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Le cytosquelette

I- Introduction

Le cytosquelette est un réseau complexe de filaments et de tubules protéiques, il s'étend dans tout le cytoplasme et ) la face interne de l'enveloppe nucléaire. Contrairement au sous-entendu statique que laisse supposer son nom. C'est une structure très dynamique en perpétuelle réorganisation (Division, Migration … ).

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Le cytosquelette est constitué de 3 principales types de structures : ces assemblages protéiques résultent de la polymérisation d'éléments monomériques en des structures allongées et polarisées (sauf les filaments intermédiaire) → extrémités non équivalentes

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Le noms de ces structures sont liés à leur aspect en microscopie électronique, technique qui a permis leur mise en évidence.

II- Les microfilaments d'actine

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1- Nature et structure

Dans la plupart des cellules animales, l'actine est la protéine la plus abondante (en moyenne plus de 5% de la masse protéique totale). Les micro-filaments d'actine sont des structures dynamiques (remodelées en permanence) qui peuvent être stabilisés par des protéines associées (par exemple dans les microvillosités et les cellules musculaires). 3 classes d'actine, codées par différents gènes : - alpha actine (cellules musculaires striées et lisses) - Beta actine - gamma actine Beta et gamma actine coexistent dans la plupart des types cellulaires.(les 3 sont les monomères) Les molécules d'actine ont 90% d'identité dans la séquence peptidique (variation de 30 acides aminés N-terminaux, sur 375 résidus au total) Des protéines de liaison interviennent dans la polymérisation, la stabilisation et le couplage des filaments d'actine entre eux.

L'actine monomérique (alpha beta ou gamma) est une molécule globuleuse (Actine G) , elle est constitué de deux lobes relié par un sillon central (fixation ATP, ADP, Mg2+), elle est polarisée (pôle – au niveau du sillon qui permet de fixer et les échanges avec certains nucléotides, ATP ou ADP important pour la polymérisation. Et un pole +)

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En présence de KCl, ATP et Mg2+, un complexe protéique de type catalyseur se fixe du côté (-) des monomères d'Actine G. Formation d'une amorce constituée de troiss monoméres liés (site de nucléation pour la formation de longs polyméres)

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Cette amorce sert de site de nucléation. Formation de longs polymères : filament d'actine ou Actine-F.Le filament d'actine en 3D

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On voit d'abord la formation d'un trimère auquel s'ajoutera des monomères successifs qui vont aboutir a l'élongation du filament. Ce filament n'est pas linéaire, du fait de la structure et des propriétés biochimiques de la molécule d'actine, le filament va s'organiser de manière spiralée (Comme 2 cordes enroulées l'une avec l'autre). On va avoir différentes régions dans le filament qui n'ont pas le même aspect, on a des zones rétrécit (avec le diamètre d'un monomère) on a aussi des zones plus épaisse (diamètre supérieur à celui d'un monomère).

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2- Polymérisation de l'actine

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La polymérisation de l'actine dépend de la concentration du monomère (Actine G). en dessous d'un seul critique, il n'y a pas de polymérisation, il y a même une dépolymérisation. Mais quand on dépasse ce seuil critique, il va y avoir polymérisation du filament.

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La polymérisation ne se fait pas de façon linéaire mais de façon exponentielle. Au départ, phase de latence, la réaction se met en place doucement, puis tout à coup une accélération avec une phase exponentielle avec une croissance très rapide du filament (1000 monomére d'actine par seconde et par filament) . On arrive ensuite à une phase plateau ou il y a équilibre entre polymérisation et dépolarisation, en moyenne la longueur des filaments reste constante dans la cellule.

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La phase de latence au départ, correspond à la formation du trimère qui servira d'amorce, la formation de cette amorce répond a un certain équilibre, c'est a dire qu'au départ, quand l'actine est synthétisé, on l'a sous forme monomérique, il va y avoir un équilibre perpétuel entre monomère et dimère, a un certain moment, a une certaine concentration, il va y avoir formation de trimères sont beaucoup plus stables (beaucoup moins de retour en arrière) ils vont servir de point d'ancrage pour l'élongation.

La polymérisation de l'actine requiert la présence d'ATP, les monomères d'actine doivent être rechargés en ATP afin de polymériser. Dans le filament, l'actine se comporte comme un ATPase lente, au moment de l'incorporation dans le filament, forme Actine-ATP. Dans le filament, la forme majoritaire des monomères est : Actine-ADP (sous forme filamentaire, hydrolyse de l'ATP)Après la polymérisation on a l'hydrolyse aléatoire de l'ATP, provoque la libération de Pi, l'ADP reste lié à l'actine dans le polymère. L'hydrolyse de l'ATP est un mécanisme de déstabilisation qui participe à la dépolymérisation. L'Actine – ADP se détache du polymère aux extrémités des filaments. Si on utilise un analogue non hydrolysable de l'ATP (molécule similaire à lʼATP mais dans laquelle la liaison entre phosphates nʼest pas clivable), on a une stabilisation des filaments formés. → L'activité ATPasique est impliqué dans la dépolymérisation.

La polymérisation de l'actine est un phénomène polarisé. Les sillons des monomères, contenant les nucléotides, sont tous orientés vers la même extrémité du filament.

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Extrémité (+) correspond au pôle (+) du filament. Et c'est à cet endroit là que le monomère suivant va s'incorporer (interaction entre le pôle + du monomère précédent et le pôle – du monomère qui se rajoute).

La polymérisation se fait essentiellement au niveau de l'extrémité (+)

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Alors qu'au niveau de l'extrémité (-) on a surtout la dépolymérisation. On a un changement de conformation lors de l'association / dissociation. L'actine sous forme globulaire, a une extrémité + et une extrémité -. Il y a une complémentarité entre l'extrémité + et l'actine qui s'ajoute dessus, puis changement conformationnel de l'actine qui vient de se fixer, et ainsi une autre actine pourra se fixer au niveau du pole +.

La polymérisation de l'actine n'est pas irréversible, elle peut revenir sous forme monomérique (réversible).

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3- Protéines associées

Les protéines sont sensibles aux concentrations Ca2+ intracellulaire intervenant dans les mécanismes de contraction ou déplacements. - Troponines : leur rôle est l'inhibition de l'association actine/myosine, cette inhibition est

levée par liaison du Ca2+ (rôle dans l'amorçage de la déconcentration musculaire).- Myosines :

" Myosine II (cellules musculaires +++, autres cellules) : déplacement de groupes de filaments d'actine orientés de façon opposée (concentration musculaire, anneau contractile lors de la mitose … )

Myosine I : " → Déplacement de vésicules le long de filaments d'actine,

" → attachement de filaments d'actine à la membrane plasmique, alignement rapproché " → alignement rapproché et glissement de filaments d'actine

Myosine II : rôle dans la contraction :

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Dimère de myosine de type II, les queues interagissent ensemble, et au niveau des tétes hydrolyse de l'ATP, mouvement de rétraction, mouvement de flip/flop (wouauouuu) cela va tirer un filament dans un sens et l'autre filament en sens inverse.

Myosine I : transport de vésicules le long de filaments d'actine

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Elle intervient dans l'attachement de filaments d'actine à la membrane plasmique. Intervient aussi dans l'alignement rapproché et glissement de filaments d'actine.

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Grace aux myosines qui se déplacent vers lʼextrémité + (glissement) mais on a lʼimpression quʼelle se déplace du coté négatif, et la base ne se déplace pas car encrée.

Protéines régulant la croissance des microfilaments d'actine : - Thymosine : inhibition de la polymérisation par fixation sur monomère (fixation à

l'extrémité (-) de l'actine G (monomère) , empêche les échanges de nucléotides). Comme ces échanges de nucléotides sont important, si on a une protéine qui empêche ces échanges (ATP – ADP), pas de polymérisation.

- Gelsoline : fragmentation des filaments des filaments d'actine (activée par le calcium intra cellulaire) " Cette protéine, quand elle est activée, reste fixée à l'extrémité (+) et évite ainsi la re-

polymérisation rapide de l'actine, elle a un rôle dans l'exocytose par dissolution locale du cytosquelette sous-membranaire.

- Profiline : (rôle positif) fixation à l'actine G, aide à la réintégration dans le polymère. Protéines dʼassociation à connaitre ainsi que leurs fonctions.

Protéines stabilisant les microfilaments d'actine et permettant leur ancrage à la membrane plasmique : - Tropomyosine : s'enroule autour de l'hélice d'actine, rôle stabilisateur. - CapZ : liaison à l'extrémité (+), stabilisation, prévention dépolymérisation- Alpha actinine : rôle dans l'interaction actine – myosine et l'interaction actine –

intégrines- Fimbrine, Villine : maintient les filaments serrés d'actine fasciculée - Filamine : réseaux réticulés de filaments lâches - Spectrines : rôle dans l'accrochage des filaments d'actine à la membrane plasmique

ancrage latéral des filaments d'actine entre – eux - Dystrophine : point d'ancrage de protéines du cytosquelette, maintien de l'architecture

des fibres musculaires Mutation : → Myopathie de Duchenne (protéine tronquée instable non exprimée)→ Myopathie de Becker (protéine exprimée mais moins fonctionnelle) (Affaiblissement progressif des muscles, grave incapacité motrice et ardiorespiratoire)

4- Organisation

Les filaments d'actine sont organisés selon trois types d'arrangements

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Les faisceaux parallèles dans les mircrovillositésReplis de la membrane plasmique structurés par des micro réseaux d'actineLeur rôle est l'augmentation de la surface cellulaire apicale. Ex : → plateau strié (épithélium digestif, capture des nutriments) → Bordure en brosse (tube contourné proximal rénal, réabsorption)

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Armature des microvillosités : filaments d'actine : Les faisceaux parallèles dans les microvillosités : ils sont associés en faiceaux parallèles, liés entre eux par le fimbrine, tous orientés de la même façon avec le coté (+) au niveau distal. Ils sont stabilisés par des protéines de coiffage à leur extrémités. Ils sont ancrés sur un réseau de filaments périphériques sous membranaire (actine corticale)

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Les réseaux formant des mailles : Trouvés dans les lamellipodes (prolongements membranaires) et le réseau sous-membranaire (actine corticale) Filaments organisés en un arrangement relativement lâche, nombreuses interconnexions orthogonales formées par la filamine.

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Endocytose: de manière locale, polymérisation d'actine qui implique un replis de La membrane, le replis va se refermer et formation d'une vésicule qui est poussée dans la cellule.

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Les faisceaux contractiles : - Sarcomères (unité de contraction des fibres musculaires)- Ceintures d'adhérence, - Anneau contractile mitotique - Fibres de tension Les filaments sont arrangés avec des polarités opposées, espacés de 40nm grâce à une liaison à un dimère d'alpha actine. Un complexe bipolaire de plusieurs molécules de myosine II (protéine motrice) est inséré entre les filaments et engendre la contraction. La contraction repose sur le glissement, entraîné par l'hydrolyse de l'ATP, des filaments d'actine imbriqués avec la myosine II.

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5- Rôles

Les rôles des microfilaments d'actine : - Transport intracellulaire- Maintien de la forme et de la structure de la membrane plasmique - Maintien des différenciations cellulaires et de la forme cellulaires - Phagocytose/endocytose (grosses vésicules)/exocytose

- Interaction cellule – matrice extracellulaire - Motilité cellulaire - Cytodiérèse

III- Les filaments intermédiaires

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1- Nature et structure

Les filaments intermédiaires sont des polymères protéiques résistants et durables, ils ont un diamètre de 10nm (compris entre celui des filaments d'actine et celui des microtubules) Ils forment un réseau extensif dans le cytoplasme de la plupart des cellules. Ces filaments entourent le noyau et s'étendent jusqu'à la périphérie cellulaire, ils sont également reliés aux desmosomes et hémi-desmosomes. Ils doublent aussi la face interne de lʼenveloppe nucléaire (lamines) (non visibles sur la photographie ci dessus car marquage kératines et desmosomes).

2- Polymérisation

La polymérisation des filaments intermédiaires : Les protéines qui les constituent sont des molécules fibreuses très allongées (différent de l'actine et de la tubuline, qui sont des protéines globulaires, mais on a un nombre d'acides aminés voisin). Leur séquence favorise la formation de dimères superenroulés.Au cours de l'étape d'assemblage, on a l'association de 2 dimères superenroulés de manière antiparallèle. La sous unité tétramérique est le protofilament (3nm de diamètre). Les tétramères s'ajoutent à un filament en cours d'élongation. 8 protofilaments donnent un filament intermédiaire (10nm de diamètre).

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3- Composition, types

Les composants des filaments intermédiaires ont toujours tendance à rejoindre un filament en cours de polymérisation (rarement présents à l'état de monomère libre). Toutefois, les composants assemblés peuvent également se dissocier. L'assemblage comme la dissociation sont des processus très lents (plusieurs minutes, alors que pour l'actine et la tubuline, c'est seulement quelques secondes). Les processus d'assemblage et la dissociation peuvent être régulés par des modifications post – traductionnelles des protéinesSelon les cas, la phosphorylation n'a pas toujours les mémes impactes sur les filaments intermédiaires. Souvent la phosphorylation active, mais il y a aussi des phosphorylation inhibitrice. - La phosphorylation des lamines (noyau) favorise la dissociation- La phosphorylation empêche la dissociation des neurofilaments (rôle stabilisateur)

Les différents types de filaments intermédiaires : Les gènes codant les filaments intermédiaires se sont diversifiés (différent de l'actine et de la tubuline dont les gènes ont été bien conservés au cours de l'évolution). On a une famille d'environ 50 membres subdivisée en 6 classes différentes. Classe I et II: Kératines acides et les Kératines basiques (18 gènes chacune) : elles s'associent avec des kératines de l'autre classe (une basique avec une acide).Elles possèdent les caractéristiques des cellules épithéliales. Classe III : 1 gène pour chaque membre- Vimentine : cellules fibroblastiques- Desmine : cellules musculaires- GFAP : cellules gliales - généralement, elles forment des homopolymères (sauf Vimentine → homo ou

hétéropolymères). Classe IV, neurofilaments (3 gènes: NF-H, -M et -L) : ils s'associent entre sous-unités de cette classe, et sont caractéristiques des neurones. Le plus souvent sous forme dʼhétéropolymères. Classe V, Lamines (3gènes: LMNA/C, LMNB1, LMNB2) : Elles forment des homopolymères et sont présentes dans toutes les cellules de tous types (noyau). Classe VI, Nestine (1 gène) : Elle forme des homopolymères et est présente dans les neurones embryonnaires et les myocites.

4- Fonctions

Les filaments intermédiaires maintiennent l'intégrité cellulaire et tissulaire de l'épithélium. → permet l'interaction entre le cytosquelette avec les molécules d'adhérence, ce qui maintient la mécanique de la cellule et du tissu. → Filaments intermédiaires : 2 types de jonctions d'ancrage- Desmosomes : interaction cellule – cellule, via les cadhérines desmosomiales- Hémi-desmosomes : interaction cellule – lame basale, via les intégrines (dans les cellules épithéliales).

Ex : pathologie : «épidermolyse bulleuse» (maladie génétique)Mutations ponctuelles des gènes de kératines 5 et 14 : désorganisation du réseau de filaments intermédiaires (kératinocytes basaux de lʼépiderme), sensibilisation +++ aux forces mécaniques (rupture des cellules à la moindre pression, inflammation, formation dʼampoules cutanées)

Illustration : cette maladie, les gènes impliqués et atteintes ne sont pas à connaitres.

Les filaments intermédiaires participent au soutien de l'enveloppe nucléaire, → La lamina nucléaire double la face interne de l'enveloppe nucléaire. - Treillis de polymères de lamine- Soutient l'enveloppe, donne sa forme au noyau - Se désagrège en début de mitose (phosphorylation des lamines par le complexe cyclineB/CDK1)- Désintégration permet l'entrée en jeu des microtubules (séparation des chromosomes)- Ré-association permet ensuite la reconstitution du noyau.(en fin de mitose: télophase)

Les filaments intermédiaires interviennent dans la formation des ongles, des cheveux, et de la couche cornée de la peau.Les filaments de kératine sont formés en excès par les cellules épidermiques (kératinocytes) et par les cellules de l'assise génératrice dans le follicule pileux. Cet excès de filaments de kératine entraine la mort des cellules qui restent assemblées (desmosomes) ainsi que la formation progressive de la couche cornée, des ongles et des cheveux/poils/Note : Caractéristiques physico-chimiques des filaments intermédiaires " => Résistance aux tensions et détergents, insolubilité dans l'eau " => Protection de l'organisme contre les agressions physiques et chimiques

IV- Les microtubules

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1- Nature

Les microtubules sont particulièrement abondants dans les cellules eucaryotes, 10 à 20% des protéines totales dans les cellules nerveuses (dans ces cellules les tubulines sont plus importantes que les actines). Ce sont des polymères cylindriques, creux et rigides (tubes). Ils sont constitués de dimère de tubulines, (protéines globulaires. Chaque dimère résulte de l'association d'alpha et de la Beta tubuline (les tubulines alpha et Beta existent chacune sous différentes (6) formes). Il existe aussi des tubulines, gamma, delta et epsilone, présentes dans les structures centriolaires, pas dans les microtubules.

Les tubulines alpha et Beta lient le GTP : les deux monomères, alpha et béta n'interagissent pas de la même façon avec le GTP- Le GTP de l'alpha tubuline est enfoui à l'intérieur, donc non échangeable- Le GTP de la Beta tubuline est exposé en surface et échangeable.

2- Assemblages

Les microtubules sont des structures polaires : - Pôle (+) : capable de croissance rapide- Pôle (-) : le plus souvent enchâssée dans le centrosome

Le centrosome est un complexe protéique, au voisinage du noyau, approximativement au centre cellulaire (d'où son nom). Il est organisé autour de deux structures appelées centrioles (constitués de plusieurs formes de tubuline alpha, béta, gamma, delta et epsilone). En périphérie du centrosome, on a la tubuline gamma (complexe TuRC, complexe de tubuline en anneaux → gabarit pour microtubules en construction).

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3- Polymérisation

Lors de la polymérisation des microtubules, on a au niveau cytoplasmique, formation d'hétérodimères de tubuline Alpha/Beta, (Beta chargée en GTP). A partir d'un centrosome, association des dimères de tubuline (Beta orienté vers le pôle (+)). → Les protofilaments qui s'assemblent latéralement entre eux forment des feuillets→ le repliement progressif de ces feuillets forme le microtubule. Plusieurs centaines de microtubules polymérisent en permanence dans la cellule.

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Dépolymérisation des microtubulesLes microtubules se dépolymérisent et se re-polymérisent continuellement (à vitesse variable, de quelques secondes à quelques minutes) . L'hydrolyse du GTP (tubuline Beta) est à la base de cette « instabilité dynamique » (synthèse/ resynthèse permanentes suivant les stimuli) cela provoque le changement de la conformation des sous-unités et affaiblit les liaisons dans le polymère,

ainsi que la séparation des protofilaments, libération des dimères de tubuline (extrémité +).

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4- Protéines associées

Les protéines associées qui interviennent dans la stabilisation / déstabilisation des microtubules. In vitro, les dimères se détachent en masse (= catastrophe), si cette dissociation rapide ne s'arrête pas spontanément on a la désagrégation complète du microtubule. Si cette dissociation rapide ne sʼarrete pas : désagrégation complete du microtubule.In vivo, la modification de cette instabilité dynamique est faite par les protéines MAP, elles sont présente sur toute la longueur, par exemple la protéine Tau, présente dans les axones, la présence de cette protéine Tau réduit d'un facteur 50 la probabilité de dissociation brutale.On a des protéines qui ajustent la déstabilisation, par exemple MCAK (mitotic centromere-associated kinesin) qui permet la dissociation ajustée des microtubules kinétochoriens (durant la séparation des chromosomes en anaphase).

Les protéines motrices. On a 2 familles de protéines « motrices » interagissent avec les microtubules - Kynésines : se déplacent vers l'extrémité (+) du microtubule- Dynéines : se déplacent vers l'extrémité (-) (vers le centrosome) Toujours associées à d'autres protéines - Kynésines : associées à une chaine protéique légère, elle joue un rôle sur la fixation des

organites cellulaire a transporter. - Dynéines : complexe avec 6 chaines intermédiaires et 6 légères. Elles utilisent l'énergie dérivée de cycles répétés d'hydrolyse de l'ATP pour se déplacer le long du microtubule (cf Myosine II / actine) Les kynésines interagissent au niveau des ss unités béta. Quand on a hydrolyde de l'ATP, elles pivotent d'un demis tour, et de proche en proche elles avancent de deux en deux vers l'extrémité (+)

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5- Fonctions

Mouvement le long du microtubule. Ces mouvements se font via l'intermédiaire des dynéines et kinésines : filaments intermédiaires, réticulum endoplasmique, membrane plasmique, Ap de Golgi, vésicules de sécrétion et chromosomes (kinétochores) Importance du transport le long de l'axone du neurone : dans le neurone les microtubules sont particulièrement nombreux et stables (protéine Tau) - Kynésines : transport vers l'extrémité (+) des microtubules = transport antérograde (du

corps cellulaire vers l'arborisation terminale).- Dynéines : transport vers l'extrémité (-) des microtubules = transport rétrograde (vers le

corps cellulaire).

Exemples de fonctions des microtubules : Battements des cils et flagelles

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Les microtubules interviennent dans les battements des cils et flagelles : due à la flexion de leur faisceau de microtubules, ondulation coordonnée des cils de l'épithélium respiratoire (bronches, trachée), on a un déplacement unidirectionnel (vers l'extérieur) du mucus bronchique. C'est un phénomène actif, suivi d'une phase de récupération passive (retour du cil à sa position initiale). : mouvement produit par la flexion de sa partie centrale, l'axonème.

Extension en doigt de gant de la membrane plasmique

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Réseau de microtubules.Les cils et flagelles sont ancrés au niveau du corspuscule basal.Au niveau de l'axonéme, on a une organisation en 9 doublet périphériques adjacents qui glissent lʼun sur lʼautre via lʼintercations avec dynéines (cf transport des vésicules) et 1 doublet central. Interaction avec des dynéines, qui permettent des glissements des microtubules l'un par rapport a l'autre, ce qui permet le battement du cil ou du flagelle.

Séparation des chromosomes pendant la mitose→ rôle essentiel des microtubules et des protéines motrices

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Autres fonctions des microtubules :- intégrité de l'Ap de Golgi(- Mouvement du milieu extracellulaire)- Migration de certaines cellules(- Morphogenèse) - Maintient de la forme des cellules différenciées - Maintien de la polarité cellulaire (- Maintien de la structure de la membrane plasmique)(- Excrétion)- Transport dirigé des ARNm (ex, axones des neurones) () : pas sur diapo

V- Conclusion implication et application en pathologie.

Pouvoir pathogène de certaines bactéries Ex: Listeria monocytogènes, colonise les tissus par diffusion de cellule à cellule, nécéssite la formation d'une queue d'actine qui propulse la bactérie.

Détermination du phénotype cellulaire (diagnostic) Ex : immuno-histochimie des protéines de filaments intermédiaires, on se sert des kératines pour identification du type de carcinome …

Pathogène et ciblage thérapeutique : perturbation des phénomènes de polymérisation et dépolymérisation : - microfilaments d'actine : toxine fungiques -

" → phalloïde: bloque la dépolymérisation (utilisée pour marquages)" → cytochalasines: bloquent la polymérisation- Microtubules :

" → Anti mitotique (thérapeutique cancers: vinblastine, vincristine, taxol)" → colchicine (diagnostic en cytogénétique, réalisation de caryotypes).(Noms de bactérie, toxines fungiques et autres molécules ne sont pas à connaitre).

le cytosquelette i- introduction 1 -...

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