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L'ensemble de ce module de Biologie cellulaire présente la cellule (mammifère) au niveau structural et moléculaire. De nombreux sujets sont placés dans un contexte physiologique avec une référence occasionnelle à la maladie (pathologie). Nous commençons avec la membrane et progressons vers le noyau. Les sujets de la transcription, de la réplication des gènes et de la division cellulaire n'y sont pas abordés. Ces ressources sont enrichies avec des animations fournissant des explications plus visuelles. Nous proposons également des "excursions" (approfondissement d'un sujet) et des liens vers des sites Web pertinents ou vers des articles scientifiques, qui sont normalement ignorés dans un cours d'introduction à la biologie cellulaire. Chaque cours, à l'exception du cours 7, est suivi d'une activité d'auto-évaluation vous permettant de tester ce que vous en avez compris.
Ces ressources sont écrites pour les étudiants en Licence de biologie ou de médecine, mais elles peuvent être utiles pour un large éventail de sciences de la santé. Elles se sont avérées utiles pour les étudiants au niveau Master et Thèse en tant que source concise pour rafraîchir la mémoire.
1. La cellule et sa membrane plasmique
Dans cette ressource, nous montrons comment la cellule se rapporte à l'organisme dans lequel il participe et comment un flux d'informations allant de la cellule à l'organisme et vice versa détermine leur fonctionnement. Bien que nous puissions discerner une certaine hiérarchie dans la façon dont un organisme est composé, passant d'organes, de tissus aux cellules et leur matrice, il faut comprendre qu'ils sont des partenaires égaux: les cellules ont besoin de l'organisme et l'organisme a besoin des cellules.Toutes les cellules sont entourées par une bicouche lipidique, la membrane plasmique. Cela leur procure une barrière efficace permettant un environnement privilégié pour ses activités métaboliques. Les cellules eucaryotes ont organisé leurs événements métaboliques encore plus loin, en créant des compartiments subcellulaires, entourés par des membranes, appelés organites.
2. Transport membranaire
Le caractère hydrophobe de la double couche lipidique permet à la cellule de maintenir des concentrations de solutés différentes de part et d'autre de la membrane, c'est-à-dire entre cytoplasme et milieu extracellulaire et ceci est vrai pour chaque compartiment cellulaire (mitochondrie, lysosome, réticulum endoplasmique, etc). La séparation des compartiments définis par la membrane ne doit cependant pas être totale et des échanges moléculaires sont nécessaires à la vie cellulaire. Les cellules ont ainsi développé des systèmes de transport d'ions et de macromolécules faisant intervenir des protéines membranaires : co-transporteurs, pompes ou canaux. Dans cette ressource nous décrirons les différents transporteurs regroupés selon les fonctions physiologiques dans lesquelles ils interviennent.
3. Les molécules d'adhérence
Dans leur majorité les cellules des animaux pluricellulaires sont organisées en ensembles coopératifs appelés tissus, qui s'associent à leur tour selon diverses combinaisons en unités fonctionnelles de plus grandes dimensions : les organes. Les cellules des tissus sont habituellement en contact avec un réseau complexe de macromolécules extracellulaires sécrétées : la matrice extracellulaire. Les cellules d'un tissu sont également maintenues en place par adhérence directe des cellules entre elles. Toutes ces interactions sont dues à des protéines membranaires spécialisées : les molécules d'adhérence. Elles jouent un rôle très important à la fois dans le développement et l'intégrité anatomique des tissus. Cette ressource établit la notion de l'interaction cellule-environnement. Elle répertorie les molécules d'adhérence impliquées dans les interactions cellule-cellule et cellule-matrice extracellulaire. Elle répertorie également les composants de la matrice extracellulaire.
4. Le cytosquelette
Dans cette ressource nous nous focaliserons sur la structure du cytosquelette (filaments d'actine, filaments intermédiaires et microtubules) et ses nombreuses fonctions qui concernent la défense contre les agressions mécaniques, la forme de la cellule et les divers mouvements cellulaires et intracellulaires. Tous les éléments du cytosquelette sont des structures protéiques allongées résultant de la polymérisation d'éléments monomériques. Le cytosquelette forme un réseau complexe de filaments et tubules qui s'étend dans tout le cytoplasme. Contrairement au squelette osseux qui est rigide, le cytosquelette est une structure très dynamique qui se réorganise continuellement au cours des différents évènements cellulaires (migration, division, etc.) Nous insisterons également sur l'interaction importante entre le cytosquelette et les molécules d'adhérence.
5. La mitochondrie
Dans cette ressource nous nous focaliserons sur la mitochondrie, sa morphologie, ses membranes (et leurs nombreux transporteurs) et son rôle primordial dans la production de l'ATP nécessaire au déroulement des fonctions cellulaires (fournisseur universel de l'énergie). La production de l'ATP nécessite un fort approvisionnement en métabolites tels que glucose et acides gras (et dans le cas de dénutrition extrême, acides aminés), un approvisionnement géré à partir des réserves par des hormones (glucagon, insuline et adrénaline). Les métabolites vont être convertis en NADH et FADH2 (plus CO2) dans des processus, comme la glycolyse, la β-oxydation et le cycle de l'acide citrique, pour finalement alimenter la chaîne respiratoire aboutissant à la production de l'ATP grâce au phénomène de chimiosmose. Les processus se déroulent dans des sites bien déterminés et le passage de métabolites d'un site à l'autre est assuré par de nombreux transporteurs. En plus de son rôle de production d'ATP, la mitochondrie est également présentée pour son intervention dans la synthèse des stéroïdes, la mort cellulaire programmée (apoptose) et l'homéostasie cellulaire du calcium. Enfin dans trois « excursions », la mitochondrie est replacée dans un contexte conceptuel élargi, ouvrant sur des implications aussi variées que diabète sucré et paléontologie.
6. La synthèse des protéines
Dans cette ressource, nous nous focaliserons sur le code génétique, la production de différentes formes d'ARN (ARNr, ARNt et ARNm) dans le noyau, la composition des ribosomes et le mécanisme de la synthèse protéique. Nous expliquerons comment la séquence nucléotidique est traduite en protéine grâce aux processus d'initiation, de translocation et de terminaison de la synthèse protéique.
7. La dégradation des protéines : protéolyse
Dans cette ressource, nous dirons comment les protéines sont dégradées (protéolyse) soit par la voie du protéasome soit par celle du lysosome (et dans un cas particulier par des caspases). Cette dynamique entre synthèse et dégradation, assure d'une part le bon fonctionnement des protéines et d'autre part permet à la cellule de s'adapter aux changements de l'environnement (plasticité cellulaire).
8. Acheminement des protéines à travers le réticulum endoplasmique et le Golgi
Dans cette ressource nous nous focaliserons sur les processus de maturation et de tri des protéines synthétisées sur des ribosomes associés à la membrane du réticulum endoplasmique, processus qui permettent de comprendre comment les protéines transitent par le RE et le Golgi vers leurs sites spécifiques de destination. Nous verrons que c'est la nature de la protéine elle-même qui détermine sa destination grâce à la présence de séquences peptidiques spécifiques (étiquettes), de longueur variable (3 à 30 acides aminés). Dans un cas particulier, l'étiquette est un glucide phosphaté. Ces séquences ou ce glucide, sont reconnus par des récepteurs spécifiques qui dirigent leur charge vers le compartiment cellulaire suivant. Le transport entre les compartiments est assuré par des vésicules membranaires, ce qui implique un très actif processus de fission suivi de fusion.
9. Les voies d'exo et endocytose
Dans cette ressource nous montrerons comment les multiples voies d'exocytose et endocytose sont à la base d'un intense trafic entre le pôle trans-golgien, les lysosomes et la membrane plasmique. Nous nous focaliserons sur les mécanismes de tri de protéines et nous portons une attention particulier pour la génération et le fonctionnement de mannose-6-phosphate, une structure qui sert à sélectionner des protéines (hydrolases) destinées à la lysosome primaire. Nous élaborons sur les mécanismes de régulation de la sécrétion d'hormones et neurotransmetteurs.
10. Acheminement des protéines vers la membrane (face cytoplasmique), le peroxysome, la mitochondrie ou le noyau
Dans cette ressource, nous nous focalisons sur les processus qui assurent l'acheminement vers leurs cibles respectives des protéines traduites par les ribosomes « libres » et destinées à la membrane (face interne), au peroxysome, à la mitochondrie ou au noyau. Ces protéines restées dans le cytoplasme à l'issue du premier tri vont être progressivement dirigées vers leur site définitif grâce à un étiquetage fourni par des séquences amino acidiques précises, les peptides de destination. Ces peptides sont reconnus par des récepteurs qui assurent donc la sélectivité d'orientation. Le passage de la protéine à l'intérieur de la mitochondrie ou du peroxysome est assuré par des transporteurs protéiques (qui forment un canal d'environ 2 nm), assistés par de nombreuses protéines chaperonnes. Ces dernières gardent les protéines en transit dans l'état déplié nécessaire à leur passage par l'étroit canal. De plus, par des mécanismes encore mal compris, elles favorisent le passage en hydrolysant l'ATP (transport actif). En revanche, les protéines et les ARN, collectivement nommés « charge », traversent l'enveloppe nucléaire dans leur état replié et même parfois sous forme de grands complexes (tels le ribosome). La sélectivité du transport à travers l'enveloppe nucléaire est assurée par de nombreux récepteurs, et son orientation est déterminée par la GTPase Ran.
11. Introduction à la signalisation cellulaire
Dans cette ressource nous nous focalisons sur les processus qui assurent la communication entre la cellule et son environnement. Cette communication est assurée par de nombreuses molécules informatives ; les (premiers) messagers qui, selon leur localisation et leur fonction majeures, peuvent être des neurotransmetteurs, des hormones, des cytokines (dont les facteurs de croissance) ou encore des composants de la matrice extracellulaire. La molécule informative est reconnue par un récepteur (protéine de liaison) situé à la surface ou à l'intérieur de la cellule. La fixation du messager induit un signal intracellulaire par un processus appelé « transduction du signal ». Les récepteurs et les signaux qu'ils transmettent, donnent à la cellule une représentation symbolique permanente de son environnement. Nous décrirons les modalités générales (phosphorylation et déphosphorylation, échange de nucléotides, ubiquitination, ouverture des canaux) par lesquelles ces signaux intracellulaires perturbent l'homéostasie cellulaire et imposent un changement pour ajuster l'activité de la cellule aux besoins de l'organisme entier.