B4 · Matrice extracellulaire
Protéoglycanes et glycosaminoglycanes de la matrice
Relier la forte charge négative des glycosaminoglycanes à la rétention d'eau et à la résistance à la compression. Décrire l'assemblage des protéoglycanes et leur rôle de réservoir de facteurs solubles.
Biologie cellulaire6 min de lecture15 QCM corrigés
Une matrice glucidique fortement hydratée
La matrice extracellulaire contient, outre les protéines fibreuses étudiées dans la fiche voisine, une phase riche en glucides. Cette phase forme un gel hydraté qui remplit les espaces entre les cellules et les fibres. Ses constituants essentiels sont les glycosaminoglycanes et les protéoglycanes.
Chaque unité répétée comprend habituellement :
- un ose aminé, dont un groupement hydroxyle est remplacé par un groupement contenant de l'azote ;
- un second ose, souvent un acide uronique, qui possède un groupement carboxylate négatif au pH physiologique.
La plupart des GAG portent également des groupements sulfate. Les carboxylates et les sulfates sont ionisés dans les conditions physiologiques : ils confèrent donc aux chaînes une forte densité de charges négatives. Comme les motifs disaccharidiques se répètent un grand nombre de fois, ces charges sont réparties tout le long de la chaîne.
GAG sulfatés et hyaluronane
Les GAG sulfatés sont généralement synthétisés comme des chaînes liées à une protéine. L'hyaluronane, également nommé acide hyaluronique, constitue une exception importante : il n'est pas sulfaté et n'est pas attaché de manière covalente à une protéine centrale.
Malgré l'absence de sulfates, l'hyaluronane reste chargé négativement grâce à ses groupements carboxylates. Sa très grande longueur lui permet d'occuper un volume considérable dans la matrice.
De la charge négative à la rétention d'eau
Les charges négatives des GAG sont fixes, car elles appartiennent aux chaînes macromoléculaires et ne diffusent pas librement. Elles attirent donc des ions positifs mobiles, appelés contre-ions, afin de maintenir l'électroneutralité globale du milieu.
L'accumulation locale de contre-ions augmente la concentration totale en particules dissoutes dans le réseau matriciel. L'eau est alors attirée vers ce compartiment par effet osmotique. De plus, les groupements chargés et polaires établissent des interactions avec les molécules d'eau. Une même propriété moléculaire, la forte densité anionique, explique ainsi deux phénomènes associés :
- l'attraction des contre-ions ;
- l'entrée et la rétention d'une grande quantité d'eau.
Les chaînes de GAG se repoussent également entre elles puisque leurs charges sont de même signe. Elles adoptent donc une conformation étendue, occupent un grand volume et empêchent l'effondrement complet du réseau.
Résistance à la compression
Lorsqu'une force comprime la matrice, une partie de l'eau tend à être déplacée. Les charges fixes se retrouvent alors concentrées dans un volume plus faible. Cela augmente :
- la répulsion électrostatique entre les chaînes ;
- l'attraction osmotique exercée sur l'eau ;
- la tendance du réseau à retrouver son volume initial.
Le gel de GAG produit ainsi une force de rappel opposée à la compression. La résistance mécanique ne provient donc pas seulement d'une charpente rigide : elle résulte aussi de l'eau retenue et de la pression osmotique interne.
Assemblage des protéoglycanes
La protéine centrale détermine le nombre et la position des chaînes glucidiques. L'ensemble peut évoquer une brosse moléculaire : la protéine forme un axe, tandis que les GAG très hydratés s'étendent dans l'espace.
Synthèse intracellulaire
La protéine centrale est synthétisée dans le réticulum endoplasmique rugueux, puis transférée vers l'appareil de Golgi. Dans le Golgi, une séquence glucidique de liaison est fixée sur certains résidus de sérine de la protéine. Les oses sont ensuite ajoutés successivement pour allonger les chaînes.
Des enzymes golgiennes modifient enfin les oses, notamment par sulfatation. Le nombre et la position des sulfates ne sont pas aléatoires : ils créent le long du GAG des motifs moléculaires capables de reconnaître certains partenaires.
L'hyaluronane suit une voie différente. Il est polymérisé par des enzymes situées dans la membrane plasmique et directement expulsé vers l'espace extracellulaire. Des protéoglycanes peuvent ensuite s'y associer par des interactions non covalentes, avec l'aide de protéines de liaison. Il se forme alors de très grands agrégats supramoléculaires, capables d'emprisonner un volume d'eau considérable.
Réservoir de facteurs solubles
Bien qu'ils soient dits solubles, ces facteurs ne diffusent pas nécessairement librement dans toute la matrice. Beaucoup possèdent des régions chargées positivement qui interagissent avec les groupements négatifs des GAG sulfatés. La matrice peut ainsi les retenir de façon réversible.
Cette fixation remplit plusieurs fonctions complémentaires :
- elle concentre localement les facteurs au lieu de les laisser se disperser ;
- elle les protège partiellement contre la dégradation ;
- elle limite ou oriente leur diffusion, ce qui contribue à établir des gradients ;
- elle facilite leur présentation aux récepteurs cellulaires ;
- elle constitue une réserve susceptible d'être mobilisée.
La capacité de fixation dépend de la longueur des chaînes, de la densité des charges et surtout de la disposition précise des sulfates. Les GAG ne sont donc pas de simples polymères uniformément négatifs : leurs motifs structuraux sélectionnent certains partenaires.
Libération contrôlée
Un facteur retenu peut être libéré lorsque les interactions électrostatiques se dissocient ou lorsque le protéoglycane est clivé. La dégradation de la protéine centrale ou des chaînes de GAG modifie donc rapidement la quantité de facteur disponible pour les cellules.
Le détail du remodelage matriciel et des interactions cellule-matrice appartient à la fiche suivante. Il faut ici retenir que la matrice agit comme un compartiment dynamique : elle stocke des signaux et règle leur accessibilité dans l'espace et dans le temps.
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