicité des mécanismes de la photosynthèse suggère en plus que la
symbiose s'est produite plusieurs fois avec des symbiontes différents. Le
groupe des cellules végétales qui comprend les algues et les végétaux
terrestre, serait donc artificiel.
Le plus important des plaste est le chloroplaste, siège de la
photosynthèse. Il est limité par une double membrane très similaire à
celle des mitochondries et d'origine certainement identique. L'intérieur
de l'organite est le stroma. Le stroma contient des éléments qui
ressemblent à des organites intrachloroplastiques : les thylacoides qui
sont des saccules allongée et des empilements de saccules plus petites,
les granums, intercalés entre deux lamelles thylacoidiennes. Les
chloroplastes ont donc un compartiment de plus que les mitochondries. Le
stroma contient en outre l'ADN chloroplastique de type procaryote et des
ribosomes de même type.
Sa fonction est de fabriquer des glucides à partir d'une source d'énergie
extérieure, la lumière solaire. Il est donc en quelque sorte l'inverse de
la mitochondrie qui produit de l'énergie à partir des glucides. En
realité, le chloroplaste et la mitochondrie fonctionnent de façons très
similaires. Tous les deux vont utiliser une source d'énergie (pyruvate
pour la mitochondrie, lumière pour le chloroplaste) pour créer un gradient
de proton entre l'intérieur et l'extérieur. L'energie stockée dans ce
gradient permettra de synthétiser l'ATP. La grande différence est en fait
dans l'utilisation de cet ATP. Alors que la mitochondrie l'exporte pour
répondre aux besoin de la cellule, le chloroplaste le conserve et se sert
de celui ci pour fabriquer des glucide qui seront exportés.
Le système photosynthétique est situé dans la membrane des thylacoides. Ce
système à pour but de produire l'énergie nécessaire à la synthèse des
glucides. Cette synthèse à lieu dans le stroma. Elle se résume en la
condensation de trois molécules de CO2 en une molécule de glucide à trois
carbones. La réalité est plus complexe. Ces trois CO2 vont se fixer chacun
sur une molécule de glucide à cinq carbones, donnant 3 glucides à 6
carbones puis par coupure 6 glucides à trois carbones. Un des glucides
sera exporté. Les cinq autres se combineront pour reformer les trois
glucides de départ et permettre un nouveau cycle synthétique. Ce cycle est
appellé "cycle de Benson, Bassham et Calvin" ou cycle BBC ou plus
simplement cycle de Calvin.
Les glucides à trois carbones exportés par le chloroplaste seront utilisés
par la cellule pour toutes les réaction où interviennent les glucides.
Utilisation par les mitochondries bien sûr pour fournir l'énergie
nécessaire au fonctionnement cellulaire, mais aussi mise en reserve par
fabrication du glucose puis de l'amidon, synthèse du ribose et du
desoxyribose constituants de l'ARN et de l'ADN, synthèse de la cellulose,
etc...
Les autres organites

La cellule eucaryote comporte d'autres organites que je vais résumer ici.


Les flagelles et les cils
Ce sont des organites extracytoplasmiques. Ils se manifestent sous forme
de prolongements membranaires mobiles et assurent le déplacement de la
cellule par rapport à son milieur. La différence entre les deux tient à
leur taille (les flagelles sont longs, les cils sont courts) qui détermine
leur mode de fonctionnement : les flagelles ondulent alors que les cils
battent. Une origine endosymbiotique a été proposé pour eux.
Les peroxysomes
Ces organites sont certainement les plus anciens. Leur principale fonction
est l'élimination des radicaux libres produits par l'oxygène dans la
cellule. Ils ont donc une fonction protectrice de la cellule, c'est grace
à eux que les cellules eucaryotes supportent un environnement aérobie.
Leur origine endosymbiotique est controversée.
Les lysosomes.
Ce sont des vésicules intracellulaires chargées en enzymes lytiques. Leur
fonction est de fusionner avec les vésicules de phagocytose pour dégrader
leur contenu. Ils permettent ainsi à la cellule de récuperer les molcéules
de bases contenues dans des macromolécules, que celles-ci proviennent
d'éléments membranaires devenus inutiles voire nuisibles ou endomagés, des
protéines de réserve (comme l'albumine), ou encore d'organismes extérieur
(bactéries) chez les cellules prédatrices ou chez les macrophages

Le cytosquelette

Le cytosquelette est l'élément qui différe le plus les eucaryotes des
procaryotes. Tous les eucaryotes ont un cytosquelette développé alors que
les procaryotes n'en ont pas, à l'exception des spirochè qui possèdent des
molécules semblables à de l'actine mais sans atteindre la sophistication
d'un vrai cytosquelette.
Le cytosquelette est un réseau de fibres intracellulaires. Il est
constitué de trois grandes familles de protéines, très conservées dans
l'évolution : les filaments épais de tubuline ou microtubules, les
filaments fins d'actine ou microfilaments et les filaments intermédiaires.
Les deux premières familles sont très homogènes et ont été très étudiées.
Elles sont présentes dans toutes les cellules et les molécules
constitutives sont les mêmes, les généralités qui vont suivre s'appliquent
à eux seuls. Les filaments intermédiaires sont en revanche plus
hétérogène, constitués de molécules qui diffèrent selon le type
cellulaire, ils ne seront pas abordés ici.
Bien que de composition et de fonction très différentes, les filaments du
cytosquelettes ont des propriétés communes. Les microtubules et les
microfilaments sont constitués d'une charpente protéique fibrillaire
formée par la polymérisation d'une ou de deux molécules de protéine
apparentée, stabilisée par des protéines annexes appartenant à d'autres
familles.
Ces filaments sont dynamiques (c'est pourquoi certains spécialistes
préfèrent parler de cytomuscle), les protéines constitutives peuvent
exister sous deux formes dans la cellules : monomèriques, solubles et
dispersées dans le cytoplasme ou insolubles et organisées en filaments. Il
existe un seuil de concentration des monomères au dessus duquel les
filaments se forment par polymérisation des unités moléculaires et en
dessous duquel ils se dépolimérisent. Le filament est polarisé, une
extrémité noté + à un seuil plus bas que l'autre extrémité noté -. A
concentration égale, le coté + croit plus vite (ou se dépolarise - vite
que le coté -). Il existe également une plage de concentration pour
laquelle le coté + croit alors que le coté - decroit, cela entraine une
migration du filament à travers la cellule, où s'il a une position fixe,
un phénomène de tapis roulant. La polymérisation et la dépolymérisation
consomment de l'energie et la valeur des seuils est controlé par la
cellule de manière très fine.
Au réseau fibrillaire d'autres types de protéines peuvent se fixer.
Certaines protéines sont fixes et assurent la liaison des réseaux
intracellulaires avec le reste de l'architecture cellulaire. D'autre
molécules sont consommatrice d'énergie appartiennent à l'ensemble des
moteurs. Elles possèdent un point d'ancrage sur les filaments et peuvent
migrer le long de ceux ci, et également un autre point d'ancrage ce qui
leur permet de transporter des protéines ou organites le long de ce
réseau. La protéine fixée peut être un autre moteur associé à son
filament, ce qui permet d'organiser la structure du cytosquelette et
déplaçant les filaments les uns par rapports aux autres.





Les microtubules

Les microtubules sont les plus épais (25nm) des filaments cytosqueletique.
Ils interviennent dans tous les mouvements intracellulaires, migration des
organites dans la cellule, transport axonal dans les neurones mais aussi
séparations des deux jeux de chromosomes lors de la division cellulaire.
Formation

Les microtubules sont des petits tubes de 25 nm de diamêtre, la lumière
faisant 10 nm. Ils sont formé par la polymérisation de deux protéines
différentes : les tubulines. La tubuline alpha s'associe avec la tubuline
beta pour former des doublets. A ce niveau, le GTP se lie au doublet sur
un site de la tubuline beta. Un changement de conformation des protéines
permet à ces doublets de s'assembler pour former un protofilament. Enfin,
13 protofilaments forment ensemble un filament creux de microtubule. Deux
protéines différentes peuvent se fixer à l'édifice. La dynéine, présente
notamment dans les cils et les flagelles et la protéine tau. On peut
trouver dans la cellules des microtubules doubles ou triple. Il s'agit de
microtubules qui ont en commun quelques protofilaments, 3 au niveau de
chaque point de jonction.
En réponse à un signal cellulaire, le GTP peut s'hydrolyser pour former du
GDP. Le microtubule devient alors instable. Il peut se dépolymeriser
totalement en quelques seconde, ce qui est beacoup plus rapide que ce que
permettrait une dépolarisation par les extrémité comme evoquée dans
l'introduction. La polymérisation et la dépolymérisation des microtubules
est donc un phénomène dynamique, finement contrôlées par la cellule.
In vitro, la polymérisation nécessite la présence pour démarrer de centre
de nucléation, c'est à dire de très petits fragments de microtubules. Dans
la cellule, de tels centre n'existenr, mais une structure en tiens lieu,
le centre organiteur des microtubules (COMT). Chaque cellule possède un ou
plusieurs COMT. Ils sont constitués d'un centrosome entouré d'un ensemble
complexe de protéine encore mal identifiées avec des granules denses aux
électrons à la périphérie de la structure. Le centrosome est constitué de
deux cylindres de 9 triplets de microtubules (les centrioles) positionnés
à angle droit. Ce centrosome est doué de continuité génétique, bien
qu'aucun ADN n'ait été trouvé dans la structure, les deux centrioles se
séparent, chaque centriole isolé déclenche la synthèse d'un autre
centriole pour reconstituer un centrosome complet. Un centrosome ne peut
pas apparaître à partir de rien dans une cellule. Cette propriété laisse
penser que le centrosome et le flagelle (seul organite à base de
centrosome) serait tout ce qui resterait d'une endosymbiose. Toutefois,
comme aucun procaryote actuel ne possède de centrosome, l'origine de
l'organisme serait donc dans un type nouveau (ni bactérie, ni
archéobactérie) qui aurait aujourd'hui disparu ou n'aurait pas encore été
découvert. D'autres scientifiques situent toutefois son origine dans les
spirochète, la question est encore débattue.
La présence d'un COMT modifie les propriété des microtubules. L'extrémité
- est à proximité du COMT alors que la + est est éloignée. La
concentration nécessaire pour obtenir une polymérisation est très
abaissée, et une baisse de la concentration en tubuline ne diminue pas la
longueur des filaments mais leur nombre. Tout ce passe comme si le COMT
avait plusieurs sites de nucléation dont le nombre dépend de la
concentration en tubuline, tout centre inoccupé donne aussitôt naissance à
un nouveau filament.
Les structures

En dehors des microtubules qui traversent la cellule, ils participent à la
formation de structures plus complexes. Les deux que nous verrons sont le
fuseau mitotique et les flagelles.
Le fuseau mitotique

Ce fuseau de microtubule intervient lors de la mitose dans la séparation
des deux jeux de chromosomes entre les cellules filles. Avant la mitose,
toutes les structures microtubulaires de la cellule se dépolymèrisent,
cils et flagelles compris. Au départ, l'aster, situé à proximité du noyau,
se divise, chaque aster se déplace à une extrémité de la cellule, filant
derrière eux le fuseau mitotique. Chaque aster est en réalité un COMT,
mais sont aspect en étoile viens de ce que tous les centres de







nucléation doivent être occupés, pas seulement ceux impliqués dans la
formation du fuseau. Les autres filaments rayonnants sont les fibres
astrales. Les filaments ne sont pas continuité d'un aster à l'autre, la
cohérence est assurée au centre par des protéines connectrices.
Les filaments du fuseau mitotique vont se fixer par leur extrémité + à une
structure particulière du centromère des chromosomes condensés, le
kinétochore. Chaque kinétochore reçoie une quarantaine de filaments. Quand
tous les centromères sont fixés à des microtubules, les deux chromatides
de chaque chromosome se séparent. Les microtubules vont alors se
retracter, entrainant les chromatides avec elles. En fait, c'est le
chromatide qui migre le long du microtubule grace à des molécules de
kinésines présentent dans le kinétochorere, le filament se dépolarisant
juste derrière lui.
A la fin de la mitose, les deux jeux de chromosomes sont donc séparés,
chacun à une extrémité de la cellules. Le fuseau mitotique va se
désorganiser, la tubuline servira à reconstruire le cytosquelette des deux
nouvelles cellules. Après la séparation effectives des cytoplasme, la
cellule va reconstituer toutes ses structures microtubulaire.

Les flagelles












Les flagelles et les cils sont des expansions membranaires
extracellulaires qui possèdent la propriété de battre. La différence entre
les deux structures est la taille qui conditionne le mode de
fonctionnement : le flagelle est plus long que la longueur d'onde du
battement, il ondule; le cil est plus court, il bat. La forme du flagelle
est assurés par une charpente de microtubules, l'axonème (image ci
contre), au coeur de l'expansion membranaire. Le centre est occupé par un
doublet de microtubules enveloppé d'un manchon protéique. Ce doublet est
entouré d'un cylindre de 9 doublets de microtubules partiellement
fusionnés. Ces doublets sont reliés entre eux par des bras de dynéine et
avec le doublet central par les bras rayonnants. &Agrave; la base du
flagelle, dans le cytoplasme, se trouve le corps basal. Il est constitué
de 9 triplets de microtubules disposés en cylindre. De microtubules de
chaque triplet sont en continuité avec ceux des doublets periphériques de
l'axonème, le doublet central s'arrête à la limite du cytoplasme et
n'arrive pas au corps basal.
Les flagelles battent par glissement des doublets de microtubules entre
eux. C'est la dynéine, qui en hydrolysant l'ATP, assure ce glissement.
L'axonème étant cylindrique et le glissement se produisant dans le même
sens relatif pour tous les doublets, la structure devrait se vriller. Ce
sont les autres proétines qui transforment ce vrillage en battement.

Les fonctions intracytoplasmiques

Les microtubules sont impliqués dans la répartition des éléments
intracytoplasmiques. Ils sont responsables d'une part de l'intégrité des
structures cellulaires, d'autre part des mouvements intracytoplasmiques,
comme montré dans le cas du fuseau mitotique. Les microtubules sont
associé à un moteur protéique constitué de kinésine. Ce moteur utilise les
microtubules comme rails pour déplacer des organites ou d'autres
microtubules. Les microtubules constituent donc le système majeur de
répartition intracellulaire.



Les microfilaments

Les microfilaments sont des filaments fins (9 nm) constitué d'actine,
éventuellement ramifiés. Ils sont impliqués dans des mouvements de grande
ampleur impliquants la déformation de la structure cellulaire :
contraction, migration, pseudopode, à l'exception des mouvements des cils
et flagelles dont le moteur est constitué de tubuline. Leur polymérisation
et leur dépolimérisation permet à la cellule de contrôler la fluidité du
cytoplasme et de générer des mouvements qui permettent à la cellule de
migrer. A cela s'ajoute l'effet des protéines motrices qui augmentent
leurs possibilités
Constitution

Les microfilaments sont constitués d'un coeur d'actine associé à diverses
protéines accessoires. Le monomène d'actine est l'actine G (pour
globulaire). Cette protéine est tellement conservée au cours de
l'evolution que l'on peut obtenir des structures fonctionnelle en
mélangeant l'actine G provenant de plusieurs espèces. La polymérisation de
l'actine produit un brin en forme de double hélice. L'actine F (pour
fimanent) est stabilisé par un filament de tropomyosine inséré dans le
sillon large de la double hélice. Diverses protéines assurent le coiffage
du filament (structure en bout de filament pour stabiliser sa longueur),
le pontage de deux filaments pour construire des structures en 2 ou 3
dimensions et des protéines d'ancrage à d'autres structure.






Les myosines








Les propriétés contractiles des filaments d'actine sont dûes à une famille
de protéines motrices spécifiques : les myosines. Contrairement à
l'actine, les myosines sont très diversifiées. Les différences jouent sur
le système de régulation de la contraction que sur l'organisation spatiale
des filaments de myosine. Le monomère de myosine est constituée d'une
longue queue, portant deux têtes flexibles à une extrémité, la molécule
est en forme de Y. La tête flexible possède un site de liaison à l'actine
et un site pour l'ATP, c'est elle qui est responsable de l'aspect moteur
de la protéine, la queue ayant une fonction d'ancrage.
Bien que les modes de régulation soient très diversifiés, le
fonctionnement de tous les types de myosine est similaire. En présence de
calcium et d'ATP, la tête de la myosine s'accroche au filament d'actine.
L'hydrolyse de l'ATP provoque la rotation de la tête et sa séparation du
filament d'actine. Le départ de l'ADP de la tête de la myosine lui permet
de reprendre sa forme initiale. A la fin du mouvement, la molécule de
myosine a glissé le long du filament d'actine. Le sens d'accrochage du
filament d'actine par rapport à la myosine est polarisé. Pour que le
mouvement ait lieu, il est indispensable que les deux éléments actine et
myosine soient correctement orientés.
Les molécules de myosines forment 3 types de structures en fonctions des
besoins de la cellules :

Les molécules se disposent tête beche pour former un dimère. Plusieurs
dimères peuvent s'assembler en cylindre pour former un filament epais. Les
têtes de la myosine sont situées aux extremités du filament. La migration
de l'actine à lieu en sens opposée à chaque extremité du filament. Ce type
de structure se trouve notamment dans le muscle strié.
Les dimère de myosine se disposent pour former un ruban. La polarité est
différente de chaque côté du ruban. Ce type de structure est présent dans
les muscles lisses et les cellules musculaires.
Pour les minimyosines, forme de myosine avec une queue réduite, il n'y a
pas de formation de structures multimoléculaires. Ces minimyosines
utilisent les filaments d'actine pour transporter des organites.

Structures

Les microfilaments sont inclus dans deux grands réseaux filamenteux: un
reseau sous membranaire et les cables de stress.
Le réseau sous membranaire est un réseau de filaments d'actine situé sous
la membrane plasmique. Il constitue une charpente similaire à la charpente
des domes géodésiques. Ce réseau permet à la cellule de contrôler sa forme
et de participer au déplacememt.
Les cables de stress sont des filaments d'actine qui traversent le
cytoplasme. Ils sont ancrés d'un coté à la membrane plasmique au niveau
des points focaux et de l'autre à un point focal de la membrane opposé ou
à une structure cytoplasmique appelé corps dense. Les points focaux sont
des assemblages de protéines dont l'une d'entre elle, la taline est
transmembranaires. Chez les animaux, la partie extracellulaire de ces
protéines est relié à la matrice extracellulaire ce qui assurent la
continuité mécanique du tissu de par et d'autre de la membrane plasmique.
Le cable de stress est constitué d'une succession de corps denses composés
d'alpha actinine. Ces corps denses servent d'ancrage à des filaments fins
d'actine, l'extrémité + est fixée aux corps dense. L'actine ne relie pas
deux corps denses, mais s'arrête au milieu d'entre eux ou se trouve
l'extrémité - du filament, ce sont des rubans bipolaires de myosine qui
assurent la continuité du cable. Les cables sont disposés de façon à
résister aux forces qui s'exercent dans la cellule.

D'autres structures impliquent les filaments d'actine : les voiles de
migration des fibroblastes, les spikes des neurites en croissance, les
stéréocils des cellules auditives, etc...

La synthèse des protéines chez les eucaryotes

La synthèse des protéines chez les eucaryotes ressemble à celle des
procaryotes. Elle s'en distingue toutefois par plusieurs différences. Tout
d'abord, je vais citer les points communs avec les procaryotes pour ne
plus avoir à y revenir. Comme eux, les eucaryotes commencent par
transcrire leur ADN en ARN pour obtenir une copie de travail qui sera
traduite. Les ribosomes fonctionnent également de la même façon, même si
ceux des eucaryotes sont plus légèrement plus gros (80S au lie de 70). Il
y a toutefois trois différences fondamentales :

La présence d'un noyau limité par une double membrane empêche que la
traduction - qui a lieu dans le cytoplasme - débute avant la fin de la
transcription.
L'ARN résultant de la transcription n'est pas utilisable immédiatement.
Il doit d'abord subir une maturation.
Les protéines synthétisées peuvent potentiellement être intégrées à
n'importe quel organite de la cellule. Il faut donc que la protéine y
arrive sans erreurs.
Pour résoudre ces différents problèmes, la cellule eucaryote a développé
différents mécanismes très performants.
La maturation des ARN messagers

Juste après la transcription, le messager est une copie conforme du











brin d'ADN. Toutefois, la particularité du génome d'eucaryote est d'être
en mosaïque, chaque gène est constitué de morceaux codant pour la protéine
- les exons - séparés par des morceaux d'ADN ne participant pas au codage
de la protéine - les introns. Pour pouvoir synthétiser une protéine, il
faudra auparavant supprimer ces introns. Lors de la transcription, ces
introns restent dans le code, ils ne seront éliminés que pendant la phase
de maturation ultérieure.
Dans un premier temps, les introns vont être éliminés et les exons
raccrochés bout à bout pour reconstituer la continuité de la molécule
d'ARN. Cette phase s'appelle l'épissage. La façon dont la cellule
reconnaît les introns au sein de l'ARN pré-messager encore mal connue.
Plusieurs types d'introns sont connus, et au moins l'un d'entre eux, le
type II, possède les capacités catalytiques nécessaires pour s'exciser lui
même. Plus fort, certains introns de type II codent pour des protéines qui
leur permettent de s'insérer ailleurs dans le génome, on a donc un gène
caché à l'intérieur d'un autre gène. Les bactéries ne sachant exciser les
introns, leurs propriétés d'insertions sont utilisées en génie génétique
pour inactiver certains gènes de façon spécifique.
La maturation du messager ne se limite pas à l'épissage. L'ARN sera
précédé d'une coiffe et une ARN polymérase va lui ajouter une queue
constituée d'une succession de bases adenosyle répétées plusieurs
centaines de fois. Ces modifications permettent de protéger l'ARMm contre
la dégradation. EN effet, le cytoplasme est bourrée d'enzyme de
dégradation de l'ARNm. La présence de la coiffe et de la queue va permttre
à l'ARNm de survivre plusieurs dizaines de minutes. Les ARN qui en sont
dépourvus, comme ceux des virus, sont eux dégradées en quelques minutes
seulement.
Les gènes en mosaiques présentent d'autres intérêts qui vont au delà de
juste compléxifier la transcription ou de fournir des outils au biologiste
moléculaire. Au moment de l'épissage, la cellule pourra choisir de ne pas
intégrer tous les exons dans l'ARNm final, mais seulement quelques uns. Le
choix exact des exons dépend du type et de l'état de la cellule, cette
faculté est l'épissage alternatif, il permet à un gène de synthétiser plus
d'une protéine. Par ailleurs, il semblerait que le découpage du gène en
exon ne se fasse pas au hasard, mais qu'il corresponde à peu près aux
domaines fonctionnels des protéines. Cela aurait des implications dans la
construction des protéines complexes au cours de la phylogenèse.
On peut signaler que les eucaryotes ne sont pas les seuls à posséder des
gènes en mosaïques. Ils partagent cette propriété avec les
archéobactéries. En fait, il semblerait que ce modèle soit le plus ancien,
les génes continus des bactéries étant apparus par simplification pour
optimiser leur métabolisme et peut être aussi comme une adaptation aux
hautes température. En effet, les ARNm d'eucaryotes ne survivent pas
suffisamment longtemps au delà de 60°C pour achever leur maturation.
L'ARNm des procaryotes se dégrade à la même vitesse, mais n'ayant pas à
subir de maturation, ils peuvent contourner cette dégradation accélérée en
utilisant l'ARN sans attendre qu'il soit entièrement synthétisé.
L'adressage des protéines

Les protéines des eucaryotes doivent après leur synthèse atteindre leur
cible finale, le cytoplasme, la membrane ou un organite quelconque. Il
peut y avoir des membranes à traverser. En fait, c'est le cas pour la
plupart des protéines, seules les protéines cytoplasmiques sont produites
directement sur leur lieu d'utilisation, mais même pour elle, leur
localisation n'est pas due au seul hasard, autrement l'organisation de la
cellule serait passablement perturbée.
On peut imaginer un système de trans******** qui permettrait aux protéines
de passer les membranes qui les empêchent d'atteindre leur cible. Une fois
les membranes traversées, il n'y a plus de problème, la localisation dans
le compartiment membranaire ou liquidien de l'organite dépend de
l'hydrophobicité de la protéine. De tels systèmes de trans********
existent en effet. On les trouve sur les membranes des principaux
organites : noyau, réticulum, mitochondries, plastes. Grossièrement, ces
systémes sont constitués d'un pore qui permet à la protéine en cours de
synthèse de traverser la membrane et d'une protéine de contrôle qui
selectionne les chaines protéines qui peuvent passer le pore.
Il reste un problème : comment fonctionne le système de contrôle ? Il ne
peut pas connaitre toutes les protéines spécifiques d'un organite, elle
sont beaucoup trop nombreuses, de plusieurs centaines pour la mitochondrie
à plusieurs dizaines de milliers pour le noyau. Sauf bien sûr, si les
protéines spécifiques d'un organites ont toutes un point commun. Ce point
commun ne se situe pas dans leut structure tridimensionnelles, d'une part
cela serait trop contraignant pour leur fonctionnement et leur variété,
d'autre part la reconnaissance se produit alors que la synthèse est en
cours, à un stade ou la proéeine est encore linéaire. Les chercheurs ont
donc eu l'idée d'étudier la séquence de toutes ces protéines et plus
spécialement du début de la protéine puisque c'est la seule partie
disponible au moment de la synthèse. Ils ont constatés que les ARNm des
protéines exportées vers le réticulum codait pour 12 acides aminés de plus
que n'en contenait la protéine finale. Ils ont finit par indentifier une
séquence consensus qui débute toutes les protéines communes au réticulum :
le peptide signal, aussi appelé signal de localisation. Il s'agit d'une
séquence consensus, cela signifie que toutes ces protéines ne débutent pas
par cette même séquence, mais par une séquence qui lui ressemble
fortement, même si quelques acides aminés peuvent être remplacés par
d'autres de la même famille. Cette séquence est éliminée très tôt
puisqu'en fin de synthèse elle n'existe déjà plus.
Le phénomène qui permet aux protéines d'atteindre leur cible finale est
l'adressage. Il fonctionne de la façon suivante : toute protéine
spécifique d'un organite débute par une séquence signal ou peptide signal
spécifique de la cible. Il peut y en avoir plusieurs à la suite pour
affiner la destination. Les protéines de la matrice des mitochondries par
exemple ont deux membranes à traverser et donc deux trans********s à
subir. Pour le réticulum c'est encore plus complexe, une protéine exportée
dans sa lumière pourra soit être intrisèque au réticulum, soit au golgi,
soit intégrées aux vésicules d'exocytoses, soit aux lysosomes, soit à la
membrane, chaque cas correspond à un peptide signal qui suit celui du
signal de localisation réticulaire plus général. Dès que le peptide signal
est synthétisée, il est reconnu par le système de trans******** qui fait
traverser le pore à la chaine protéique. Tout de suite après la traversée
du pore, il est excisé par un complexe enzymatique. A partir de là, la
synthèse se poursuit la chaine étant injectée dans le pore au fûr et à
mesure de son élongation.
Il est finalement amusant de constater que la cellule, pour acheminer une
protéine à sa destination finale, utilise la même technique que l'homme
pour acheminer son courrier : elle marque l'adresse dessus


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