Fiche de révision : Signalisation et compartiments cellulaires

📋 Plan du Cours

1. Organisation et fonctions membranaires
2. Domaines membranaires spécialisés
3. Jonctions et adhérence cellulaires
4. Diffusion et osmose membranaires
5. Transports actifs et canaux ioniques
6. Réception et transduction des signaux
7. Récepteurs et pharmacologie des signaux
8. Voie des MAP kinases
9. Récepteurs couplés aux protéines G
10. Compartimentation et noyau
11. Cytoplasme et cytosquelette
12. Mitochondries et production énergétique
13. Réseau endomembranaire et lysosomes
14. Sécrétions et exocytose
15. Lysosomes et maladies de surcharge
16. Goutte et inflammation lysosomale
17. Silicose et asbestose pulmonaires
18. Maladies lysosomales de surcharge

📖 1. Organisation et fonctions membranaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Mosaïque fluide : Un modèle dans lequel une bicouche lipidique contient des protéines et des glucides dont les constituants peuvent se déplacer latéralement dans le plan membranaire.

★ À maîtriser

• En microscopie électronique en transmission, la membrane plasmique apparaît comme une structure en trois feuillets, avec deux couches sombres encadrant une couche claire, pour une épaisseur totale de 7,5 nm.

• La membrane plasmique comprend environ 40 % de lipides, 50 % de protéines et 10 % de glucides en masse, soit environ une protéine pour 50 lipides en nombre de molécules.

• La membrane plasmique sépare le cytoplasme du milieu extracellulaire, contrôle les échanges, participe aux activités biochimiques, aux transports, aux reconnaissances et à la signalisation, tout en pouvant se déformer et se déplacer.

Compléments

• La membrane plasmique fonctionne en continuité avec le réseau d'endomembranes comprenant notamment le réticulum endoplasmique, l'appareil de Golgi, les vésicules, les endosomes et les lysosomes.

📖 2. Domaines membranaires spécialisés

★ À maîtriser

• Les cils des cellules épithéliales de la muqueuse respiratoire battent de manière synchrone et mobilisent le mucus chargé de particules inhalées vers la trachée.

• Les stéréocils des cellules sensorielles de la cochlée convertissent les vibrations sonores en signaux électriques lorsque leur déformation ouvre des canaux ioniques.

• Dans l'organe vestibulaire, les mouvements de l'endolymphe ou de la substance gélatineuse portant les otolithes plient les cils et produisent des messages nerveux renseignant sur la position et les mouvements de la tête.

• Les intestins mesurent environ 8 mètres, dont 5 à 7 mètres pour l'intestin grêle, et leur surface d'absorption dépasse 30 m² grâce aux villosités et aux microvillosités.

Compléments

• Chaque oreille comprend environ 3 500 cellules spécialisées pourvues de stéréocils, rangés par taille croissante en forme de V.

📖 3. Jonctions et adhérence cellulaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Jonction serrée : Une jonction apicale entre cellules épithéliales qui assure l'étanchéité de l'épithélium et empêche la diffusion libre des constituants membranaires entre les domaines apical et basolatéral.
• Desmosome : Une jonction d'ancrage qui fonctionne comme un rivet et crée des points d'attache entre cellules ou entre une cellule et son support.

★ À maîtriser

• Lors de la diapédèse, un leucocyte adhère faiblement à l'endothélium, roule sous l'effet d'une adhésion plus forte, puis se déforme et passe entre deux cellules endothéliales vers le tissu sous-jacent.

Compléments

• Les jonctions serrées reposent notamment sur des interactions entre les protéines membranaires JAM, occludine et claudines.

• Le pemphigus et certains lupus peuvent être provoqués par des anticorps dirigés contre des jonctions cellulaires et se manifester par des décollements de la peau.

📖 4. Diffusion et osmose membranaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Diffusion simple : Le passage spontané de petites molécules hydrophobes ou lipophiles, notamment certains gaz, à travers la bicouche lipidique selon leur gradient.

★ À maîtriser

• Le sérum physiologique contient 0,9 g de chlorure de sodium pour 100 ml d'eau, soit 9 g par litre, et constitue un milieu isotonique pour les hématies.

• Dans un milieu hypertonique, l'eau sort des hématies qui deviennent crénelées et plasmolysées, tandis que dans un milieu hypotonique l'eau entre, les hématies deviennent turgescentes et peuvent subir une hémolyse.

Compléments

• Les aquaporines permettent une diffusion rapide de l'eau à travers les membranes, alors que la diffusion directe de l'eau à travers la bicouche lipidique est beaucoup plus lente.

📖 5. Transports actifs et canaux ioniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Transport actif : Déplace une substance contre son gradient électrochimique en utilisant de l'énergie fournie par le couplage de transports, l'hydrolyse de l'ATP ou la lumière.
• Canal ionique : Une protéine transmembranaire sélective qui laisse diffuser rapidement certains ions selon leur gradient électrochimique lorsqu'elle est ouverte.

★ À maîtriser

• La pompe sodium-potassium expulse 3 ions Na+ et fait entrer 2 ions K+ par hydrolyse d'ATP, ce qui la rend électrogénique.

• La pompe sodium-potassium entretient une concentration de Na+ d'environ 150 mM dans le milieu extracellulaire et de 15 mM dans le milieu intracellulaire.

Compléments

• Les canaux ioniques peuvent être contrôlés par le voltage membranaire ou par la fixation d'un ligand, et ils peuvent laisser passer sélectivement des ions Na+, K+, Ca2+ ou Cl−.

📖 6. Réception et transduction des signaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Transduction du signal : La conversion, à l'intérieur de la cellule, d'une information reçue par un récepteur membranaire en une réponse cellulaire.
• Récepteur ionotrope : Un récepteur-canal dont la fixation d'un ligand déclenche directement l'ouverture du canal et une réponse électrique rapide.

📝 Points essentiels

• Une signalisation cellulaire suit généralement la séquence réception du ligand, changement de conformation du récepteur, relais intracellulaires, amplifications en cascade, activation de cibles et réponse cellulaire.

• La signalisation paracrine agit localement sur une cellule voisine, la signalisation endocrine utilise la circulation sanguine sur longue distance et la signalisation neuronale transmet rapidement une information électrique ou chimique.

• À la jonction neuromusculaire, la fixation de l'acétylcholine sur le récepteur nicotinique ouvre un canal, provoque une entrée de Na+ et une dépolarisation pouvant déclencher un potentiel d'action ou une contraction musculaire.

• Un agoniste, comme la nicotine, se fixe au récepteur et peut en déclencher l'ouverture, tandis qu'un antagoniste, comme les curares, se fixe sans l'ouvrir et bloque l'action du neurotransmetteur.

📖 7. Récepteurs et pharmacologie des signaux

★ À maîtriser

📌 Les agonistes activent les récepteurs de neurotransmetteurs, tandis que les antagonistes empêchent leur activation ou en inhibent les effets.

Compléments

• Les molécules curarisantes provoquent une paralysie puis la chute de l’animal et sont utilisées en anesthésie avec des sédatifs.

• Des alcaloïdes et toxines issus de plantes, d’insectes ou de serpents peuvent agir comme agonistes ou antagonistes de récepteurs de neurotransmetteurs et fournir des pistes thérapeutiques.

💡 Astuce mémo

Agoniste active, antagoniste bloque

📖 8. Voie des MAP kinases

★ À maîtriser

• Un facteur de croissance active un récepteur à activité tyrosine-kinase qui se dimérise, se phosphoryle puis déclenche une cascade de kinases aboutissant à la prolifération cellulaire.

• Dans la voie des MAP kinases, le récepteur active RAS, puis successivement une MAP-kinase-kinase-kinase, une MAP-kinase-kinase et une MAP kinase.

• La MAP kinase activée phosphoryle des cibles qui modifient des protéines et l’expression de gènes afin de permettre l’entrée en mitose.

• Une mutation de Ras maintenant constamment la protéine activée rend la voie des MAP kinases active même sans facteur de croissance et peut conduire à une division cellulaire tumorale dérégulée.

Compléments

• L’herceptine empêche l’EGF de se fixer à son récepteur, tandis que R115777 inhibe la GTPase Ras dans des stratégies anticancéreuses.

📖 9. Récepteurs couplés aux protéines G

🔑 Notions clés & Définitions

• Récepteurs couplés aux protéines G : Des récepteurs possédant sept domaines transmembranaires et transmettant le signal par une protéine G sous-membranaire.

★ À maîtriser

• Après activation d’un RCPG, la protéine G peut activer directement un canal ionique ou stimuler une enzyme qui relaie le signal.

• Les récepteurs muscariniques de l’acétylcholine déclenchent la salivation dans les cellules sécrétrices salivaires et la relaxation dans le muscle cardiaque.

Compléments

• Les RCPG interviennent dans la perception des molécules odorantes, des goûts sucré et umami, des hormones, des neurotransmetteurs et des photons par les opsines.

• La datura et la belladone contiennent l’hyoscyamine, l’atropine et la scopolamine, des alcaloïdes antagonistes des récepteurs muscariniques pouvant provoquer une dépression respiratoire ou un arrêt cardiaque.

💡 Astuce mémo

RCPG : sept domaines transmembranaires

📖 10. Compartimentation et noyau

🔑 Notions clés & Définitions

• Noyau : Un compartiment délimité par une enveloppe nucléaire qui stocke le matériel génétique et contrôle les échanges nucléocytoplasmiques par des pores nucléaires.

★ À maîtriser

📌 Les procaryotes sont de petites cellules simples sans compartimentation interne développée, tandis que les eucaryotes sont plus grandes et possèdent un noyau ainsi que de nombreux organites membranaires.

• La compartimentation eucaryote concentre des enzymes et des molécules spécialisées dans de petits volumes et augmente les surfaces membranaires disponibles pour les réactions.

• Chez l’être humain, le génome nucléaire comprend 23 paires de chromosomes, soit 46 molécules d’ADN contenant environ 3,4 milliards de paires de nucléotides.

• L’expression génétique comprend une transcription dans le noyau puis une traduction dans le cytoplasme, tandis que le nucléole produit les sous-unités ribosomiques.

Compléments

• Des systèmes de maintenance de l’ADN détectent et réparent des lésions provoquées notamment par les UV, les radiations, les radicaux libres et des substances génotoxiques, à raison de plus de 10 000 lésions quotidiennes.

💡 Astuce mémo

Procaryote sans compartiments, eucaryote compartimentée

📖 11. Cytoplasme et cytosquelette

🔑 Notions clés & Définitions

• Cytosquelette : Un réseau dynamique de microfilaments d’actine, de microtubules et de filaments intermédiaires qui organise la cellule et ses interactions mécaniques avec l’environnement.

★ À maîtriser

• Les microtubules, constitués de tubuline et ancrés au centrosome, guident le transport des vésicules, organisent les cils et les flagelles et participent à la séparation des chromosomes.

Compléments

• Les microfilaments d’actine sont des polymères hélicoïdaux souples concentrés sous la membrane plasmique, qu’ils contribuent à soutenir.

• Les filaments intermédiaires forment des cordages et des filets qui apportent une résistance mécanique importante aux cellules et aux tissus épithéliaux.

📖 12. Mitochondries et production énergétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Mitochondrie : Un organite à deux membranes, dont la membrane interne forme des crêtes et délimite une matrice et un espace intermembranaire.

★ À maîtriser

• Les nutriments sont catabolisés en acétyl-CoA, qui alimente le cycle de Krebs dans la matrice mitochondriale et produit des coenzymes réduits.

• La chaîne respiratoire oxyde les coenzymes réduits, utilise l’oxygène comme accepteur final d’électrons et accumule des protons dans l’espace intermembranaire pour permettre la phosphorylation oxydative de l’ADP en ATP.

Compléments

• La matrice mitochondriale contient un ADN circulaire codant certaines fonctions mitochondriales ainsi qu’une partie du système d’expression de ce génome.

📖 13. Réseau endomembranaire et lysosomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Appareil de Golgi : Un empilement orienté de citernes membranaires présentant une face cis tournée vers le RE et une face trans tournée vers la membrane plasmique.

★ À maîtriser

📌 Le réticulum endoplasmique lisse ne porte pas de ribosomes visibles, tandis que le réticulum endoplasmique rugueux ou granulaire porte des ribosomes accolés.

• Le réticulum endoplasmique est continu avec l’enveloppe nucléaire et constitue le point de départ d’un flux membranaire centrifuge vers l’appareil de Golgi puis la périphérie cellulaire.

• Le REL synthétise et incorpore les lipides, tandis que le RER synthétise des protéines transmembranaires, sécrétées ou destinées aux lysosomes.

• Une vésicule bourgeonne d’un compartiment donneur, transporte des substances puis fusionne avec un compartiment cible, permettant les échanges membranaires, le transport de macromolécules, l’exocytose et l’endocytose.

• L’appareil de Golgi modifie les protéines en transit, ajoute ou remanie des motifs glucidiques et les trie selon leur destination, notamment vers le RE, les lysosomes ou la surface cellulaire.

Compléments

• Le réticulum endoplasmique stocke volontairement le calcium, qui intervient dans la communication cellulaire, la sécrétion, les transports vésiculaires, l’activité enzymatique et la contraction musculaire.

📖 14. Sécrétions et exocytose

★ À maîtriser

📌 La sécrétion constitutive expédie continuellement des substances vers la surface cellulaire, tandis que la sécrétion contrôlée nécessite un signal déclenchant l’exocytose de vésicules stockées.

• Dans les cellules bêta pancréatiques, l’augmentation du glucose accroît l’ATP mitochondrial, modifie des canaux ioniques, augmente le calcium cytoplasmique et déclenche l’exocytose de l’insuline.

• Les cellules NK et les lymphocytes T cytotoxiques détruisent des cellules infectées ou tumorales en dégranulant dans l’espace de contact et en libérant notamment des perforines qui perforent la membrane cible.

Compléments

• Les mastocytes stimulés par des agents infectieux ou des allergènes dégranulent par exocytose et libèrent notamment de la sérotonine, de l’héparine, des prostaglandines et de l’histamine.

📖 15. Lysosomes et maladies de surcharge

🔑 Notions clés & Définitions

• Lysosome : Un compartiment intracellulaire à pH acide d’environ 5 contenant une quarantaine d’hydrolases différentes qui digèrent les macromolécules.
• Goutte : Une maladie chronique liée à une hyperuricémie dont la manifestation caractéristique est une monoarthrite aiguë du gros orteil causée par des cristaux d’urate de sodium.

★ À maîtriser

• Les lysosomes résultent de la convergence des flux centripète et centrifuge : l’endocytose apporte les substances à digérer vers l’endosome, tandis que le Golgi fournit les enzymes lysosomales.

• Les hydrolases lysosomales sont étiquetées par un mannose-6-phosphate, reconnu par des récepteurs du Golgi qui les trient vers les lysosomes.

• Dans la goutte, les phagocytes internalisent des cristaux d’urate indestructibles qui s’accumulent, provoquent la rupture cellulaire et libèrent des enzymes lysosomales amplifiant l’inflammation et la nécrose.

Compléments

• L’autophagie enferme des structures intracellulaires endommagées dans un autophagosome qui fusionne avec un lysosome pour permettre leur digestion, notamment en situation de carence ou de stress.

• Les facteurs favorisant les crises de goutte comprennent le surpoids, la consommation régulière d’alcool et une alimentation riche en purines, notamment en viande rouge et en abats.

📖 16. Goutte et inflammation lysosomale

📝 Points essentiels

• Les cristaux d’urate de sodium sont phagocytés par les neutrophiles et les macrophages puis dirigés vers les lysosomes, où leur dégradation impossible entraîne leur accumulation.

• Les phagocytes chargés de cristaux acérés peuvent éclater lors de leurs déplacements dans les tissus, libérant leur contenu cellulaire et leurs enzymes lysosomales, ce qui amplifie l’inflammation et la nécrose articulaires.

• La prise en charge de la goutte associe un traitement symptomatique des crises par anti-inflammatoires ou colchicine et un traitement de fond visant à réguler le métabolisme de l’acide urique.

💡 Astuce mémo

Cristaux → phagocytose → rupture lysosomale → inflammation

📖 17. Silicose et asbestose pulmonaires

★ À maîtriser

• Dans la silicose et l’asbestose, les particules inhalées sont phagocytées sans pouvoir être digérées, ce qui provoque une inflammation chronique puis une fibrose pulmonaire progressive.

• L’amiante inhalée peut provoquer une fibrose, des pleurésies et des cancers de la plèvre ou des poumons, avec un délai généralement d’environ dix ans entre l’exposition et la maladie.

• La fibrose pulmonaire correspond à une augmentation de la synthèse de fibres de collagène qui obstruent progressivement le tissu pulmonaire et rendent les échanges gazeux impossibles.

Compléments

• La silicose expose notamment les travailleurs des carrières, du bâtiment, du percement de tunnels, du sablage, du cassage, du meulage, du sciage de bétons et de la taille de pierres siliceuses ou de briques.

• Le traitement symptomatique des pneumoconioses comprend des bronchodilatateurs, des mucolytiques et une oxygénothérapie, tandis que la transplantation pulmonaire est le seul traitement curatif connu.

💡 Astuce mémo

Particules inhalées → inflammation → fibrose

📖 18. Maladies lysosomales de surcharge

🔑 Notions clés & Définitions

• Maladie lysosomale de surcharge : Résulte de l’absence d’une enzyme lysosomale, provoquant l’accumulation intracellulaire de son substrat non dégradé et l’encombrement progressif des lysosomes puis des cellules.

★ À maîtriser

• La maladie de Tay-Sachs est une maladie neurodégénérative due à l’absence d’hexosaminidase, entraînant l’accumulation de gangliosides dans les lysosomes des cellules nerveuses.

• La forme infantile de Tay-Sachs apparaît dans les six premiers mois avec une hypotonie et un retard du développement, puis évolue vers la mort entre deux et cinq ans.

• La maladie de Gaucher résulte d’une mutation autosomique récessive du gène codant la glucocérébrosidase acide et entraîne l’accumulation de glucocérébroside dans le système nerveux, la rate, le foie, les poumons et la moelle osseuse.

• La thérapie par sauvetage enzymatique consiste à perfuser l’enzyme fonctionnelle, captée par endocytose grâce aux récepteurs au mannose-6-phosphate, puis délivrée aux endosomes et aux lysosomes.

• La pinocytose capture des substances dans des vésicules de moins de 250 nm, l’endocytose récepteur-dépendante forme des vésicules d’environ 250 nm et la phagocytose concerne des particules de plus de 250 nm.

• La capture récepteur-dépendante des LDL entraîne leur rassemblement dans un puits membranaire recouvert d’un manteau protéique, puis la formation d’une vésicule qui fusionne avec un endosome.

• L’acidification de l’endosome dissocie les LDL de leurs récepteurs, lesquels sont recyclés vers la membrane plasmique tandis que les LDL progressent vers l’endosome tardif puis le lysosome.

• Les hypercholestérolémies familiales résultent d’un défaut de capture des LDL dû à un récepteur non fonctionnel ou non reconnu par le manteau protéique, ce qui favorise l’athérosclérose et les accidents cardiovasculaires.

• La sécrétion lactée mobilise l’exocytose des constituants solubles, le bourgeonnement apocrine des gouttelettes de triglycérides et la transcytose des immunoglobulines maternelles.

• Dans l’épithélium mammaire, les immunoglobulines sont endocytées au pôle basal, transitent par des endosomes sans être dégradées, puis sont exocytées intactes au pôle apical vers la lumière de la glande.

• Chez le nouveau-né, les entérocytes capturent par endocytose récepteur-dépendante les immunoglobulines du lait, les transportent vers leur pôle basal et les libèrent dans la circulation sanguine par transcytose.

Compléments

• Les cellules de Gaucher sont des macrophages au cytoplasme fibrillaire, au noyau excentré et à l’aspect boursouflé dû à la présence d’énormes lysosomes.

• Lors de la phagocytose, la cellule émet des pseudopodes qui s’étendent autour de la particule à ingérer afin de l’englober.

• Dans le lysosome, les LDL sont hydrolysées par des protéases en peptides et acides aminés, ce qui libère le cholestérol utilisable par la cellule.

• Le lait contient notamment du lactose, du glucose, des sels minéraux, de la lactalbumine, de la lactoglobuline, de la transferrine, de la lactoferrine, des immunoglobulines, des enzymes, des facteurs de croissance et des triglycérides.

💡 Astuce mémo

Un lysosome qui déborde de substrats

📊 Tableaux de synthèse

Principaux types de transport membranaire

Principales voies de signalisation