Biologie universitaire — 1re année · Bachelor Year 1

6Organisation fonctionnelle de la cellule eucaryote

Une cellule du pancréas fabrique chaque jour environ sa propre masse d’enzymes digestives et les déverse dans un canal. Ces enzymes sont des protéines qui digéreraient la cellule qui les a faites ; aussi celle-ci les construit-elle à l’intérieur d’une nappe de membrane close, les expédie-t-elle dans un second compartiment où elles sont triées et concentrées, les stocke-t-elle dans des granules, et ne les libère-t-elle qu’au signal d’un repas. Chaque étape se déroule dans un espace limité par une membrane différente, et le trafic entre ces espaces est assuré par des vésicules. Ce chapitre décrit les compartiments de la cellule eucaryote, le système endomembranaire dans lequel les protéines circulent, les organites qui transforment l’énergie, le squelette qui tient la forme de la cellule et déplace ses constituants, et les caractères qui distinguent une cellule végétale d’une cellule animale.

6.1 Les compartiments

Définition 6.1 (Organite, cytosol)

Un organite est une structure intracellulaire de composition et de fonction définies ; les organites limités par une membrane sont des compartiments dont l’intérieur diffère par sa composition du cytosol, la solution aqueuse du cytoplasme qui les entoure. Compartiments limités par une membrane : le noyau, le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi, les lysosomes, les peroxysomes, les mitochondries, et chez les végétaux les plastes et la vacuole. Organites sans membrane : les ribosomes, le centrosome, le cytosquelette.

Une cellule animale généralisée, ouverte. Le noyau au centre ; autour de lui le réticulum endoplasmique granuleux, continu avec l’enveloppe nucléaire, le réticulum lisse, le dictyosome de Golgi et ses vésicules, des mitochondries, des lysosomes, et le centrosome d’où rayonnent les microtubules.

Définition 6.2 (Le noyau)

Le noyau contient les chromosomes sous forme de chromatine, de l’ADN enroulé sur des protéines histones (Chapitre 17). Il est limité par l’enveloppe nucléaire, deux membranes dont l’externe est continue avec le réticulum endoplasmique, percée de pores nucléaires par lesquels ARN et protéines passent dans les deux sens de façon contrôlée. Le nucléole est la région où l’ARN ribosomique est fabriqué et où les ribosomes sont assemblés. Le noyau sépare la transcription (au-dedans) de la traduction (au-dehors), séparation que les procaryotes n’ont pas.

Proposition 6.3 (Les compartiments d’une cellule hépatique)

Dans un hépatocyte de $5000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ , le cytosol occupe environ la moitié du volume, les mitochondries le cinquième, le réticulum endoplasmique le sixième, le noyau le seizième, l’appareil de Golgi, les lysosomes et les peroxysomes quelques pour cent à eux tous. Les membranes racontent une autre histoire : sur les $110\,000\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ de membrane de la cellule, la moitié est du réticulum endoplasmique, le tiers la membrane interne des mitochondries, et $2\,\%$ seulement la membrane plasmique. L’essentiel de la membrane d’une cellule est à l’intérieur d’elle.

Où se trouve la membrane d’une cellule hépatique. La membrane plasmique, la seule visible de l’extérieur, fait deux pour cent du total ; le réticulum et la membrane interne des mitochondries, repliés à l’intérieur, en font les quatre cinquièmes.

6.2 Le système endomembranaire

Définition 6.4 (Réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, lysosome)

Le réticulum endoplasmique (RE) est un réseau de saccules et de tubules membranaires enfermant un espace unique et continu, la lumière, et continu avec l’enveloppe nucléaire. Sa partie granuleuse est hérissée de ribosomes qui injectent les protéines qu’ils fabriquent dans la lumière ou dans la membrane ; sa partie lisse fabrique des lipides, stocke du calcium et détoxique. L’appareil de Golgi est un empilement de saccules aplatis, avec une face cis de réception près du RE et une face trans d’expédition, dans lequel les protéines venues du RE sont modifiées (sucres élagués et ajoutés), triées et emballées dans des vésicules destinées à leurs adresses. Les lysosomes sont des vésicules acides (pH $\approx 5$ ) pleines d’enzymes hydrolytiques qui digèrent le matériel apporté de l’extérieur ou les organites usés. Avec les vésicules qui circulent entre eux et la membrane plasmique, ils forment le système endomembranaire : un ensemble connecté de compartiments dont les lumières sont topologiquement l’extérieur de la cellule.

Proposition 6.5 (La voie de sécrétion)

Une protéine destinée à la sécrétion, à la membrane plasmique ou à un lysosome est synthétisée par des ribosomes liés au RE granuleux, entre dans la lumière du RE à mesure qu’elle est faite, s’y replie, gagne en vésicules la face cis du Golgi, traverse l’empilement en y étant modifiée, et quitte la face trans dans une vésicule adressée à sa destination : un granule de sécrétion qui fusionne avec la membrane plasmique sur un signal (exocytose régulée), une vésicule qui fusionne en continu (exocytose constitutive, qui apporte aussi de la membrane neuve), ou un lysosome. Les protéines cytosoliques et nucléaires sont faites sur des ribosomes libres et n’entrent jamais dans le système. Ce qui décide est une séquence signal en tête de la protéine (Chapitre 19).

Faits expérimentaux. Palade (années 1960) donna à des tranches de pancréas de cobaye des acides aminés radioactifs pendant trois minutes (le marquage), puis des acides aminés non marqués (la chasse), et localisa la radioactivité par autoradiographie de clichés électroniques à intervalles réguliers. À $3\,\mathrm{min}$ , les grains d’argent étaient au-dessus du RE granuleux ; à $20\,\mathrm{min}$ , au-dessus du Golgi ; à $40\,\mathrm{min}$ , au-dessus des vacuoles de condensation et des granules neufs ; à $2\,\mathrm{h}$ , dans la lumière du canal. Le fractionnement cellulaire donna chimiquement la même séquence. Blobel (années 1970) montra que les protéines de sécrétion faites en tube à essai sans membranes sont plus longues de vingt résidus que la forme sécrétée et ne sont pas protégées d’une protéase ajoutée, alors que, faites en présence de membranes du RE, elles sont clivées et protégées : les résidus supplémentaires sont le signal qui dirige la chaîne naissante dans le RE. ∎

Le marquage-chasse de Palade dans le pancréas : où se trouvent les protéines marquées en fonction du temps. Elles passent du RE au Golgi en un quart d’heure, atteignent les granules dans l’heure, et quittent la cellule au cours des deux suivantes.

Une cellule acineuse pancréatique au microscope électronique à transmission : le RE granuleux empilé en piles parallèles autour du noyau à la base, le Golgi au-dessus, et les granules de sécrétion denses entassés vers l’apex et le canal.

Méthode 6.6 (Suivre une molécule à travers la cellule)

Marquer une cohorte brève : exposer les cellules à un précurseur radioactif ou fluorescent pendant quelques minutes (le marquage), puis le remplacer par un excès de précurseur non marqué (la chasse), de sorte que seules les molécules faites pendant le marquage portent l’étiquette.
Prélever à intervalles réguliers, fixer, et localiser le marquage : par autoradiographie de coupes, par microscopie de fluorescence, ou par fractionnement et comptage.
Le compartiment dont le marquage culmine le premier est en amont ; la suite des maximums est l’itinéraire ; les intervalles sont les temps de transit.
Bloquer une étape (froid, inhibiteur énergétique, mutant) et regarder où le marquage s’accumule : dans le compartiment situé avant le blocage.

Définition 6.7 (Endocytose)

L’endocytose fait entrer du matériel : la membrane plasmique s’invagine autour de lui et étrangle une vésicule, qui fusionne en général avec un lysosome. La phagocytose englobe des particules (une bactérie, une cellule morte) ; la pinocytose absorbe des gouttelettes de liquide ; l’endocytose par récepteurs interposés concentre une molécule particulière (particules porteuses de cholestérol, transferrine porteuse de fer) sur des récepteurs de puits recouverts avant de la faire entrer. L’exocytose ajoute de la membrane à la surface cellulaire et l’endocytose lui en retire ; dans une cellule sécrétrice, les deux s’équilibrent, de sorte que la surface reste constante alors que des pans entiers de membrane la traversent chaque heure.

6.3 Mitochondries et plastes

Définition 6.8 (Mitochondrie)

Une mitochondrie est un organite de $0.5\text{ to }1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de diamètre et de quelques micromètres de long, limité par deux membranes : une membrane externe lisse, perméable aux petites molécules, et une membrane interne repliée en crêtes qui est imperméable aux ions et porte la chaîne respiratoire et l’ATP synthase (Chapitre 15). À l’intérieur se trouve la matrice, qui contient les enzymes du cycle de Krebs, des ribosomes de type bactérien et plusieurs copies d’un petit ADN circulaire. Les mitochondries se divisent par fission, se déplacent le long du cytosquelette, et sont de quelques centaines à quelques milliers par cellule.

Définition 6.9 (Plastes)

Les plastes sont les organites à double membrane des cellules végétales : les chloroplastes, dans lesquels un troisième système de membranes, les thylakoïdes, empilés en grana et baignés dans le stroma, assure la photosynthèse (Chapitre 14) ; les amyloplastes, qui stockent l’amidon ; les chromoplastes, qui portent les pigments des fruits et des pétales. Tous dérivent de proplastes et, comme les mitochondries, contiennent leur propre ADN circulaire et des ribosomes de type bactérien, et se divisent par fission.

Une mitochondrie (à gauche) et un chloroplaste (à droite) en coupe au microscope électronique. Deux membranes d’enveloppe pour chacun ; à l’intérieur, la membrane interne repliée de la mitochondrie et les thylakoïdes empilés du chloroplaste — les membranes sur lesquelles l’énergie est transduite.

Proposition 6.10 (Origine endosymbiotique)

Mitochondries et plastes descendent de bactéries libres englobées par une cellule eucaryote ancestrale et conservées comme symbiontes : les mitochondries d’une bactérie aérobie, les plastes d’une cyanobactérie.

Faits expérimentaux. Les deux organites ont deux membranes, l’interne de composition bactérienne et l’externe ressemblant à celle de l’hôte ; un chromosome circulaire sans histones ; des ribosomes de taille bactérienne et sensibles aux mêmes antibiotiques ; un code génétique aux variantes bactériennes ; une division par scissiparité indépendante de celle de la cellule ; et leurs gènes, une fois séquencés, se groupent avec ceux de lignées bactériennes précises (alphaprotéobactéries, cyanobactéries) plutôt qu’avec les gènes nucléaires de la cellule qui les héberge. La plupart de leurs gènes d’origine ont depuis migré vers le noyau, et les organites ne peuvent plus vivre seuls. ∎

Définition 6.11 (Peroxysome)

Un peroxysome est un petit organite à membrane unique contenant des enzymes oxydatives qui transfèrent de l’hydrogène de substrats (acides gras, alcool) vers l’oxygène, ce qui produit du peroxyde d’hydrogène, et de la catalase, qui détruit ce peroxyde sur place. Il confine une chimie dangereuse.

6.4 Le cytosquelette

Définition 6.12 (Cytosquelette)

Le cytosquelette est un réseau de filaments protéiques qui donne à la cellule sa forme, ancre ses organites, et les déplace ainsi que la cellule elle-même. Trois sortes : les microfilaments d’actine ( $7\,\mathrm{nm}$ , deux brins torsadés de sous-unités globulaires), concentrés sous la membrane plasmique, responsables de la forme cellulaire, de la reptation, de l’anneau contractile de la division et de la contraction musculaire avec la myosine ; les microtubules (tubes creux de $25\,\mathrm{nm}$ de tubuline), rayonnant depuis le centrosome, rails le long desquels des protéines motrices (la kinésine vers l’extérieur, la dynéine vers l’intérieur) transportent vésicules et organites, fuseau de division et axe des cils et des flagelles ; les filaments intermédiaires ( $10\,\mathrm{nm}$ , en corde, faits de kératines et de protéines apparentées), fibres mécaniquement résistantes qui raidissent les cellules et s’ancrent aux desmosomes. Microfilaments et microtubules s’assemblent et se désassemblent continûment à partir de leurs réserves de sous-unités.

Les trois filaments du cytosquelette, dessinés à la même échelle. Actine et tubuline polymérisent réversiblement à partir de sous-unités globulaires ; les filaments intermédiaires sont des cordes stables.

Exemple 6.13 (Déplacer une vésicule)

Une vésicule de sécrétion quittant le Golgi est prise en charge par la kinésine, un moteur qui marche le long d’un microtubule vers la périphérie de la cellule à environ $1\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{s}$ , en dépensant un ATP par pas de $8\,\mathrm{nm}$ ; dans un neurone, le même moteur porte des vésicules sur la longueur d’un axone d’un mètre — un voyage de dix jours. Près de la surface, la vésicule passe au cortex d’actine et à la myosine pour le dernier micromètre. Par diffusion, une vésicule de $100\,\mathrm{nm}$ mettrait environ une minute à traverser une cellule de $20\,\text{µ}\mathrm{m}$ , et des années à parcourir un mètre : les organites sont transportés, et non laissés à l’errance.

6.5 Cellules végétale et animale

Définition 6.14 (Paroi, vacuole, plasmodesmes)

Une cellule végétale ajoute trois structures au plan commun. La paroi, à l’extérieur de la membrane plasmique, est un composite de microfibrilles de cellulose dans une matrice d’autres polysaccharides (Chapitre 10) ; elle fixe la forme de la cellule, résiste à la pression interne, et cimente les cellules voisines par une lamelle moyenne partagée. La vacuole, compartiment à membrane unique occupant jusqu’à $90\,\%$ du volume de la cellule, stocke eau, ions, sucres, pigments et déchets ; sa pression osmotique plaque la membrane contre la paroi, et cette turgescence est ce qui tient une feuille dressée. Les plasmodesmes sont des canaux traversant les parois, tapissés de membrane plasmique, par lesquels les cytosols des cellules voisines sont continus, de sorte qu’un tissu végétal est en partie un cytoplasme unique et connecté (le symplasme).

Une cellule végétale : la paroi à l’extérieur de la membrane, la vacuole occupant la plus grande part du volume, chloroplastes et mitochondries dans la mince couche de cytoplasme qui les sépare.

Proposition 6.15 (Cellules végétale et animale comparées)

Toutes deux ont un noyau, un RE, un Golgi, des mitochondries, des peroxysomes, des ribosomes et un cytosquelette. La cellule végétale a une paroi de cellulose, une grande vacuole, des plastes et des plasmodesmes, et ni centrioles ni lysosomes (la vacuole digère) ; elle ne rampe ni n’englobe, et se divise en bâtissant une paroi neuve en son milieu. La cellule animale n’a pas de paroi (elle peut donc changer de forme, ramper et phagocyter), a des lysosomes, un centrosome à centrioles, et communique par des jonctions plutôt que par des plasmodesmes ; elle se divise par étranglement.

Exemple 6.16 (La turgescence)

Une cellule de feuille dont la vacuole contient $0.3\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ de solutés appelle l’eau jusqu’à ce que la paroi repousse avec une pression d’environ $0.7\,\mathrm{MPa}$ , sept atmosphères ; la cellule est alors turgescente et la feuille ferme. Privée d’eau, la vacuole perd du volume, la pression tombe à zéro, et la feuille se fane — la paroi inchangée, la pression disparue (Chapitre 7). Une cellule animale placée dans la même solution, n’ayant pas de paroi, éclaterait purement et simplement.

6.6 Exercices

Exercice 6.1 ★

Énumérer les organites limités par une membrane d’une cellule animale et donner en quelques mots la fonction principale de chacun.

Solution

Solution de Exercice 6.1.

Noyau (chromosomes, transcription) ; RE granuleux (protéines de sécrétion et membranaires) ; RE lisse (lipides, calcium, détoxication) ; Golgi (tri, modification, emballage) ; lysosomes (digestion) ; peroxysomes (oxydations, catalase) ; mitochondries (respiration, ATP).

Exercice 6.2 ★

Retracer le trajet d’une enzyme digestive de sa synthèse jusqu’au canal, en nommant chaque compartiment et le mode de passage de la protéine entre eux.

Solution

Solution de Exercice 6.2.

Synthétisée par des ribosomes liés au RE granuleux et engagée dans sa lumière (séquence signal) ; des vésicules bourgeonnent du RE et fusionnent avec le Golgi cis ; la protéine traverse l’empilement, y est modifiée et triée ; elle quitte la face trans dans une vacuole de condensation qui mûrit en granule de sécrétion ; le granule fusionne avec la membrane apicale sur un signal et se vide dans le canal.

Exercice 6.3 ★

D’après la figure du bilan membranaire, quelle fraction de la membrane de la cellule est mitochondriale (externe plus interne) ? Pourquoi la membrane interne est-elle bien plus étendue que l’externe ?

Solution

Solution de Exercice 6.3.

$7 + 32 = 39\,\%$ . La membrane interne est repliée en crêtes parce qu’elle porte la chaîne respiratoire et l’ATP synthase, dont le débit est proportionnel à sa surface ; l’externe n’est qu’une enveloppe simple.

Exercice 6.4 ★

Donner trois structures que possède une cellule végétale et que n’a pas une cellule animale, et deux que possède la cellule animale et que n’a pas la cellule végétale.

Solution

Solution de Exercice 6.4.

Végétale : paroi de cellulose, grande vacuole, plastes (et plasmodesmes). Animale : lysosomes, centrioles (et la capacité de ramper et de phagocyter).

Exercice 6.5 ★★

D’après la figure du marquage-chasse, à quel instant le marquage culmine-t-il dans le RE, dans le Golgi et dans les granules ? Estimer le temps de transit du RE au granule et le temps au bout duquel la moitié du marquage a été sécrétée.

Solution

Solution de Exercice 6.5.

RE à $3\,\mathrm{min}$ (déjà en baisse), Golgi vers $15\,\mathrm{min}$ , granules vers $60\,\mathrm{min}$ . Transit du RE au granule environ $45\,\mathrm{min}$ ; moitié sécrétée vers $110\,\mathrm{min}$ .

Exercice 6.6 ★★

Une cellule est traitée par une substance qui dépolymérise les microtubules. Prédire les effets sur la position du Golgi, sur le trafic vésiculaire, sur la division cellulaire et sur le battement des cils.

Solution

Solution de Exercice 6.6.

Le Golgi, maintenu près du centrosome par la dynéine sur les microtubules, se fragmente et se disperse ; le trafic vésiculaire se réduit à la diffusion et le transport vers la périphérie s’arrête ; le fuseau ne peut pas se former et les cellules se bloquent en mitose ; les cils, dont l’axe est fait de microtubules, s’arrêtent (les cils déjà formés sont stables, mais ils ne sont plus renouvelés).

Exercice 6.7 ★★

Donner quatre faits en faveur de l’origine bactérienne des mitochondries, et expliquer pourquoi une mitochondrie ne peut malgré tout pas vivre hors d’une cellule.

Solution

Solution de Exercice 6.7.

Deux membranes dont l’interne est de type bactérien ; ADN circulaire sans histones ; ribosomes de taille bactérienne, sensibles aux antibiotiques ; division par fission ; séquences géniques se groupant avec les alphaprotéobactéries. Elle ne peut pas vivre seule parce que la plupart de ses gènes ont migré vers le noyau : elle importe l’essentiel de ses protéines depuis le cytosol.

Exercice 6.8 ★★

La lumière du RE est « topologiquement à l’extérieur de la cellule ». Expliquer cette formule en suivant, du RE à la membrane plasmique, une protéine membranaire dont les chaînes de sucres sont tournées vers la lumière : de quel côté les sucres sont-ils tournés à l’arrivée ?

Solution

Solution de Exercice 6.8.

Les sucres sont ajoutés du côté luminal dans le RE et le Golgi. Chaque fusion de vésicule conserve l’orientation : la face luminale d’une vésicule devient la face luminale du compartiment suivant, et quand la vésicule fusionne avec la membrane plasmique sa lumière s’ouvre vers l’extérieur, de sorte que les sucres sont tournés vers le dehors. Ce qui est luminal est, topologiquement, à l’extérieur.

Exercice 6.9 ★★

Une cellule sécrétrice libère $2000\,$ granules de $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de diamètre par jour à travers une surface apicale de $40\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ . Calculer la membrane ajoutée par jour et le nombre de fois que la surface apicale doit être recyclée. Qu’est-ce que cela implique ?

Solution

Solution de Exercice 6.9.

Chaque granule $\pi d^2 = 3.14\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ ; par jour $6280\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ , soit $157\,$ fois la face apicale. La cellule doit récupérer de la membrane par endocytose au même rythme, de sorte que la membrane apicale se renouvelle toutes les neuf minutes et que la membrane récupérée est rendue au Golgi pour être réutilisée.

Exercice 6.10 ★★★

Dans un tube à essai contenant des ribosomes, l’ARNm d’une protéine de sécrétion et des acides aminés, le produit est une chaîne de $320\,$ résidus ; en ajoutant des vésicules de RE, une chaîne de $300\,$ résidus apparaît à l’intérieur des vésicules et n’est pas digérée par une protéase ajoutée ensuite. Interpréter chaque observation, et dire ce que ferait un mutant dépourvu des vingt premiers résidus.

Solution

Solution de Exercice 6.10.

La chaîne de $320\,$ résidus est le précurseur avec sa séquence signal de $20\,$ résidus, normalement clivée à l’entrée dans le RE. En présence de vésicules, la chaîne entre dans la lumière pendant sa synthèse, le signal est clivé, et la membrane protège le produit de la protéase. Le mutant dépourvu du signal n’est pas reconnu par la machinerie du RE : il est fabriqué sur des ribosomes libres et reste dans le cytosol, de pleine longueur, jamais sécrété.

Exercice 6.11 ★★★

Les cellules d’un patient sont dépourvues d’une enzyme lysosomale qui dégrade un lipide ; le lipide s’accumule dans des lysosomes gonflés et les cellules meurent. Expliquer la biologie cellulaire, dire pourquoi la maladie est la plus grave dans les cellules qui renouvellent le plus vite leurs membranes, et proposer par quel chemin une enzyme injectée dans le sang pourrait atteindre les lysosomes.

Solution

Solution de Exercice 6.11.

Les membranes internalisées par endocytose et les organites usés sont livrés aux lysosomes pour y être digérés ; sans l’enzyme, le lipide qu’ils contiennent ne peut pas être dégradé et remplit les lysosomes, qui gonflent jusqu’à ce que la cellule cède. Les cellules dont le renouvellement membranaire est le plus rapide (neurones, qui recyclent continûment leurs vésicules synaptiques ; macrophages) l’accumulent le plus vite. Une enzyme injectée portant le signal glucidique que portent les enzymes lysosomales peut se lier à des récepteurs de la surface cellulaire et être internalisée par endocytose vers les lysosomes — c’est le principe de l’enzymothérapie substitutive.

Exercice 6.12 ★★★

« La cellule eucaryote est une fédération d’anciennes bactéries tenue par un système de membranes. » Discuter en un paragraphe, en pesant ce que la théorie endosymbiotique explique et ce qu’elle n’explique pas (noyau, RE, cytosquelette).

Solution

Solution de Exercice 6.12.

L’endosymbiose rend bien compte des mitochondries et des plastes (deux membranes, génome et ribosomes propres, fission, parents bactériens), et donc du métabolisme énergétique de l’eucaryote. Elle n’explique ni le noyau, ni le RE et le Golgi, ni le cytosquelette, qui n’ont pas d’équivalents bactériens et paraissent être des inventions de la lignée hôte — des invaginations de sa membrane et des protéines nouvelles. « Fédération » convient pour les organites ; « tenue par un système de membranes » désigne la part la plus grande et inexpliquée : une cellule hôte déjà eucaryote par son architecture avant qu’elle n’ait accueilli les bactéries.

6.7 Problème : la cellule acineuse du pancréas

Problème 6.1

Problème du week-end — une cellule qui sécrète chaque jour sa propre masse de protéines : l’horloge de Palade, la membrane qu’elle doit recycler, le signal qui adresse la protéine, jusqu’au temps de transit d’une enzyme digestive

Une cellule acineuse pancréatique est un cube de $12\,\text{µ}\mathrm{m}$ de côté, dont la face apicale ( $144\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ ) donne sur le canal et la face basale sur le sang. Un pancréas humain de $80\,\mathrm{g}$ contient environ $8 \times 10^{10}$ cellules de ce type et sécrète $10\,\mathrm{g}$ de protéines enzymatiques par jour. Un granule de sécrétion est une sphère de $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de diamètre contenant des protéines à $200\,\mathrm{mg}/\mathrm{mL}$ . Les ribosomes ajoutent $5\,$ acides aminés par seconde ; une enzyme typique compte $250\,$ résidus de masse moyenne $110\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

Partie I — L’horloge de Palade. La figure du marquage-chasse du chapitre donne la localisation du marquage au cours du temps.

Pourquoi le marquage doit-il être bref et la chasse contenir un large excès d’acide aminé non marqué ?
Relever l’instant auquel le marquage culmine dans le RE, dans le Golgi et dans les granules.
Estimer le temps de transit du RE au Golgi et du Golgi au granule.
Où est le marquage à $60\,\mathrm{min}$ , et pourquoi une partie a-t-elle déjà quitté la cellule alors que l’essentiel est encore dans les granules ?
Une seconde expérience est menée à $15\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : le marquage reste dans le RE plus d’une heure. Interpréter.

Partie II — La masse de protéines.

Calculer les protéines sécrétées par cellule et par jour, en picogrammes.
Calculer le volume d’un granule et la masse de protéines qu’il contient.
Calculer le nombre de granules libérés par cellule et par jour, puis par minute.
Calculer le volume de la cellule et, avec une masse volumique de $1.05\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ , sa masse. Quelle fraction de sa propre masse sécrète-t-elle chaque jour ?
Calculer le nombre de molécules d’enzyme dans un granule (nombre d’Avogadro $6.0 \times 10^{23}$ ).
Calculer le temps qu’il faut à un ribosome pour fabriquer une molécule d’enzyme.
Combien de ribosomes doivent travailler sans arrêt pour assurer la production quotidienne ? Comparer avec les $4 \times 10^{6}$ ribosomes que contient une telle cellule.

Partie III — La membrane.

Calculer la surface membranaire d’un granule.
Calculer la membrane livrée chaque jour à la face apicale par l’exocytose des granules de la question 8.
Combien de fois par jour la surface de la face apicale est-elle ajoutée ? Que doit en faire la cellule, et par quel processus ?
La membrane des granules vient du Golgi, qui la reçoit du RE. Si le RE de la cellule a $20\,000\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ de membrane, à combien de jours de membrane de granules cela correspond-il ? Que dit ce résultat sur le recyclage à l’intérieur du système endomembranaire ?
La face apicale porte $2000\,$ microvillosités de $0.1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de diamètre et de $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de long. De quel facteur agrandissent-elles la face de $144\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ ?

Partie IV — L’adresse portée par la protéine.

L’ARNm d’une enzyme traduit en tube à essai sans membranes donne une chaîne plus longue de $20\,$ résidus que l’enzyme trouvée dans les granules. Où sont ces résidus supplémentaires et que sont-ils ?
En présence de vésicules de RE, le produit a la bonne longueur, se trouve dans les vésicules et est protégé d’une protéase. Interpréter.
La même expérience avec l’ARNm d’une enzyme cytosolique donne un produit à l’extérieur des vésicules et non protégé. Conclure.
Une mutation supprime les vingt résidus. Prédire où l’enzyme aboutit et ce qu’il advient de la cellule.
Une autre enzyme se retrouve dans les lysosomes plutôt que dans les granules. Elle porte le même type de séquence signal. Où le long de la voie la seconde décision doit-elle être prise, et par quel mécanisme, dans ses grandes lignes ?
Une cellule est traitée par une substance qui bloque la synthèse d’ATP. Prédire où s’accumule le marquage d’un marquage-chasse et pourquoi (deux raisons).
Combiner les questions 3 et 8 : en régime stationnaire, combien de granules sont « en transit » entre le RE et le granule à chaque instant ?
Résumer le résultat : le temps de transit de la synthèse au granule, le temps jusqu’à la sécrétion, le nombre de granules libérés par minute, et la fraction de sa propre masse que la cellule sécrète chaque jour.

Solution

Solution de Problème 6.1.

1. Un marquage bref étiquette une cohorte étroite de molécules, de sorte que leur position marque un seul instant ; l’excès d’acide aminé froid arrête toute incorporation ultérieure, de sorte que la cohorte n’est pas étalée par des synthèses plus tardives. 2. RE : $3\,\mathrm{min}$ (point le plus précoce) ; Golgi et vacuoles de condensation : vers $15\,\mathrm{min}$ ; granules : vers $60\,\mathrm{min}$ . 3. Du RE au Golgi environ $10\,\mathrm{min}$ ; du Golgi au granule environ $45\,\mathrm{min}$ . 4. Surtout dans les granules ( $70\,\%$ ), un dixième dans le Golgi, un dixième déjà sécrété : la voie constitutive et les premiers granules formés en libèrent une part, tandis que l’essentiel attend un stimulus. 5. Le bourgeonnement et le transport des vésicules exigent de l’énergie et des membranes fluides ; au froid, l’étape RE-Golgi s’arrête et la protéine s’accumule en amont du blocage. 6. $10\,\mathrm{g}/8 \times 10^{10} = 1.25 \times 10^{-10}\,\mathrm{g} = 125\,\mathrm{pg}$ par cellule et par jour. 7. $V = \frac{\pi}{6}(1)^3 = 0.52\,\text{µ}\mathrm{m}^{3} = 5.2 \times 10^{-13}\,\mathrm{mL}$ ; protéines $1.05 \times 10^{-13}\,\mathrm{g} = 0.1\,\mathrm{pg}$ . 8. $125/0.1 = 1250$ granules par jour, $0.87$ par minute. 9. $V = 12^3 = 1728\,\text{µ}\mathrm{m}^{3} = 1.73 \times 10^{-9}\,\mathrm{cm}^{3}$ ; masse $1.8 \times 10^{-9}\,\mathrm{g}$ = $1800\,\mathrm{pg}$ . Elle sécrète $125/1800 = 7\%$ de sa masse par jour (la cellule entière n’est qu’à $20\,\%$ de protéines, soit le tiers de son contenu protéique). 10. Masse molaire $250\times 110 = 27\,500\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $1.05 \times 10^{-13}\,\mathrm{g}/27500\times6 \times 10^{23} = 2.3 \times 10^{6}$ molécules. 11. $250/5 = 50\,\mathrm{s}$ . 12. Molécules par jour $1250\times2.3 \times 10^{6} = 2.9 \times 10^{9}$ ; un ribosome en fait $86\,400/50 = 1728$ par jour ; il en faut $1.7 \times 10^{6}$ , soit environ $40\,\%$ de ceux de la cellule. 13. $\pi d^2 = 3.14\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ . 14. $1250\times 3.14 = 3900\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ . 15. $3900/144 = 27$ fois : la cellule récupère la même surface par endocytose et la rend au Golgi. 16. $20\,000/3900 = 5$ jours : le RE ne pourrait fournir que cinq jours de membrane de granules si rien ne revenait ; la membrane doit être recyclée continûment. 17. Chaque microvillosité $\pi\times 0.1\times 1 = 0.31\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ ; $630\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ pour 2000 ; facteur $5.4$ . 18. En tête de la chaîne : la séquence signal, vingt résidus pour la plupart hydrophobes. 19. Le signal a dirigé la chaîne naissante dans les vésicules, où une peptidase du signal l’a ôté ; la membrane met la protéine à l’abri de la protéase. 20. Seules les protéines munies d’un signal entrent dans le RE ; une protéine cytosolique n’en a pas et reste dehors. 21. L’enzyme est fabriquée sur des ribosomes libres et reste dans le cytosol ; étant une enzyme digestive (sous forme de précurseur inactif elle fait peu de dégâts, mais si elle est activée) elle digérerait la cellule de l’intérieur. 22. Dans le Golgi trans : l’enzyme lysosomale porte une marque distinctive (un sucre phosphorylé) reconnue par un récepteur qui l’emballe dans des vésicules à destination des lysosomes plutôt que dans des granules de sécrétion. 23. Dans le RE (et le Golgi) : la formation des vésicules, le transport par moteurs le long des microtubules et la fusion des membranes consomment tous de l’ATP ; et la synthèse protéique elle-même s’arrête, de sorte que le marquage n’est même pas mené à son terme. 24. $45\,\mathrm{min}$ de transit à $0.87$ granule par minute : l’équivalent d’environ $40\,$ granules de protéines en transit. 25. Transit de la synthèse au granule environ $45\,\mathrm{min}$ ( $55\,\mathrm{min}$ en comptant le RE), sécrétion après environ deux heures dans l’expérience (quatre heures ou plus dans la glande vivante, puisque les granules attendent un repas) ; $0.9\,$ granule libéré par minute ; $7\,\%$ de la masse de la cellule par jour.

Termes définis dans ce chapitre

Voir les 479 termes du glossaire