Adressage et devenir des protéines cellulaires
I. Routage intracellulaire des protéines
Une cellule de mammifère contient 1010 molécules de 104 sortes
différentes. Toutes ces protéines sont synthétisées par les
ribosomes dans le cytosol ou sur la face cytosolique du
réticulum granuleux et sont ensuite distribuées spécifiquement
vers les compartiments cellulaires adéquats .
Le cheminement intracellulaire des protéines peut être suivi
par autoradiographie en utilisant des acides aminés
radioactifs ( leucine marqué au C14 , méthionine marquée au S
35). Les cellules sont incubées pendant un temps bref avec
l’acide aminé marqué puis remises en contact avec l’acide
aminé froid (pulse chase); les cellules sont fixées aprés un
temps de culture variable ; la préparation contrastée pour la
microscopie électronique est recouverte d’une couche de
pellicule photographique .
Ex de la sécrétion pancréatique : la radioactivité est d’abord
localisé dans le réticulum endoplasmique , puis dans le Golgi
avant de se situer dans les granules de sécrétions .
Cytosol -------> cytosol
--------> mitochondries , peroxysomes , noyau ( import post
traductionnel )
Reticulum ( import
co-traductionnel ) --------> Réticulum
--------> Golgi
--------> Membrane plasmique
--------> Lysosomes
--------> Vésicules de sécrétion
Dans leur
parcours intracellulaire , les protéines peuvent :
- soit passer à travers une bicouche lipidique (réticulum ,
mitochondrie..); une protéine réceptrice et translocatrice
assure le déroulement de la protéine transportée et son
passage à travers la bicouche lipidique hydrophobe .
- soit cheminer d’un compartiment subcellulaire à l’autre en
étant empaquetées dans des vésicules de transport (flux
membranaire).
Des signaux chimiques de reconnaissance
permettent d’adresser les protéines vers leur compartiment de
destination ; ce sont :
- soit des séquences d’acides aminés situés à l’extrémité ou à
l’intérieur de la protéine ; ces séquences sont étudiées grâce
aux méthodes de la biologie moléculaire qui permettent de
faire exprimer ou d’empêcher l’expression de la séquence
d’intérêt; ces modifications de structure entraînent des
changements dans la distribution cellulaire des protéines .
Ex:
* Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala est une séquence
hydrophobe qui permet l’adressage vers la membrane du
réticulum
* Lys-Asp-Glu-Leu-COO- permet à la protéine de rester dans la
lumière du réticulum
* Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val est une séquence d’acides
aminés à charge positive qui permet le transfert de la
protéine vers le noyau. Ce signal de localisation nucléaire (NLS:
nuclear localization signal) est reconnu par un récepteur de
protéine à NLS (NBP) qui facilite son passage à travers les
pores de la membrane nucléaire. A l’intérieur du noyau NBP
libère la protéine et est exporté dans le cytoplasme.
- soit des zones signals : ces zones sont formées par le
rapprochement dans l’espace de certaines séquences d’acides
aminés sur la protéine repliée; ces zones sont actuellement
très difficilement étudiables .
-Les protéines destinées aux lysosomes bénéficient de
l’addition d’un groupement phosphate sur un résidu mannose en
position 6. Le mannose-6-P est un signal d’adressage
spécifique vers le lysosome. Des portions spécialisées de la
membrane du Golgi contiennent des récepteurs pour le
mannose-6P; à ces endroits se forment les vésicules, entourées
de clathrine, qui se dirigeront vers les lysosomes ; ces
vésicules fusionnent avec le lysosome et y déversent leur
contenu sous l’influence du pH acide ; les récepteurs au
mannose-6-P ainsi que les membranes retournent à vide vers le
Golgi; cette navette assure les processus de recyclage pour
limiter le travail de synthèse de membranes et de récepteurs
de la cellule .
- pour les protéines destinées à la membrane plasmique : une
mannosidase coupe un mannose et greffe à la place une
N-acétyl-glucosamine : ce résidu est un message chimique
d’adressage spécifique pour la membrane plasmique. Il s’agit
d’une sécrétion permanente (ou constitutive) qui assure le
renouvellement des protéines et des lipides membranaires.
- pour les protéines devant être sécrétées à l’extérieur de la
cellule , des enzymes ajoutent un résidu galactose ou une
molécule d’acide sialique. La clathrine permet la formation de
vacuoles de sécrétion qui s’accumulent et seront libérées lors
d’un stimulus impliquant un mécanisme de transduction du
signal. Il s’agit d’une sécrétion intermittente et controlée.
Pour pouvoir fusionner à la membrane plasmique, les vésicules
doivent être “compétentes” et être dotées de protéines de
fusion. Certains virus possèdent des protéines de fusion
similaires pour faciliter leur exocytose; ces protéines sont
utilisées en biologie pour faciliter la fusion cellulaire
(protéine de capsule du virus de Sendaï).
II.
Dégradation des protéines
La quantité d'une protéine dans une cellule résulte d'un
équilibre entre sa synthèse et sa dégradation. Les variations
du taux cellulaire de protéines jouent un rôle essentiel dans
la physiologie cellulaire: ex dégradation périodique des
cyclines au cours du cycle cellulaire, dégradation ou synthèse
du cytochrome P450 en fonction des besoins (induction
enzymatique), synthèse ou dégradation des enzymes du
métabolisme glucidique aprés les repas ou au cours du jeûne,
dégradation de I-kB, une protéine qui bloque la transcription
des cytokines, au cours du processus inflammatoire. Certaines
enzymes sont remplacées en quelques dizaines de minutes; les
protéines du coeur ou du cerveau sont plus stables (quelques
jours). La synthèse et la dégradation protéique représentent
environ 280 g/ jour pour un adulte. Les protéines dégradées
(pertes de la structure tertiaire ou quaternaire) ou vieillies
doivent être détruites en acides aminés qui sont réutilisés
pour la synthèse de protéines intactes.
On distingue deux voies de dégradation
des protéines:
- la voie lysosomale
: les protéines sont intégrées avec
l'organite auquel elles appartiennent dans les phagosomes qui
fusionnent avec les lysosomes (dégradation des lipoprotéines,
destruction des mitochondries, dégradation des récepteurs
hormonaux...). Dans d'autres cas, les protéines sont
importées, liées à des protéines de choc thermique (HSP70),
dans le lysosome par des transporteurs de la famille ABC (ATP-binding
cassett)
- la voie ubiquitine-protéasome : cette voie se déroule
dans le cytosol. Elle requiert de l'énergie fournie par l'ATP.
Dans un premier temps, l'ubiquitine est activée par le facteur
E1, puis transférée sur le facteur E2. Le facteur
E2-ubiquitine est transféré sur la protéine à dégrader. Cinq
ou plus résidus ubiquitines sont fixés (poly-ubiquitinylation).
La protéine ubiquitinilée est reconnue par la sous-unité 19s
du protéasome puis dégradée par le core du protéasome (sous-unité
20s) en petits peptides et acides aminés.
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