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5.4 : Résumé - Organelles - Biologie

5.4 : Résumé - Organelles - Biologie


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Résultats d'apprentissage

  • Décrire la composition de base du cytoplasme
  • Décrire la structure et la fonction du noyau et de la membrane nucléaire
  • Décrire la structure, la fonction et les composants du système endomembranaire
  • Décrire la structure et la fonction des ribosomes
  • Décrire la structure et la fonction des mitochondries
  • Décrire la structure et les fonctions des vésicules
  • Décrire la structure et la fonction des peroxysomes
  • Démontrer une familiarité avec divers composants du cytosquelette
  • Décrire la structure et les fonctions des flagelles et des cils
  • Expliquer la structure et la fonction des membranes cellulaires
  • Identifier les organites clés présents uniquement dans les cellules végétales, y compris les chloroplastes et les vacuoles
  • Identifier les organites clés présents uniquement dans les cellules animales, y compris les centrosomes et les lysosomes

Le tableau 1 fournit les composants des cellules procaryotes et eucaryotes et leurs fonctions respectives.

Tableau 1. Composants des cellules procaryotes et eucaryotes et leurs fonctions
Composant de celluleFonctionPrésent chez les procaryotes ?Présent dans les cellules animales ?Présent dans les cellules végétales ?
Membrane plasmaSépare la cellule de l'environnement extérieur ; contrôle le passage des molécules organiques, des ions, de l'eau, de l'oxygène et des déchets dans et hors de la celluleOuiOuiOui
CytoplasmeFournit une structure à la cellule ; site de nombreuses réactions métaboliques; milieu dans lequel se trouvent les organitesOuiOuiOui
NucléoïdeEmplacement de l'ADNOuiNonNon
NoyauOrganite cellulaire qui abrite l'ADN et dirige la synthèse des ribosomes et des protéinesNonOuiOui
RibosomesSynthèse des protéinesOuiOuiOui
MitochondriesProduction d'ATP/respiration cellulaireNonOuiOui
PeroxysomesOxyde et décompose les acides gras et les acides aminés, et détoxifie les poisonsNonOuiOui
Vésicules et vacuolesStockage et transport; fonction digestive dans les cellules végétalesNonOuiOui
CentrosomeRôle non spécifié dans la division cellulaire des cellules animales; source de microtubules dans les cellules animalesNonOuiNon
LysosomesDigestion de macromolécules; recyclage des organites usésNonOuiNon
Paroi cellulaireProtection, soutien structurel et maintien de la forme des cellulesOui, principalement le peptidoglycane dans les bactéries mais pas les archéesNonOui, principalement de la cellulose
ChloroplastesPhotosynthèseNonNonOui
Réticulum endoplasmiqueModifie les protéines et synthétise les lipidesNonOuiOui
Appareil de GolgiModifie, trie, marque, conditionne et distribue les lipides et les protéinesNonOuiOui
CytosqueletteMaintient la forme de la cellule, sécurise les organites dans des positions spécifiques, permet au cytoplasme et aux vésicules de se déplacer dans la cellule et permet aux organismes unicellulaires de se déplacer indépendammentOuiOuiOui
FlagellesLocomotion cellulaireCertainsCertainsNon, à l'exception de certains spermatozoïdes de plantes.
cilsLocomotion cellulaire, mouvement des particules le long de la surface extracellulaire de la membrane plasmique et filtrationNonCertainsNon

Comme une cellule procaryote, une cellule eucaryote a une membrane plasmique, un cytoplasme et des ribosomes, mais une cellule eucaryote est généralement plus grande qu'une cellule procaryote, a un véritable noyau (ce qui signifie que son ADN est entouré d'une membrane) et a d'autres membranes. organites liés qui permettent la compartimentation des fonctions. La membrane plasmique est une bicouche phospholipidique enrobée de protéines. Le nucléole dans le noyau est le site d'assemblage des ribosomes. Les ribosomes se trouvent dans le cytoplasme ou sont attachés au côté cytoplasmique de la membrane plasmique ou du réticulum endoplasmique. Ils effectuent la synthèse des protéines. Les mitochondries effectuent la respiration cellulaire et produisent de l'ATP. Les peroxysomes décomposent les acides gras, les acides aminés et certaines toxines. Les vésicules et les vacuoles sont des compartiments de stockage et de transport. Dans les cellules végétales, les vacuoles aident également à décomposer les macromolécules.

Les cellules animales ont également un centrosome et des lysosomes. Le centrosome a deux corps, les centrioles, avec un rôle inconnu dans la division cellulaire. Les lysosomes sont les organites digestifs des cellules animales.

Les cellules végétales ont une paroi cellulaire, des chloroplastes et une vacuole centrale. La paroi cellulaire végétale, dont le composant principal est la cellulose, protège la cellule, fournit un support structurel et donne forme à la cellule. La photosynthèse a lieu dans les chloroplastes. La vacuole centrale se dilate, agrandissant la cellule sans qu'il soit nécessaire de produire plus de cytoplasme.

Le système endomembranaire comprend l'enveloppe nucléaire, le réticulum endoplasmique, l'appareil de Golgi, les lysosomes, les vésicules, ainsi que la membrane plasmique. Ces composants cellulaires travaillent ensemble pour modifier, emballer, étiqueter et transporter les lipides et les protéines membranaires.

Le cytosquelette a trois types différents d'éléments protéiques. Les microfilaments confèrent rigidité et forme à la cellule et facilitent les mouvements cellulaires. Les filaments intermédiaires supportent la tension et ancrent le noyau et d'autres organites en place. Les microtubules aident la cellule à résister à la compression, servent de pistes pour les protéines motrices qui déplacent les vésicules à travers la cellule et attirent les chromosomes répliqués aux extrémités opposées d'une cellule en division. Ils sont également les éléments structurels des centrioles, des flagelles et des cils.

Les cellules animales communiquent à travers leurs matrices extracellulaires et sont reliées les unes aux autres par des jonctions serrées, des desmosomes et des jonctions lacunaires. Les cellules végétales sont connectées et communiquent entre elles par des plasmodesmes.

Question de pratique

Dans le contexte de la biologie cellulaire, qu'entendons-nous par la forme suit la fonction ? Quels sont au moins deux exemples de ce concept ?

[practice-area rows="4″][/practice-area]
[reveal-answer q="596885″]Afficher la réponse[/reveal-answer]
[hidden-answer a="596885″]"La forme suit la fonction" fait référence à l'idée que la fonction d'une partie du corps dicte la forme de cette partie du corps. Par exemple, les organismes comme les oiseaux ou les poissons qui volent ou nagent rapidement dans l'air ou l'eau ont des corps profilés qui réduisent la traînée. Au niveau de la cellule, dans les tissus impliqués dans les fonctions sécrétoires, comme les glandes salivaires, les cellules ont un Golgi abondant.[/hidden-answer]


5.4 : Résumé - Organelles - Biologie

Toutes les cellules, qu'elles soient procaryotes ou eucaryotes, ont des caractéristiques communes. Ces caractéristiques communes sont :

ADN, le matériel génétique contenu dans un ou plusieurs chromosomes et situé dans une région nucléoïde non liée à la membrane chez les procaryotes et un noyau lié à la membrane chez les eucaryotes

Membrane plasma, une bicouche phospholipidique avec des protéines qui sépare la cellule du milieu environnant et fonctionne comme une barrière sélective pour l'importation et l'exportation de matériaux

Cytoplasme, le reste du matériau de la cellule à l'intérieur de la membrane plasmique, à l'exclusion de la région nucléoïde ou du noyau, qui se compose d'une partie fluide appelée cytosol et des organites et autres particules en suspension dans celui-ci

1. Le matériel génétique (ADN) est localisé dans une région appelée nucléoïde qui n'a pas de membrane environnante.

2. La cellule contient un grand nombre de ribosomes qui sont utilisés pour la synthèse des protéines.

3. À la périphérie de la cellule se trouve la membrane plasmique. Chez certains procaryotes, la membrane plasmique se replie pour former des structures appelées mésosomes, dont la fonction n'est pas clairement comprise.

4. À l'extérieur de la membrane plasmique de la plupart des procaryotes se trouve une paroi assez rigide qui donne sa forme à l'organisme. Les parois des bactéries sont constituées de peptidoglycanes. Parfois, il y a aussi une capsule externe. A noter que la paroi cellulaire des procaryotes diffère chimiquement de la paroi cellulaire eucaryote des cellules végétales et des protistes.


Organelles

Une grande partie de ce que vous aurez besoin de savoir s'applique à la structure de des cellules eucaryotes. Ils sont caractérisés par des organites liés à la membrane.

Cytosol et réticulum endoplasmique (RE)

Cytoplasme fait référence au matériau gélatineux contenant des organites.

Si les organites étaient enlevés, la partie soluble qui resterait s'appelle le cytosol. Il se compose principalement d'eau contenant des substances dissoutes telles que des acides aminés.

Le cytosol contient également des protéines et des enzymes plus grosses utilisées dans les réactions au sein de la cellule. Traverser le cytosol est réticulum endoplasmique (RE), un système de cavités aplaties bordées d'une fine membrane. C'est le siège de la synthèse de nombreuses substances dans la cellule et offre ainsi un espace compartimenté dans lequel cela se produit. Les cavités fonctionnent également comme un système de transport par lequel les substances peuvent se déplacer à travers elles d'une partie de la cellule à une autre.

Il existe 2 types de RE - rugueux (RER) et lisse (SER). SER a évidemment l'air d'avoir une surface lisse. C'est là que les lipides et les stéroïdes sont fabriqués, vous vous attendez donc à ce qu'il y ait beaucoup de SER dans les cellules hépatiques où les lipides sont métabolisés.

Le RER a l'air rugueux en surface car il est parsemé de très petits organites appelés ribosomes. Les ribosomes sont constitués de ARN et les protéines et sont le site de la synthèse des protéines (voir ADN et code génétique).

Il peut également y avoir des ribosomes libres dans le cytoplasme, qui sont également le site de la synthèse des protéines. Les protéines (dont les enzymes) qui sont synthétisées se déplacent alors dans les cavités du RER pour être transportées.

Appareil de Golgi

Les Appareil de Golgi est une série de couches aplaties de membranes en forme de plaques.

Les protéines fabriquées par le RER pour être exportées de la cellule sont pincées à l'extrémité de la cavité du RER, de sorte qu'une couche de membrane les entoure. L'ensemble de la structure s'appelle une vésicule. Cette vésicule traversera le cytosol et fusionnera avec la membrane de l'appareil de Golgi.

Dans la cavité de l'appareil de Golgi, les protéines des vaisseaux sont modifiées pour l'exportation - par exemple, en ajoutant un glucide à la protéine. À la fin d'une cavité de Golgi, le produit de sécrétion est pincé afin que la vésicule contenant la substance puisse se déplacer à travers le cytosol jusqu'à la membrane de la surface cellulaire.

La vésicule va fusionner avec cette membrane et ainsi libérer le produit sécrétoire. Si la vésicule contient des enzymes digestives, on parle de lysosome. Les lysosomes peuvent être utilisés à l'intérieur de la cellule pendant l'endocytose ou pour décomposer les anciens organites redondants.

Mitochondries

Une cellule typique peut contenir 1 000 mitochondries, bien que certaines en contiennent beaucoup plus. Généralement, ce sont des organites en forme de boudin dont les parois sont constituées de 2 membranes.

La membrane interne est repliée vers l'intérieur pour former des projections appelées crêtes. A l'intérieur se trouve le matrice.

La plupart des réactions de la respiration aérobie ont lieu dans les mitochondries, c'est donc un organite incroyablement important.

Pendant la respiration, de l'ATP est produit, qui est utilisé pour fournir de l'énergie pour les réactions des cellules. La majeure partie de l'ATP est produite sur la membrane mitochondriale interne. Elle est fortement pliée, de sorte qu'il y a une surface maximale disponible.

Paroi cellulaire et chloroplastes

Ceux-ci ne se trouvent que dans les cellules végétales.

Les chloroplastes seront discutés dans la photosynthèse - mais, comme les mitochondries - ils ont un enveloppe de deux membranes constituant le "mur" extérieur.

Ils ont des paires de membranes appelées thylakoïdes disposés en piles, chaque pile étant appelée un granum. Connecter différents grana ensemble sont thylakoïdes intergranulaires. Autour des membranes internes, à l'intérieur de l'enveloppe se trouve le stroma.

Les réactions de photosynthèse ont lieu dans les membranes et le stroma du chloroplaste.

La paroi cellulaire est rigide et constituée de fibres de cellulose passant par un mélange d'autres polysaccharides (sucres plus complexes) tels que les pectines et les hémicelluloses.

Le collant lamelle moyenne qui maintient les cellules voisines ensemble est composé de pectate de calcium et de pectate de magnésium.

Dans les cellules jeunes, les fibrilles de cellulose de la paroi cellulaire primaire sont parallèles les unes aux autres. Dans les cellules plus anciennes, une paroi cellulaire secondaire peut être posée là où les fibres sont toutes parallèles les unes aux autres, mais à un angle différent de celui de la paroi cellulaire primaire.

La paroi cellulaire est entièrement perméable à moins qu'une substance appelée lignine se dépose dans les couches cellulosiques. La lignine rend la paroi cellulaire très solide et résistante aux contraintes, mais elle la rend également imperméable. Si tous les espaces entre les fibres sont comblés, la paroi devient complètement imperméable et la cellule mourra.

Noyau

Le noyau est séparé du cytoplasme environnant par la double membrane qui l'entoure, le enveloppe nucléaire. Cela régule le flux de substances entrant et sortant du noyau.

A certains endroits autour du noyau, les 2 membranes fusionnent pour créer pores nucléaires - ce sont des canaux par lesquels les substances peuvent se déplacer. L'extérieur des 2 membranes est en continuité avec le RE.

Dans l'enveloppe nucléaire se trouve le nucléoplasme. Dans celui-ci se trouvent des chromosomes filiformes suspendus (pour la structure des chromosomes, voir ADN et code génétique).

Une autre structure au sein du noyau est le nucléole. L'ARN, qui sera transformé en ribosomes, est synthétisé dans le nucléole.

Autres organites

Vacuole: un espace rempli de liquide dans le cytoplasme entouré d'une membrane appelée tonoplaste. Il contient une solution de sucres et de sels appelée la cellule sève.

Microtubules: structures creuses en forme de tige avec des parois de protéine de tubuline. Ils fournissent le support structurel des cellules et peuvent faciliter le transport à travers la cellule.

Microfilaments: structures en bâtonnets constituées de protéines contractiles. Encore une fois, comme les microtubules, fournissent un soutien et facilitent le mouvement.

Centrioles: une paire de courts cylindres creux, généralement trouvés près du noyau d'une cellule animale. Ils sont impliqués dans la formation des fibres fusiformes utilisées dans la mitose (voir Apprentissage de la reproduction et du cycle cellulaire).

cils: tubes creux s'étendant à l'extérieur de certaines alvéoles. Ils déplacent le liquide qui se trouve à l'extérieur de la cellule - par exemple, les cellules ciliées qui tapissent les voies respiratoires déplacent le mucus loin des poumons.

Flagelles: semblable aux cils, quoique plus longs. Utilisé dans le mouvement de la cellule entière. La seule structure comme celle-ci chez l'homme est la queue du sperme.

Étude de la fonction des organites cellulaires

Pour obtenir des informations fiables sur l'activité d'un organite, il est nécessaire de l'isoler et de le tester individuellement.

Tout d'abord, les cellules sont ouvertes ou le fractionnement des cellules se produit pour produire un homogénat ou une suspension. Cela se fait à l'aide d'un mélangeur avec les cellules dans une solution froide isotonique. Parce que la solution est isotonique, les organites ne gagnent pas ou ne perdent pas d'eau par osmose et comme il fait froid, l'action des enzymes, qui pourraient endommager les organites, est empêchée.

Une centrifugation différentielle de la suspension est ensuite réalisée. Un tube contenant la suspension est mis en rotation dans une centrifugeuse à une vitesse qui fait que les organites les plus lourds sont jetés au fond, formant un sédiment. Les autres organites plus légers restent flottants dans le liquide surnageant clair au-dessus du sédiment.

Le sédiment peut être retiré et l'activité des organites les plus lourds tels que le noyau, déterminée. Le surnageant peut ensuite être tourné à une vitesse plus rapide afin que les organites plus légers comme les mitochondries sédimentent.


Les spermatozoïdes sont hautement adaptés pour livrer leur ADN à un ovule

Les spermatozoïdes typiques sont des cellules « dépouillées » équipées d'un puissant flagelle pour les propulser à travers un milieu aqueux mais non encombrées d'organites cytoplasmiques telles que les ribosomes, le réticulum endoplasmique ou l'appareil de Golgi, qui sont inutiles pour la tâche de délivrer l'ADN à l'œuf. Le sperme, cependant, contient de nombreuses mitochondries stratégiquement placées là où elles peuvent le plus efficacement alimenter le flagelle. Le sperme est généralement constitué de deux régions morphologiquement et fonctionnellement distinctes entourées d'une seule membrane plasmique : la queue, qui propulse le sperme vers l'ovule et l'aide à creuser à travers le manteau de l'ovule, et le diriger, qui contient un noyau haploïde condensé (Figure 20-25). L'ADN dans le noyau est extrêmement compact, de sorte que son volume est réduit au minimum pour le transport, et la transcription est arrêtée. Les chromosomes de nombreux spermatozoïdes se sont débarrassés des histones des cellules somatiques et sont à la place remplis de protéines simples hautement chargées positivement appelées protamines.

20-25

Un spermatozoïde humain. Il est représenté en coupe longitudinale.

Dans la tête de la plupart des spermatozoïdes animaux, étroitement apposée à l'extrémité antérieure de l'enveloppe nucléaire, se trouve une vésicule de sécrétion spécialisée appelée vésicule acrosomale (voir la figure 20-25). Cette vésicule contient des enzymes hydrolytiques qui peuvent aider les spermatozoïdes à pénétrer dans la couche externe de l'ovule. Lorsqu'un spermatozoïde entre en contact avec un ovule, le contenu de la vésicule est libéré par exocytose dans ce qu'on appelle réaction acrosomique dans certains spermatozoïdes, cette réaction expose ou libère également des protéines spécifiques qui aident à lier étroitement les spermatozoïdes à la couche de l'ovule.

La queue mobile d'un spermatozoïde est un long flagelle, dont l'axonème central émane d'un corps basal situé juste en arrière du noyau. Comme décrit au chapitre 16, l'axonème se compose de deux microtubules singuliers centraux entourés de neuf doublets de microtubules régulièrement espacés. Le flagelle de certains spermatozoïdes (y compris ceux des mammifères) diffère des autres flagelles en ce que le motif habituel 9 + 2 de l'axonème est en outre entouré de neuf fibres denses externes (Figure 20-26). Ces fibres denses sont rigides et non contractiles, et on ne sait pas quel rôle elles jouent dans la flexion active du flagelle, qui est provoquée par le glissement des doublets de microtubules adjacents les uns sur les autres. Le mouvement flagellaire est entraîné par les protéines motrices de la dynéine, qui utilisent l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP pour faire glisser les microtubules, comme indiqué au chapitre 16. L'ATP est généré par des mitochondries hautement spécialisées dans la partie antérieure de la queue du spermatozoïde (appelée le pièce intermédiaire), où l'ATP est nécessaire (voir les figures 20-25 et 20-26).

20-26

Dessin de la pièce intermédiaire d'un spermatozoïde de mammifère vu en coupe transversale au microscope électronique. Le noyau du flagelle est composé d'un axonème entouré de neuf fibres denses. L'axonème se compose de deux microtubules singulet entourés de neuf microtubules (plus. )


Quelles sont les parties de la cellule?

Vous êtes-vous déjà demandé à quoi ressemble l'intérieur d'une cellule ? Si vous pensez aux pièces de nos maisons, l'intérieur de toute cellule animale ou végétale possède de nombreuses structures semblables à des pièces appelées organites. Chaque organelle est un lieu où sont effectués des travaux spécifiques.

Les cellules végétales et animales ont beaucoup des mêmes organites. Mais dans certains cas, les organites dans les cellules sont différents. Par exemple, dans les cellules végétales, il existe plus de types d'organites que dans les cellules animales. Et les cellules fongiques ont des organites que l'on ne trouve dans aucun autre type de cellule. Vous trouverez ci-dessous quelques noms et descriptions d'organites que l'on trouve couramment dans certaines cellules. Il existe également une visionneuse de cellules interactive et un jeu qui peuvent être utilisés pour en savoir plus sur les parties des cellules animales, végétales, fongiques et bactériennes. Les cellules archées sont très similaires aux cellules bactériennes et n'ont donc pas été incluses séparément.

Membrane plasma - La membrane renfermant une cellule est constituée de deux couches lipidiques appelées membrane « bilipide ». Les lipides présents dans la membrane plasmique sont appelés « phospholipides ».

Ces couches lipidiques sont constituées d'un certain nombre de blocs de construction d'acides gras. L'acide gras qui compose cette membrane a deux parties différentes : une petite tête qui aime l'eau et une tête hydrophile. Hydroélectrique représente l'eau et philique signifie aimer ou aimer. L'autre partie de cet acide gras est une longue queue hydrofuge ou détestant l'eau.

Cette queue est hydrophobe- Hydroélectrique représente l'eau et phobique signifie peur. La membrane plasmique est agencée de telle sorte que les queues se font face à l'intérieur et les têtes sont tournées vers l'extérieur de la membrane.
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Canaux/pores- Un canal dans la membrane plasmique de la cellule. Ce canal est composé de certaines protéines qui contrôlent le mouvement des molécules, y compris la nourriture et l'eau, dans la cellule.
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Paroi cellulaire et plasmodesmes - En plus des membranes cellulaires, les plantes ont des parois cellulaires. Les parois cellulaires protègent et soutiennent les plantes. Chez les plantes terrestres, la paroi cellulaire est principalement constituée de cellulose.

Contrairement aux membranes cellulaires, les matériaux ne peuvent pas traverser les parois cellulaires. Ce serait un problème pour les cellules végétales s'il n'y avait pas d'ouvertures spéciales appelées plasmodesmes.

Ces ouvertures sont utilisées pour communiquer et transporter des matériaux entre les cellules végétales car les membranes cellulaires sont capables de toucher et donc d'échanger les matériaux nécessaires.
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Cloison de la paroi cellulaire et pores - Les cellules fongiques ont à la fois des membranes cellulaires et des parois cellulaires, comme les cellules végétales. Les parois cellulaires offrent protection et soutien. Les parois cellulaires fongiques sont en grande partie constituées de chitine, qui est la même substance dans les exosquelettes d'insectes.

Parce que les matériaux ne peuvent pas traverser les parois cellulaires, les cellules fongiques ont des ouvertures spéciales appelées pores. Les matériaux peuvent être déplacés entre les cellules fongiques à travers les pores.

Certaines cellules fongiques ont également un septum (au pluriel septa) qui sont des parois internes spéciales entre les cellules que l'on trouve dans de longs cordons ou brins en forme de tube appelés hyphes.


MATÉRIAUX ET MÉTHODES

Construction de souche de levure

Des méthodes standard ont été utilisées tout au long. Toutes les souches utilisées dans cette étude étaient congéniques w303 (MATa his3-11,15 trp1-1 leu2-3 ura3-1 ade2-1). Tous les gènes d'ancrage ont été clonés à partir du génome directement et marqués avec PhyB (aa 1-908) et mCherry à l'extrémité N-terminale avec un linker 15-aa (EFDSAGSAGSAGGSS) entre le PhyB et mCherry et un linker 10-aa (SAGSAGKASG) entre mCherry et gène d'ancrage. GAL80 et CLB2 endogènes ont été marqués avec mCitrine et PIF à l'extrémité C-terminale avec un lieur 11-aa (AAAGDGAGLIN) entre GAL80/CLB2 et mCitrine. CLB1 a été supprimé en utilisant le fragment KanMX2. SPC42 endogène a été marqué avec de la GFP à l'extrémité C-terminale avec un lieur 11-aa (AAAGDGAGLIN). Toutes les souches ont été caractérisées par séquençage de produits PCR.

Microscopie accélérée

Des cellules en croissance exponentielle dans un milieu liquide synthétique ont été ensemencées sur de minces plaques d'agarose de 1,5 à 2 % du même milieu. Pour les expériences de titrage et de contrôle spatial, les cellules ont été ensemencées sur des plaques à puits recouvertes de concanavaline A avec des fonds de lamelle de 0,17 µm. Plusieurs positions différentes ont été suivies simultanément. Pour la plupart des expériences, des piles de neuf images ont été acquises toutes les 3 min à 30 °C, avec une exposition de 30 ms pour le canal vert et de 50 ms pour le canal rouge. Pour les expériences de réversibilité, une seule image a été acquise pour chaque point dans le temps. Pour les expériences de contrôle de la lumière, le PCB a été ajouté aux cellules 2 h avant l'imagerie avec une concentration finale de 27 M (stock, 5,4 mM dans du diméthylsulfoxyde). Le PCB a été purifié selon Toettcher et al. (2011b) ou achetés auprès de ChemPep (Wellington, FL). Parce que la lumière ambiante active le système, les cellules ont été maintenues dans l'obscurité une fois que le PCB a été ajouté.

Pour la plupart des expériences, des microscopies de fluorescence et de phase ont été réalisées à l'Université de Californie, San Francisco (UCSF), Nikon Imaging Center à l'aide d'un microscope inversé TE2000U (Nikon, Melville, NY) avec un éclairage confocal à disque rotatif Yokogawa CSU22 (Solamere Technology Group, Salt Lake City, UT) et une caméra CCD Cascade II (Photometrics, Tucson, AX). Les images ont été acquises à l'aide du logiciel Micromanager (http://micromanager.org/) et analysées à l'aide d'ImageJ (National Institutes of Health, Bethesda, MD) avec le plug-in SpotTracker2D (http://bigwww.epfl.ch/sage/soft /spottracker/gasser.html). La toxicité potentielle des PCB et de l'éclairage par fluorescence a été évaluée dans des expériences de contrôle (Figure supplémentaire S1).

Des expériences de titrage et de contrôle spatial ont été réalisées sur un microscope inversé Nikon Eclipse Ti en utilisant une fluorescence à réflexion interne totale 100× PlanApo, un objectif à ouverture numérique 1,49, une lampe à arc au xénon (Sutter Instrument, Novato, CA) et une charge multiplicatrice d'électrons Evolve. -appareil photo couplé (photométrie). Pour ces expériences, le microscope, les positions dichroïques, les filtres, les obturateurs et la caméra ont été contrôlés à l'aide du progiciel open source Micromanager avec un code Matlab personnalisé supplémentaire (Toettcher et al., 2011a). Les images d'épifluorescence ont été débruitées informatiquement en collaboration avec John Sedat (UCSF), à l'aide d'un algorithme intégré au progiciel d'analyse d'images Priism (Kervrann et Boulanger, 2006).

Pour activer et désactiver complètement les expériences de contrôle de la lumière, nous avons utilisé une diode électroluminescente de 650 nm et une diode électroluminescente de 750 nm (LED Lightspeed Technologies, Campbell, CA), qui sont directement fixées sur le condenseur du microscope. Pour les expériences de titrage et de contrôle spatial, nous avons utilisé une LED 650 nm et deux LED 750 nm (Lightspeed Technologies). L'intensité lumineuse a été contrôlée en changeant la tension appliquée (0-5 V). La tension a été contrôlée à l'aide d'un code Matlab personnalisé en connectant les LED aux sorties analogiques d'une carte DT9812 (Data Translation, Marlboro, MA). Pour le contrôle spatial, des motifs de lumière LED définis par l'utilisateur ont été projetés sur l'échantillon à l'aide d'un dispositif à micromiroir numérique à double entrée personnalisé (DMD Andor, Belfast, Royaume-Uni). Les pixels de cet appareil peuvent être dans deux états, ON ou OFF Les pixels ON sont illuminés à la fois par une lumière de 650 et 750 nm, et les pixels OFF sont illuminés par la deuxième source lumineuse de 750 nm avec une tension constante. L'exposition de l'échantillon à la lumière DMD a été contrôlée à l'aide d'un filtre passe-court de 620 nm (Chroma Technology, Brattleboro, VT). De plus, nous avons utilisé un filtre d'émission passe-court pulvérisé de 625 nm (Chroma) pour empêcher la lumière DMD d'atteindre la caméra pendant l'imagerie, ce qui nous permet de maintenir le filtre passe-court de 620 nm en place (et ainsi de continuer à exposer l'échantillon à une lumière de 650 et 750 nm) pendant que les images étaient collectées.

Analyses d'images

La segmentation des images et la quantification de la fluorescence ont été effectuées à l'aide du logiciel Matlab personnalisé et d'ImageJ avec le plug-in Image5D. Projections d'intensité maximale de z-des piles ont été signalées pour la plupart des expériences, à l'exception des images de membrane plasmique. Pour la membrane plasmique, le plan médian a été utilisé.

Pour analyser les mesures d'augmentation/diminution de la concentration lorsque le système est allumé et éteint (figure 5, C et D), les souches de la bibliothèque PhyB étaient des cellules de type sauvage mélangées qui ne contiennent pas de marquage par fluorescence. Des cellules non fluorescentes ont été utilisées pour soustraire l'autofluorescence cellulaire et les images d'ancrage ont été utilisées pour définir la position souhaitée. L'intensité de fluorescence moyenne par pixel a été utilisée pour calculer la diminution/augmentation. En règle générale, 50 à 100 cellules ont été utilisées pour chaque souche d'ancrage.


La santé d'une cellule nécessite le bon fonctionnement, la régulation et le contrôle de la qualité de ses organites, les compartiments membranaires à l'intérieur de la cellule qui effectuent ses tâches biochimiques essentielles. Le vieillissement perturbe généralement l'homéostasie des organites, causant des problèmes de santé cellulaire qui peuvent stimuler l'initiation et la progression de maladies dégénératives et de pathologies associées. Ici, nous discutons des preuves émergentes indiquant que les défauts liés à l'âge dans l'homéostasie des organites découlent en partie d'un dysfonctionnement du système autophagie-lysosome, un acteur essentiel du contrôle de la qualité cellulaire et de l'élimination des dommages. Nous mettons également en évidence des exemples naturels de la biologie où une activité accrue du système autophagie-lysosome pourrait être exploitée pour effacer les dommages des organites liés à l'âge, ce qui soulève des implications potentielles pour le rajeunissement cellulaire.

Dans les cellules eucaryotes, les déchets moléculaires et les matériaux endommagés peuvent être livrés aux lysosomes pour une dégradation enzymatique via l'autophagie [1]. Au cours de ce processus, des vésicules autophagiques, appelées autophagosomes, se forment autour d'une cargaison sélectionnée, puis fusionnent avec le lysosome pour permettre une dégradation ciblée. Bien que les autophagosomes aient été observés pour la première fois en microscopie électronique au milieu des années 1950 [2], ce n'est que près de 40 ans plus tard que les premiers gènes de l'autophagie ont été identifiés chez la levure [3-5]. Depuis lors, des percées dans l'imagerie des cellules vivantes ont permis une imagerie sophistiquée et en temps réel du processus autophagique chez plusieurs espèces eucaryotes, y compris les animaux [6,7]. De plus, une boîte à outils pharmacologique en expansion de molécules qui modifient l'activité autophagique in vivo (tableau 1) a facilité la manipulation de ce système dans des organismes vivants et a ouvert des perspectives thérapeutiques intéressantes.

Une caractéristique déterminante du système autophagie-lysosome est sa capacité unique à recalibrer l'homéostasie cellulaire en réponse aux besoins d'une cellule. Si une cellule est soumise à un stress intrinsèque ou extrinsèque, l'activation de l'autophagie peut aider à effacer les dommages moléculaires et à recycler le matériel nécessaire pour soutenir les fonctions biologiques de base [1]. Lorsque ces mécanismes échouent, le stress peut s'amplifier, entraînant un effondrement irréparable de l'homéostasie cellulaire. Notamment, le vieillissement s'accompagne de plusieurs signes moléculaires de stress. À mesure que les cellules vieillissent, l'instabilité génétique augmente, les protéines se regroupent en agrégats non fonctionnels et les organites, les mini-usines cellulaires qui exécutent des fonctions de signalisation et métaboliques distinctes, deviennent endommagées et inefficaces [8]. Cet effondrement de la santé cellulaire et de l'homéostasie lié à l'âge est-il lié à des défauts d'autophagie ?

Remarquablement, les chercheurs ont découvert qu'une diminution à un âge précoce de l'activité des lysosomes et de l'autophagie peut être un « domino » initial dans la détérioration cellulaire liée à l'âge [9,10]. Conformément à ce modèle, la modification de l'activité autophagique a des effets profonds sur le processus de vieillissement. prolonger la durée de vie [15-17]. Même les centenaires humains [18], comme les animaux mutants à longue durée de vie [19], ont montré des niveaux exceptionnellement élevés d'activité autophagique. Ces découvertes et d'autres mettent en évidence le système autophagie-lysosome comme un lien émergent dans le contrôle du vieillissement et de la longévité (Figure 1). Pourtant, les détails moléculaires de cette régulation restent obscurs.

Figure 1. Modifications de l'autophagie des organites cellulaires au cours du processus de vieillissement. Les lysosomes des cellules jeunes et saines (à gauche) sont acides et dégradent efficacement les déchets cellulaires, y compris les organites si nécessaire. Cela maintient une homéostasie robuste, qui soutient le bon fonctionnement non seulement d'une cellule mais de tout un organisme. Cependant, dans une vieille cellule (à droite), le dysfonctionnement des lysosomes compromet le renouvellement autophagique, provoquant une accumulation d'organites endommagés ainsi que des agrégats de protéines, ce qui conduit à plusieurs pathologies liées à l'âge et entraîne des changements dans la physiologie de l'organisme. Le rétablissement de la dynamique correcte du renouvellement des organites au niveau des lysosomes dans les cellules anciennes pourrait fournir un point d'entrée pour déclencher un rajeunissement de la santé cellulaire et de l'homéostasie. AP, autophagosome.

D'une part, comment les différentes cargaisons autophagiques sont-elles gérées dans les cellules vieillissantes et les changements dans le renouvellement des cargaisons contribuent-ils directement au processus de vieillissement ? De nombreuses études ont étudié comment une autophagie défectueuse empêche la clairance des agrégats protéiques dans les cellules anciennes [20]. Il s’agit d’un axe de recherche important, étant donné que l’altération de l’homéostasie protéique (« protéostase ») est caractéristique de nombreuses maladies liées à l’âge, dont la maladie d’Alzheimer [21]. Pourtant, les organites défectueux sont également communs aux maladies liées à l'âge [22-24], et leur renouvellement est également sensible au dysfonctionnement des lysosomes [1,25]. À ce jour, on sait étonnamment peu de choses sur la dynamique et le contrôle du renouvellement des organites dans les cellules vieillissantes. Clarifier la régulation de l'autophagie spécifique aux organites au cours du vieillissement pourrait fournir de nouveaux indices sur la base biologique des maladies liées à l'âge, et pourrait également faire allusion à des thérapies pour lutter contre le processus de vieillissement.

Peut-être que la plupart des informations sont actuellement connues concernant la régulation liée à l'âge des mitochondries, les centres énergétiques d'une cellule. Avec l'âge, la fonction mitochondriale et l'homéostasie se dégradent. Il a été rapporté que plusieurs protéines impliquées dans la phosphorylation oxydative et le métabolisme des acides gras, deux processus cellulaires clés qui se produisent dans les mitochondries, diminuent en abondance chez les animaux âgés [26-28]. On pense que ces altérations moléculaires, combinées à d'autres changements induits par l'âge des niveaux de protéines mitochondriales et de la stoechiométrie [29], altèrent l'activité mitochondriale et déstabilisent la bioénergétique et le métabolisme cellulaires. En conséquence de ce dysfonctionnement, des mitochondries fragmentées et endommagées par l'oxydation sont fréquemment observées dans les vieilles cellules de diverses espèces eucaryotes, allant des levures aux mammifères [8,9,30–32]. Bien que les cellules saines puissent éliminer efficacement les fragments mitochondriaux dysfonctionnels par autophagie mitochondriale, ou «mitophagie» [33], les mécanismes d'élimination mitochondriale montrent des signes d'échec chez les personnes âgées [34,35]. Cela perturbe l'équilibre entre la biogenèse et la dégradation mitochondriale, provoquant une augmentation en fonction de l'âge des mitochondries endommagées qui aggrave encore le stress cellulaire [34]. Les défauts de la mitophagie peuvent prédisposer les humains à une maladie dégénérative en effet, un dysfonctionnement des facteurs de mitophagie, y compris Parkin et PINK1, est couramment observé chez les patients atteints de la maladie de Parkinson [36,37]. Ainsi, le renouvellement altéré des organites endommagés est au moins en partie responsable de certaines des pathologies classiques du vieillissement couramment observées en clinique.

Il est important de noter que l'altération du renouvellement avec l'âge ne semble pas se limiter aux mitochondries. Dans les cellules, les lysosomes sont responsables de la dégradation d'autres types d'organites, notamment des parties du réticulum endoplasmique (RE), des peroxysomes et même d'autres lysosomes. Comme les dommages mitochondriaux, le stress du RE s'accumule dans les vieilles cellules [38]. Étonnamment, l'inhibition génétique de la phagie du RE provoque des phénotypes progériques et une durée de vie raccourcie chez la souris [39], ce qui laisse entendre que le renouvellement du RE pourrait être nécessaire pour ralentir le rythme du vieillissement. De plus, il a été rapporté que les peroxysomes et les lysosomes augmentent en abondance à un âge avancé chez certaines espèces et types de cellules [40,41]. En fait, les lysosomes non clarifiés génèrent un «pigment d'âge» autofluorescent non dégradable, qui a été utilisé comme lecture visuelle de l'âge biologique dans plusieurs systèmes [42-44]. Il sera important de clarifier comment directement ces changements liés à l'âge du nombre d'organites reflètent une altération du système autophagie-lysosome, et si ces changements entraînent des effets physiologiques sur le fonctionnement métabolique chez les animaux âgés.

Alors que la tendance générale est que le renouvellement des organites semble diminuer avec l'âge avancé en raison d'un dysfonctionnement autophagie-lysosome (Figure 1), cela peut ne pas être vrai pour tous les organites ou pour toutes les étapes du processus de vieillissement. Par exemple, des morceaux du noyau sont dégradés au niveau des lysosomes chez les vers vieillissants, même chez les individus les plus sains [45]. La façon dont l'autophagie nucléaire (« nucléophagie ») régule la physiologie de l'organisme, en particulier au cours du vieillissement, n'est pas claire, mais elle peut être protectrice, comme le suggèrent les modèles murins de laminopathies [46]. Il reste à voir si d'autres organites subissent également un renouvellement actif et régulé chez les animaux vieillissants. Certains organites peuvent même être dégradés au début du vieillissement, mais commencer à s'accumuler plus tard une fois que les lysosomes deviennent dysfonctionnels. Comprendre la dynamique et le calendrier du renouvellement des organites à différents stades du vieillissement pourrait révéler des complexités qui affectent le taux de vieillissement et/ou la stochasticité chez différents individus d'une population.

Si les dommages aux organites sont généralement caractéristiques des personnes très âgées, l'utilisation de l'autophagie spécifique aux organites pourrait-elle aider une vieille cellule à retrouver sa vitalité et sa jeunesse ? Les cellules germinales (reproductrices) offrent une occasion unique d'étudier le rajeunissement cellulaire, car l'âge est naturellement réinitialisé d'une génération à l'autre. Nous et d'autres avons montré que les dommages cellulaires, y compris les mitochondries défectueuses, peuvent être rapidement inversés lorsque les ovocytes se préparent à la fécondation [47,48]. L'élimination des molécules et des organites dysfonctionnels est également observée au cours de la gamétogenèse chez la levure unicellulaire [49]. Ces résultats impliquent que les mécanismes d'élimination des dommages peuvent fonctionner au centre des mécanismes biologiques du rajeunissement transgénérationnel. In support of this interpretation, lysosomes are activated in maturing oocytes prior to fertilization [47], and, once active, they could conceivably clear various forms of cellular damage, including dysfunctional organelles, to reset cellular health and homeostasis across generations. Though the specific cargo received by oocyte lysosomes awaits full description, identification of natural mechanisms that renew organelle health in the immortal germ-cell lineage could point the way to new strategies to counteract organelle damage in old somatic cells.

Lysosome induction has been reported to also occur during stem-cell activation and differentiation [50–52]. In these contexts, as in oocyte maturation, lysosome activation is linked to a developmental rewiring of cellular metabolism. Though, again, much attention has been paid to the role of lysosome activity in stem-cell proteostasis, there is recent evidence that organelle-specific autophagy plays a fundamental role in stem-cell and regenerative biology [53–57]. For one, impaired mitophagy leads to muscle stem-cell quiescence in old mice, and re-establishing autophagic flux is sufficient for old muscle stem cells to exit quiescence and regain stemness [58]. Importantly, defective mitophagy appears to cause oxidative stress and stem-cell depletion in other cell types as well [59,60]. These findings hint that mitochondrial turnover might be a pivotal determinant of regenerative capacity.

Notably, mitophagy also appears important in the generation of induced pluripotent stem cells (iPSCs) [57,61]. A number of rejuvenating events, including telomere re-lengthening and organelle renewal, have been associated with iPSC generation from differentiated cells [62–64]. Inhibiting mitochondrial fission, one of the early steps in mitophagy induction [33,65], prevents the conversion of fibroblasts to iPSCs [61]. Thus, it is exciting to speculate that organelle-specific autophagy may be integrated with other rejuvenating events involved in iPSC reprogramming, and that enhancing these activities might provide an entry point to improve the efficiency of this process.

Beyond mitophagy, other forms of organelle-specific autophagy are only beginning to be studied in the context of cellular regeneration and rejuvenation. Interestingly, elevated ER stress has been linked to iPSC death [66], and significant ER remodeling occurs as part of iPSC reprogramming [67]. In principle, ER quality control mechanisms, including ER-phagy, could aid regenerative capacity, particularly in old animals where persistent ER stress abounds [38]. As a compelling corollary, the ER has been shown to undergo dramatic rearrangements coincident with oocyte maturation and lysosome activation in the C. elegans germline [68]. How the ER and lysosomes are functionally and/or mechanically linked to support cellular rejuvenation is an important open question moving forward, as is the involvement of other organelle-turnover events in cellular-rejuvenation mechanisms.

In summary, dynamic changes to the landscape of the cell occur during aging, and several of these age-related changes can be traced to alterations in organelle homeostasis and turnover (Figure 1). Harnessing the natural rejuvenating capacities of the autophagy-lysosome system provides one possible means to reverse age-related organelle damage and re-establish a more youthful cellular environment (Figure 1). In fact, pharmacological tools that boost lysosome function (Table 1) are currently being tested as potential anti-aging therapies in old animals and humans [69,70]. Looking forward, it seems likely that growing knowledge on the mechanistic principles that govern organelle turnover at lysosomes, and the specific parts of these systems that fail with old age, will open new doors for aging-biology researchers in the quest to promote healthy aging, particularly at a cellular level.


Structure of Cell Nucleus

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The cell nucleus consists of a nuclear membrane (nuclear envelope), nucleoplasm, nucleolus and chromosomes. Nucleoplasm, also known as karyoplasm, is the matrix present inside the nucleus. Let’s discuss in brief about the several parts of a cell nucleus.

Membrane nucléaire

The nuclear membrane is a double-layered structure that encloses the contents of the nucleus. The outer layer of the membrane is connected to the endoplasmic reticulum. A fluid-filled space or perinuclear space is present between the two layers of a nuclear membrane.

The nucleus communicates with the remaining of the cell or the cytoplasm through several openings called nuclear pores. Such nuclear pores are the sites for exchange of large molecules (proteins and RNA) between the nucleus and cytoplasm.

Chromosomes

Chromosomes are present in the form of strings of DNA and histones (protein molecules) called chromatin. The chromatin is further classified into heterochromatin and euchromatin based on the functions. The former type is a highly condensed, transcriptionally inactive form, mostly present adjacent to the nuclear membrane. On the other hand, euchromatin is a delicate, less condensed organization of chromatin, which is found abundantly in a transcribing cell.

Nucléole

The nucleolus (plural nucleoli) is a dense, spherical-shaped structure present inside the nucleus. Some of the eukaryotic organisms have nucleus that contains up to four nucleoli. The nucleolus plays an indirect role in protein synthesis by producing ribosomes. These ribosomes are cell organelles made up of RNA and proteins they are transported to the cytoplasm, which are then attached to the endoplasmic reticulum.

Ribosomes are the protein-producing organelles of a cell. Nucleolus disappears when a cell undergoes division and is reformed after the completion of cell division.


What Are the Three Organelles Involved in Protein Synthesis?

There are four organelles that are involved in protein synthesis. These include the nucleus, ribosomes, the rough endoplasmic reticulum and the Golgi apparatus, or the Golgi complex. All four work together to synthesize, package and process proteins.

Protein synthesis begins with DNA. The DNA in an organism creates the RNA that then codes for and synthesizes the proteins. DNA is found in the cell’s nucleus and makes the RNA in the nucleus as well. The RNA then exits the nucleus and is translated by the cell’s organelles into amino acids. These small subunits are then put together in the ribosomes that are attached to the membrane of the rough endoplasmic reticulum. Then, the proteins exit the ribosomes and exit the rough endoplasmic reticulum to enter the Golgi apparatus. The Golgi apparatus packages the proteins and sends them out of the cell.


Cell Fractionation [back to top]

This means separating different parts and organelles of a cell, so that they can be studied in detail. All the processes of cell metabolism (such as respiration or photosynthesis) have been studied in this way. The most common method of fractionating cells is to use differential centrifugation:

1. Cut tissue (e.g. liver, heart, leaf, etc) in ice-cold isotonic buffer. Cold to stop enzyme reactions, isotonic to stop osmosis, and buffer to stop pH changes.

2. Grind tissue in a blender to break open cells.

3. Filter. This removes insoluble tissue (e.g. fat, connective tissue, plant cell walls, etc). This filtrate is not called a cell-free extract, and is capable of carrying out most of the normal cell reactions.

4. Centrifuge filtrate at low speed

5. Centrifuge supernatant at medium speed

6. Centrifuge supernatant at high speed

7. Centrifuge supernatant at very high speed

8. Supernatant is now organelle-free cytoplasm

A more sophisticated separation can be performed by density gradient centrifugation. In this, the cell-free extract is centrifuged in a dense solution (such as sucrose or caesium chloride). The fractions don't pellet, but instead separate out into layers with the densest fractions near the bottom of the tube. The desired layer can then be pipetted off. This is the technique used in the Meselson-Stahl experiment (module 2) and it is also used to separate the two types of ribosomes. The terms 70S and 80S refer to their positions in a density gradient


Voir la vidéo: Notes for IB Biology Chapter (Janvier 2023).