B4 · Cytosquelette
Microtubules, centrosome et moteurs moléculaires
Décrire l'assemblage des microtubules à partir des dimères de tubuline et leur instabilité dynamique. Présenter le centrosome comme centre organisateur et les moteurs moléculaires assurant le transport orienté.
Biologie cellulaire6 min de lecture15 QCM corrigés
Architecture et polarité des microtubules
Un microtubule possède un diamètre externe d'environ . Sa paroi est généralement constituée de 13 protofilaments parallèles.
Chaque dimère associe deux protéines globulaires proches mais distinctes :
- la tubuline ;
- la tubuline .
Les dimères s'assemblent longitudinalement selon une orientation constante. Cette organisation tête-bêche donne au microtubule une polarité structurale, avec deux extrémités différentes :
- l'extrémité , où la tubuline est exposée et où l'assemblage est généralement plus rapide ;
- l'extrémité , où la tubuline est exposée et dont la croissance est habituellement plus lente.
La polarité ne correspond pas à une charge électrique globale. Elle indique l'orientation répétitive des dimères et détermine à la fois la dynamique du polymère et le sens de déplacement des moteurs moléculaires.
Assemblage des microtubules
Nucléation et élongation
La formation d'un microtubule comporte deux étapes. La nucléation correspond à la constitution d'une amorce stable à partir de laquelle le polymère peut croître. Elle est énergétiquement défavorable lorsqu'elle repose seulement sur la rencontre de dimères libres, car les premiers assemblages sont instables.
L'élongation correspond ensuite à l'addition de dimères de tubuline aux extrémités du microtubule. Elle est plus rapide que la nucléation dès qu'une amorce suffisante existe.
L'assemblage dépend de la concentration en tubuline libre. Au-dessus d'une concentration critique, la fréquence d'incorporation des dimères devient supérieure à leur fréquence de dissociation, ce qui permet la croissance. Cette concentration critique est plus faible à l'extrémité qu'à l'extrémité .
Rôle du GTP
Chaque dimère porte deux molécules de guanosine triphosphate, ou GTP :
- le GTP lié à la tubuline est fortement fixé et n'est pas hydrolysé au cours de la polymérisation ;
- le GTP lié à la tubuline est échangeable et peut être hydrolysé après incorporation dans le microtubule.
Les dimères liés au GTP ont une conformation favorable à l'assemblage. Après leur incorporation, l'hydrolyse du GTP de la tubuline produit du GDP et du phosphate inorganique. La tubuline liée au GDP tend à adopter une conformation courbée, moins compatible avec la paroi droite du microtubule.
La paroi reste néanmoins stable tant que son extrémité porte une coiffe de tubuline-GTP. Cette coiffe maintient les protofilaments dans une disposition rectiligne et empêche leur dissociation rapide.
Instabilité dynamique
Pendant une phase de croissance, des dimères liés au GTP sont ajoutés plus vite que le GTP n'est hydrolysé. La coiffe de tubuline-GTP persiste donc. Si l'hydrolyse rattrape l'extrémité et que cette coiffe disparaît, les protofilaments contenant de la tubuline-GDP se courbent et se détachent rapidement.
Le passage brutal de la croissance au raccourcissement est appelé catastrophe. Le passage inverse, du raccourcissement à une nouvelle croissance, est appelé sauvetage. Celui-ci survient lorsqu'une extrémité stable est retrouvée et qu'une nouvelle coiffe de tubuline-GTP se constitue.
Cette instabilité permet au réseau microtubulaire de se réorganiser sans détruire ni reconstruire durablement toutes ses sous-unités. La cellule peut ainsi explorer rapidement son volume et modifier l'orientation de ses microtubules.
Des protéines associées aux microtubules, ou MAP, régulent cette dynamique. Certaines stabilisent la paroi ou favorisent l'assemblage, tandis que d'autres augmentent la fréquence des catastrophes, sectionnent les microtubules ou facilitent leur désassemblage.
Le centrosome, centre organisateur des microtubules
Dans de nombreuses cellules animales, le principal centre organisateur est le centrosome, situé près du noyau. Il comprend deux centrioles entourés d'un matériel péricentriolaire.
Les deux centrioles sont généralement orientés approximativement à angle droit. Ils participent à l'organisation du centrosome, mais la nucléation des microtubules est principalement assurée par le matériel péricentriolaire, matrice protéique qui les entoure.
Ce matériel contient des complexes annulaires de tubuline . Ces complexes servent de matrice de nucléation : ils reproduisent l'organisation circulaire de la paroi et stabilisent l'amorce. L'extrémité du microtubule demeure généralement ancrée au centrosome, tandis que l'extrémité s'étend vers la périphérie cellulaire.
Cette organisation produit un réseau radial polarisé. La position des extrémités et fournit un système de coordonnées intracellulaire exploitable par les moteurs moléculaires.
Moteurs moléculaires et transport orienté
Les moteurs associés aux microtubules possèdent généralement :
- un domaine moteur, qui se lie au microtubule et hydrolyse l'ATP ;
- une région permettant la dimérisation ou la transmission du mouvement ;
- un domaine reliant le moteur à sa cargaison, directement ou par des protéines adaptatrices.
L'hydrolyse successive de molécules d'ATP modifie alternativement l'affinité et la conformation des domaines moteurs. Le moteur effectue ainsi des pas répétés le long du microtubule. Sa processivité désigne sa capacité à accomplir plusieurs pas avant de se détacher.
Deux grandes familles assurent le transport orienté :
La direction du déplacement est une propriété de l'architecture du moteur. Elle dépend de la manière dont ses changements de conformation sont couplés à la polarité du microtubule. Ainsi, un même réseau peut porter simultanément des transports opposés.
La fixation d'une cargaison repose sur des protéines adaptatrices, qui assurent la reconnaissance et la régulation. Le déplacement dépend donc conjointement de la présence du microtubule, de sa polarité, de l'activité du moteur et du recrutement correct de la cargaison.
Les fonctions intégrées du réseau dans la forme, la motilité et la division cellulaires sont développées dans la fiche dédiée aux fonctions du cytosquelette.
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