Les microfilaments d’actine sont les éléments les plus abondants du
cytosquelette cellulaire. On en distingue plusieurs types suivant leur
localisation :
- L’actine
α est présente au niveau de cellules musculaires striées et
lisses.
- L’actine
β et l’actine γ sont présentent au niveau des autres
types cellulaires.
I) Structure et synthèse des microfilaments d’actine
1) Caractéristiques structurales des microfilaments d’actine
Les microfilaments d’actine se présentent sous la forme d’une double
hélice flexible de 5 à 8 nm de diamètre.
Ils sont constitués de monomères d’actine globulaire (actine
G) qui une fois polymérisés forme de l’actine fibrillaire (actine
F). Les monomères étant polarisés, les microfilaments eux-mêmes
le seront, présentant ainsi une extrémité positive et une extrémité négative.
2) Mécanismes de synthèse des microfilaments d’actine
La polymérisation de l’actine globulaire se fait
préférentiellement, mais pas exclusivement, au niveau de l’extrémité positive ;
autrement dit elle sera rapide au niveau de l’extrémité positive et lente au
niveau de l’extrémité négative.
Cette polymérisation est spontanée, mais nécessite
cependant une étape d’activation de l’actine globulaire. Cette dernière
est, dans son état inactivée, complexée avec de l’ADP. Son activation nécessite
la présence de Mg2+ et d’ATP, permettant la
formation d’un complexe « actine G – ATP » qui est disponible
à la polymérisation. Une fois polymérisée, l’actine va lentement hydrolyser
l’ATP pour devenir un élément stable. Dans un milieu riche en ATP on aura donc
une polymérisation intense de l’actine.
Il est intéressant de préciser qu’au niveau des muscles, les
filaments d’actines rentrent dans la composition des sarcomères qui sont les
unités contractiles des cellules musculaires. Il est donc facile de comprendre
que l’on ne peut pas se permettre de tels remaniements (polymérisation,
dépolymérisation) sans perturber les fonctions contractiles des muscles. De
cette manière, l’organisme à mis en place des moyens de blocage des
microfilaments par le recrutement d’autres protéines .
Au niveau des cellules musculaires, les microfilaments d’actine ne
sont pas autant « encadrés », mais nous verrons dans la suite du cours que la
cellule à mis en place d’autres d’autre mécanismes permettant de contrôler
l’activité de l’actine.
3) Modulation chimique de la polymérisation et de la dépolymérisation
Certaines molécules, non physiologiques, ont la caractéristique de
moduler les réactions de polymérisation et dépolymérisation :
- La cytochalasine bloque
la polymérisation en se fixant à l’extrémité positive.
- La phalloïdine bloque
la dépolymérisation en se fixant sur les faces latérales entre chaque
monomère des microfilaments d’actines.
II) Organisations des microfilaments d’actine dans la cellule
Les microfilaments d’actine ont des rôles très variés dans la
cellule. Selon la fonction les microfilaments s’organiseront différemment (faisceau ou réseau)
et interagiront avec des protéines caractéristiques. Ces protéines sont
appelées ABP (pour Actin Binding Protein) et ont
chacune des propriétés bien particulières (dans la polymérisation et
dépolymérisation, dans la stabilisation, dans la formation des faisceaux et
réseaux, dans la fixation à la membrane, dans la fragmentation, etc.).
1) Protéines de fixation aux monomères d’actine
Les protéines se fixant aux monomères régulent la polymérisation de
l’actine G. Principalement deux protéines ont cette fonction :
- La profiline se
fixe à l’actine globulaire (actine G) pour former de la profilactine qui
stimule la polymérisation au niveau de l’extrémité positive.
- La thymosine se
fixe au complexe « actine G – ATP » et le séquestre, inhibant la
polymérisation.
2) Protéines de stabilisation des microfilaments d’actine
a) Stabilisation des microfilaments d’actine en faisceaux
Parmi les protéines de stabilisation des microfilaments en
faisceaux parallèle on trouve :
- L’α-actinine permet
la formation de faisceaux larges donnant l’accès à la myosine de type 2
jouant un rôle primordial dans les faisceaux contractiles.
- La fimbrine et
la villine permettent une stabilisation des
microfilaments en faisceaux serrés non contractiles.
- La tropomyosine
- La fascine
b) Stabilisation des microfilaments d’actine en réseaux
Les protéines de stabilisation des microfilaments en réseaux sont
des protéines de réticulation permettant de lier deux microfilaments se
croisant. La formation de ces réseaux à pour conséquence l’augmentation de la
viscosité du cytoplasme. Parmi elles on trouve la filamine et
la gélatine.
3) Protéines de fragmentation des microfilaments d’actine
Comme leur nom l’indique, les protéines de fragmentation scindent
les microfilaments d’actines. Ils ont ainsi la propriété de fluidifier le
cytoplasme. Parmi elles on trouve la gelsoline qui est calcium
Ca2+ dépendante. Les microfilaments d’actine sont concentrés
sous la membrane plasmique, s’opposant à l’excrétion des grains de sécrétion.
L’augmentation de calcium dans la cellule permet l’activation de la
gelsoline et la fusion des grains de sécrétion avec la membrane.
III) Fonction des microfilaments d’actine dans la cellule
1) Fonction des microfilaments d’actine
Les microfilaments d’actine jouent un grand rôle dans le
déplacement des organites dans la cellule, par l’association à de la myosine de
type 1. Cette dernière fixe l’organite par sa queue et migre le long des
microfilaments d’actine par sa tête.
2) Fonction des faisceaux larges d’actine
Comme dit précédemment, les faisceaux larges contiennent de l’actine associée
avec de l’α-actinine. Ceci donne accès à la myosine de type 2 qui
a la caractéristique de posséder deux têtes globulaires à activité ATPasique et
possédant des sites de phosphorylation. La polymérisation des molécules de
myosine de type 2 entraîne la formation d’un filament bipolaire.
L’hydrolyse de l’ATP permet aux têtes de pivoter le long des
microfilaments d’actine et d’induire une contraction. Pour plus
d’information sur la contraction des cellules musculaires striées, cf. suite de
ce cours.
3) Fonction des faisceaux serrés d’actine
Également comme il a été dit plus haut dans le cours, les faisceaux
serrés contiennent des microfilaments d’actine orientés de manière parallèle et
associé à de la villine et de la fimbrine. On
trouve ces faisceaux au niveau des microvillosités et
des lamellipodes (cf. ci-dessous).
Au niveau des microvillosités, les faisceaux sont attachés à la
membrane par de la myosine de type 5 au niveau de l’apex
(pointe) et par de la myosine de type 1 latéralement.
Certaines cellules, telles que les fibroblastes, utilisent la
polymérisation de l’actine pour se déplacer. En effet, ils forment
prolongements cytoplasmique que l’on appelle des lamellipodes par
polymérisation rapide de l’active au niveau de l’extrémité positive, associée à
une dépolymérisation tout aussi rapide au niveau des extrémités négatives pour
le réapprovisionnement. La pression exercée sur la membrane permet ainsi de
faire avancer la cellule.
IV) Les microfilaments d’actine dans les cellules musculaires striées
Les muscles squelettiques sont constitués de cellules ou fibres
musculaires regroupées en faisceaux. Les cellules musculaires sont
caractérisées par un appareil contractile correspondant à l’association bout à
bout d’unités contractiles, appelés sarcomères. En microscopie
électronique ces sarcomères donnent à la cellule un aspect strié par une
succession de bande claire et sombre.
1) Structure des sarcomères au microscope électronique
Au microscope électronique les sarcomères ont un aspect bien
particulier qui est leur est donné par l’assemblage des myofibrilles. On
distingue différentes parties :
- Le disque
A correspond la bande sombre constituée de myosine et
d’actine.
- Le disque
I correspond à la bande claire constituée uniquement d’actine.
- La zone
H correspond à la zone constituée uniquement de myosine.
- La ligne
M est la ligne centrale de la zone H et de tout le sarcomère.
- Le disque
Z est au centre du disque I et correspond à la séparation des
différents sarcomères. Il est constitué de l’α-actinine.
2) Composition protéique des sarcomères
Les sarcomères ont une composition protéique bien caractéristique
lui permettant de préserver sa stabilité :
- Les microfilaments
d’actines ont leurs extrémités positives au niveau du disque Z et
leurs extrémités négatives vers le centre du sarcomère.
- La tropomyosine est
associée aux microfilaments d’actine et les stabilise.
- La myosine
de type 2 s’auto assemble en un filament bipolaire qui s’encastre
entre les microfilaments d’actine.
- L’α-actinine est
située au niveau des disques Z et permet l’ancrage des microfilaments
d’actines.
- La nébuline s’insère
au niveau du disque Z, et s’associe aux microfilaments d’actine afin de
contrôler leur assemblage et de déterminer leur longueur.
- La tropomoduline est
présente au niveau des extrémités négatives des microfilaments d’actines
et permet leur protection contre la dépolymérisation.
- Les protéines
cap Z sont présentent au niveau des extrémités positives des
microfilaments et les protègent également contre la dépolymérisation.
- La titine s’ancre
à la myosine pour la relier à la ligne M et aux disques Z.
