A. Les molécules biologiques, traces des dynamiques cellulaires (parties A2 à A4)

Plan

Compléments associés (hors de cette page) ;

* Les 4 causes d'Aristote en sciences de la vie
* Comprendre les génomes

ces compléments cadrent avec le PROGRAMME DE 1ÈRES :

* Le gène moléculaire, unité fonctionnelle synthétique

* Les enzymes et la fonction enzymatique

* l'ADN lors des cycles cellulaires

• <<<< (page précédente)
  A1 - De la genèse à l'abandon d'une vision chimique de la vie

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• A2 - Les protéines, reflets des dynamiques cellulaires
  • 2.1 Les protéines sont sans cesse synthétisées et dégradées par chaque cellule : elles sont la trace de l'activité synthétique des cellules
  • 2.2 Les protéines ont de nombreuses fonctions locales ou fonctions propres
  • 2.3 Comment est réalisée la synthèse des protéines dans les cellules de la peau humaine ?
    -----------> (1) collagènes, (2) kératines, (3) protéines intervenant dans la synthèses des mélanines
• A3 - Le paysage phénotypique en construction
  • 3.1. Comment une molécule participe-t-elle au paysage phénotypique ?
  • 3.2. On peut définir un paysage phénotypique cellulaire pour un unicellulaire
  • 3.3. Les paysages phénotypiques de l'organisme pluricellulaire encore inaccessibles

En travaux

2.1 Les protéines sont sans cesse synthétisées et dégradées par chaque cellule : elles sont la trace de l'activité synthétique des cellules

le terme protéine est employé de façon abusive ici comme équivalent du terme polypeptide (voir remarque dans la page sur le gène)

La synthèse des protéines à partir des ARNm est traitée sur une page spéciale: le gène moléculaire, unité fonctionnelle synthétique

Cette partie a pour but de s'efforcer de comprendre l'importance des protéines dans une cellule par rapport aux autres molécules comme les glucides ou les lipides ou encore les acides nucléiques.

Les protéines forment environ 60% de la masse sèche de la cellule procaryote ou eucaryote (voir niveaux d'organisation du vivant).

Mais cette masse relative par rapport aux autres composés (acides nucléiques, polysaccharides, lipides et enfin petits métabolites) peut être encore plus importante sur un organisme supérieur comme un vertébré qui possède des structures comme les phanères (poils, carapace, écailles, griffes, sabots, plumes...) entièrement composés de protéines.

On distingue :
- les protéines cytoplasmiques qui sont synthétisées dans le cytoplasme au niveau de ribosomes libres (qui s'associent aux ARNm en polysomes) ; ces protéines ont des fonctions locales cytoplasmiques; leur demi-vie (ou période; ce terme est utilisé ici de façon analogique avec la définition de la période d'un élément radioactif = temps nécessaire au renouvellement de la moitié des protéines d'un type dans une cellule ; il ne s'agit pas bien sûr de vie au sens biologique) semble variable (estimée à partir de l'incorporation d'acides aminés radioactifs elle peut varier de quelques dizaines de seconde à plusieurs jours - l'hémoglobine des hématies se conserve pendant plusieurs mois mais il s'agit alors de la durée de vie de la cellule qui est lysée au bout d'environ 120 jours).
- les protéines membranaires et extracytoplasmiques (sécrétées) qui sont synthétisées dans le cytoplasme au niveau des ribosomes accolés au RE (formant le REG). Ces protéines suivent le trajet REG->REL->Golgi->vésicules de sécrétion->membrane plasmique ou extérieur de la cellule. Elles subissent des maturations importantes et souvent un assemblage plus ou moins complexe lors de ces étapes (la majorité sont des hétéroprotéines qui contiennent donc des groupements non protéiques: sucres, groupement métalliques...). La demi-vie des protéines extracellulaires (de la matrice par exemple) est typiquement plus longue que celles des protéines cytoplasmiques.

Les protéines sont sans cesse renouvelées globalement. C'est-à-dire que la protéine est dégradée dans sa totalité et qu'une nouvelle protéine prend sa place. Lorsque ce sont des protéines membranaires , des portions entières de membrane sont dégradées (récupérées par la cellule par endocytose) puis (ou alors qu') une nouvelle membrane avec de nouvelles protéines vient se mettre en place (par exocytose).

La dégradation des protéines se fait soit directement dans le cytoplasme par des enzymes (protéases), soit dans des sous-unités protéiques spécialisées de grande taille (protéasomes), soit encore dans des vésicules généralistes de dégradation (lyzosomes).

La taille des protéines est limitée par leur mode de synthèse au niveau des ribosomes. Les protéines les plus grosses contiennent plusieurs milliers d'aa et sont intracytoplasmiques. Pour les grosses protéines extracellulaires, de petites sous-unités sont sécrétées puis assemblées à l'extérieur de la cellule (collagène...).

un cours classique, bien dans le paradigme dominant et bien illustré (sur la synthèse et la dégradation des protéines): http://www.ulysse. u-bordeaux.fr/ atelier/ikramer/ biocell_ diffusion/gbb.cel.fa. 106.b3/content/ access.htm#D14

La synthèse des protéines peut être comprise de deux façons:
- soit, selon l'explication la plus habituelle, comme le résultat de plusieurs dynamiques successives: un mécanisme chimique de synthèse localisé dans la cellule, suivi d'un adressage des protéines vers le compartiment cellulaire où elles vont être utilisées;
- soit, selon l'explication proposée ici, comme un phénomène résultant d'une dynamique unique (mais parfois complexe, et présentant des bifurcations, ce qui rend parfois le résultat imprévisible au sens expérimental) qui lie synthèse-fonction locale-lieu d'utilisation.

Les protéines sont souvent impliquées dans des assemblages; soit avec des molécules comme les lipides, notamment au sein des membranes ; soit entre elles.

* Dans le premier cas l'incorporation des protéines à des surfaces peut être relié à la dynamique qui engendre les surfaces. Ce sont principalement des lieux d'affrontement entre deux dynamiques (bords).

Ces surfaces ne sont bien sûr pas des plans mais dessinent des boules, tores et autres cylindres dont la topologie a été présentée par Thom dans de nombreux ouvrages. On peut aussi voir l'article d'Yves Bouligand à ce sujet (sur l'ancienne page sur les modèles; je recommande particulièrement la figure présentant Une "microzoologie" des formes observées et supposées de micelles "membranaires" ).
<---------ci-contre

* Dans le second cas, si on ne souhaite pas se limiter, comme pour les enzymes, à un assemblage autocatalytique et spatialement contrôlé, on peut par exemple s'intéresser à l'organisation du cytoplasme en clusters.

Selon cette théorie, la plupart des protéines intracellulaires occuperaient des domaines cytoplasmiques (clusters) de 40 nm³ de volume pour un nombre de résidus compris entre 120 et 300 et un diamètre moyen de 3,5 nm (la taille des clusters est un des fondements de l'organisation de l'eau intracellulaire en microdomaines dans la théorie de Watterson (1982,1991), voir page sur la cellule, ou (en anglais) le site http://www.lsbu.ac.uk /water/ clusters.html et notamment l'article ENZYME FUNCTION: RANDOM EVENTS or COHERENT ACTION ?).

Pour ce qui est de la formulation des dynamiques, le travail de Thom, sur lequel je m'appuie, est souvent grevé par une conception "rhéologique" erronée de la cellule (voir page sur la cellule, pour une conception plus moderne). Comme je n'ai pas les compétences mathématiques pour proposer de nouveaux modèles, je suis parfois obligé de présenter le modèle thomien comme point de départ sans avoir quelque chose de plus parlant à montrer.

Sur le site de PDB on peut télécharger un MAGNIFIQUE poster éducatif (29,5 Mo) ftp://pdbx.org:10601/ education_discussion/ molecule_of_the_month/ poster_full.pdf qui prétend présenter les relations structure-fonctions, mais qui, en fait, illustre la relation forme - fonction locale

* certaines protéines qu'on peut qualifier de structurales semblent former des assemblages souvent de grande taille dont les fonctions résultent des propriétés de l'assemblage: elles possèdent donc une fonction émergente de la réunion (et souvent de la répétition d'un grand nombre) de sous-unités protéiques. Des protéines briques... des protéines d'assemblages cellulaires... des protéines "légos" (voir une classification des protéines ci-dessous et les images du poster référencé ci-contre <-----).

* d'autres protéines, que l'on peut qualifier de protéines outils (ou machines) dont les propriétés sont directement liées à leur forme, à la répartition de leurs charges, à leurs interactions avec le milieu ou avec une autre sous-unité, ou encore avec un ligand...

Remarque:
on ne peut pas dire que certaines protéines sont structurales et d'autres fonctionnelles car toute molécule doit être impliquée dans une fonction selon la théorie dynamique du vivant que l'on suit ici: la vie s'exprime par les fonctions de nutrition, de relation et de reproduction qui engendrent et maintiennent des dynamiques locales. Du fait de leur renouvellement permanent, même les protéines "statiques", doivent s'insérer dans une dynamique.

La compréhension des fonctions locales passe par les relations entre la structure protéique (notamment au niveau des domaines ou motifs qui composent les protéines) et la fonction locale de chaque protéine.

La classification actuelle des protéines se base essentiellement sur des domaines.

Cinq niveaux sont considérés dans la CATH Protein Structure Classification

• Class (alpha, beta, alpha-beta);
• Architecture (forme de la structure secondaire : tonneau, hélice, selle...);
• Topologie (famille de plis: en tenant compte des liaisons entre les éléments de la structure secondaire);
• Superfamille Homologue (selon une origine possible commune par comparaison de séquence);
• Famille de Séquences (regroupement de familles de molécules ayant des domaines semblables et/ou des fonctions semblables).

(http://www.cathdb.info/)

Plusieurs méthodes spectroscopiques ont permis de modéliser les mouvements des groupements au sein des protéines pour essayer de comprendre leur fonction locale.

Imaginer la protéine comme un solide dont certaines parties sont mobiles est une façon mécaniciste de comprendre la fonction locale des protéines. Mais elle n'est pas inutile. Il est juste prudent de se garder de penser que cela se passe ainsi dans le cytoplasme.

Les sites en anglais sont formidablement documentés .
Par exemple : Database of Macromolecular Movements with Associated Tools for Flexibility and Geometric Analysis; par exemple la myoglobine...

En travaux

En ce début de XXIème siècle, la séquence des protéines n'est plus considérée comme une donnée stable, caractéristique d'une protéine unique; chaque protéine est constituée de domaines fonctionnels, et les domaines sont communs à de nombreuses protéines que l'on regroupe par familles. D'autre part, la forme de la protéine dépend au moins autant de son environnement que des domaines qui la composent.

La question sous-jacente est de retrouver un déterminisme expérimental auquel se raccrocher. Si la forme de la protéine n'est pas vraiment codée par sa séquence comment peut-elle être déterminée pour constituer une protéine particulière synthétisée à tel moment par telle cellule ?
L'information génétique s'arrête à la séquence. Au cours du siècle dernier les biologistes ont progressivement compris que la forme n'est que peu déterminée par la séquence (mais qu'elle repose plutôt sur le type de domaine). Ce qui détermine la forme de la molécule et sa fonction n'est donc pas dans l'information génétique. D'innombrables séquences différentes donnent les mêmes motifs. Les mêmes motifs peuvent avoir des fonctions différentes.

La meilleure analogie reste l'outil. Le matériau est composé de chaînes d'aa. Selon la séquence on peut avoir des éléments denses, souples, flexibles, empilables....Certains se suffisent à eux mêmes et ne donnent pas d'assemblages macromoléculaires (notamment certains enzymes, hormones, anticorps...). D'autres forment des structures ou participent à des structures complexes : cytosquelette, fuseau de division, myofilaments, fibres de liaison, fibres et plans (kératine...)...

L'idée de fond de cette page consiste à dire que c'est la cellule elle-même qui induit, par ses dynamiques, la synthèse et l'utilisation de telle ou telle protéine. Un changement de dynamique, pouvant provenir de l'extérieur, conduit la cellule à réorienter ses synthèses.

Comment faire le lien entre les fonctions globales (de la vie) et les fonctions locales des protéines ?

Cette question est loin d'être résolue. Et pourtant des éclaircies théoriques ont été faites et méritent d'être diffusées largement.

Si vous ne l'avez pas lue je renvoie d'abord à la citation de René Thom dans la page précédente.

L'idée de base serait que la forme métabolique de la cellule (définie dans un espace de grande dimension) générerait la forme métabolique des molécules (c'est-à-dire non seulement leur forme spatiale mais aussi les conditions de leur synthèse et de leur dégradation).

Avec les mots de Thom: «Le point important est de préciser les contraintes qui relient ce comportement biochimique global à la morphologie spatio-temporelle...».

René Thom avait déjà noté combien il était surprenant que les caractéristiques des molécules que le biochimiste voudrait voir agissantes dans la cellule sont justement les caractéristiques globales de la cellule ou du tissu que l'on cherche à expliquer ; c'est ce qu'il appelle le caractère platonicien des fonctions biologiques (L'explication des formes spatiales : réductionnisme ou platonisme ?, 1980f4.pdf).

Le chapitre suivant se propose de donner des exemples pour illustrer ces propos. Bien évidemment je ne fournis pas les réponses (je ne m'aventure pas à donner des formes métaboliques) mais je m'efforce de montrer le champ des recherches actuelles qui vont dans cette direction. Je n'oublie pas les objectifs du programme de cette partie : du génotype au phénotype.

Un dossier CNRS-Sagascience Chimie et beauté sur la peau : http://www.cnrs.fr /cw/dossiers/ doschim/decouv/ peau/index.html

2.3 Comment est réalisée la synthèse des protéines dans les cellules de la peau humaine ?

photo (http://www.biology.iastate.edu/Courses/201L/CellTypes/Cell%20structure.htm)

Introduction (in E.U. "peau")

• l'épiderme, qui provient de l'ectoderme (feuillet le plus externe de l'embryon), se met en place comme une simple assise de cellules qui se double entre la 5ème et la 7ème semaine de vie embryonnaire. La couche basale, seule, se plisse à partir de 3ème mois. L'épaississement principal à lieu à partir du 5ème mois. La différenciation n'est vraiment réalisée qu'à partir de la naissance où l'épiderme est au contact de l'air.
• le derme et l'hypoderme, qui proviennent du mésoderme (feuillet intermédiaire). Vers le 2ème mois de la vie fœtale, certaines cellules du mésoderme, qui donneront les fibroblastes, situées sous l'épiderme, se mettent à produire une matrice extracellulaire, réticulée puis fasciculée, qui s'organise progressivement pour former la trame fibreuse de collagène du derme. Les fibres élastiques commencent à être synthétisées vers le cinquième mois et se lient aux fibres de collagène. Certaines cellules du mésoderme se différencient en cellules adipeuses au niveau de l'hypoderme. Ce dernier commence à se différencier dès le troisième mois. Certains fibroblastes du derme superficiel se regroupent sous l'épiderme et induisent au niveau de ce dernier la formation progressive des annexes : poils, ongles, glandes sébacées et sudorales.
  Seul le derme est vascularisé.
• des cellules "nerveuses" venant des crêtes neurales migrent dans le derme et forment des récepteurs (mécaniques, thermiques, à la douleur...). D'autres donnent des terminaisons nerveuses libérant des neurotransmetteurs qui interviennent dans la croissance et la différenciation de l'épiderme mais aussi dans les réactions inflammatoires. Les mélanocytes sont aussi issus des crêtes neurales. Ils viennent se placer entre les cellules de la couche basale de l'épiderme et émettent des prolongements vers 36 kératocytes. Les cellules de Langerhans (cellules immunitaires du système réticulo-histocytaire et donc issues de la moelle des os longs- voir généralités sur les systèmes de relation) viennent se placer sous la couche cornée et interviennent dans la réponse locale rapide immunitaire.

* embryologie expérimentale
Lorsque l'on isole des cellules, soit suffisamment jeunes , soit plus anciennes, mais ayant gardé leurs capacités de division, on peut s'efforcer de comprendre, pour chaque type cellulaire, les conditions de leur croissance et de leur multiplication. (en travaux)
12/2009 : Greffes de peau et cellules souches - un bon article de mise au point sur

source principale E.U. article "Collagène"

dossier CNRS-Sagascience : http://www.cnrs.fr /cw/dossiers/ doschim/decouv /peau/colla.html

2.2.1 Les collagènes sont des protéines fibrillaires extracellulaires d'adhésion sécrétées par les fibroblastes et d'autres cellules

Les collagènes sont des glycoprotéines.

Il existe de nombreuses variétés de collagènes mais toutes sont assemblées à partir de chaînes protéiques allongées (le procollagène) longues d'environ 1400 aa et possédant deux têtes globuleuses au niveau des extrémités C-terminale et N-terminale.

Il existe plusieurs dizaines de séquences possibles pour ces molécules mais des gènes différents associés à chaque molécule n'ont pas été identifiés (même s'ils sont suspectés). Certains acides aminés comme la Proline sont modifiés dès leur accrochage dans la chaîne de procollagène. Des sucres, sont aussi ajoutés à certains acides aminés alors que la chaîne en formation est encore dans le cytoplasme.

Les molécules de procollagène passées dans le REG s'assemblent ensuite en triple hélice alpha (par des liaisons faibles que l'on peut dissocier par chauffage modéré à 37°C... ce que l'on fait dans la gélatine qui est composée de molécules partielles de collagène récupérées à partir d'os ou de cartilages) au niveau de leur partie droite pour former des molécules allongées d'environ 300 nm x 16 nm (si l'on supprime les têtes globulaires, qui sont d'ailleurs coupées la plupart du temps juste au moment de la sécrétion), nommées tropocollagène. Ces molécules sont sécrétées par les cellules conjonctives ou fibroblastes et participent (avec l'élastine par exemple...) à la formation de la matrice extracellulaire qui maintient de nombreux tissus chez les animaux (des collagènes sont connus aussi bien chez les éponges que chez l'ensemble des vertébrés).

Dans de nombreux cas les molécules de tropocollagène s'organisent ensuite en fibrilles de plusieurs (5?) molécules alignées et légèrement décalées entre chaque file de molécules et formant ainsi des motifs répétitifs visibles en microscopie optique. Les molécules de tropocollagène y sont modifiées par des liaisons chimiques fortes. Ces fibrilles s'assembleraient pour donner des fibres de diamètre variable (quelques micromètres à quelques centaines de micromètres). Une partie non négligeable des molécules de tropocollagène sécrétées est détruite immédiatement sans que l'on en connaisse la raison.

Pour des illustrations:
http://pdbbeta.rcsb.org/pdb/static.do? p=education_discussion/ molecule_of_the_month/pdb4_1.html
voir aussi http://pdbbeta.rcsb.org/pdb/static.do? p=education_discussion/ molecule_of_the_month/pdb4_3.html

http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/ atelier/ikramer/biocell_diffusion/ gbb.cel.fa.103.b3/content/access.htm#D9

On ne connaît pas de fichier PDB d'une molécule de procollagène naturelle.

Seuls quelques exemples de petits peptides de synthèse sont proposée sur la base SCOP http://scop.berkeley.edu/ data/scop.b.bb.f.A.A.html (choisir collagen-like peptides (fold 5) dans la section designed proteins).

Le plus proche d'une molécule de tropocollagène sans ses extrémités globuleuses est le fichier 1BKV.pdb (le fichier contient 3 chaînes de 30 aa alors que l'on pense que chaque chaîne contient atteint 1400 aa et possède une tête globuleuse).

Les cellules capables de synthétiser des collagènes sont non seulement les fibroblastes du tissu conjonctif mais aussi les cellules cartilagineuses, les cellules osseuses, les cellules musculaires...

Il existe de très nombreuses pathologies de la synthèse des collagènes, aussi bien chez l'embryon que chez le jeune ou encore l'adulte et le senior (la synthèse de collagène ne diminue pas avec l'âge (et augmente même souvent ce qui conduit à des fibroses) mais le type de collagène synthétisé change souvent et conduit à des pathologies comme celles de ligaments insuffisamment élastiques ou de vaisseaux dont la lame basale est épaissie mais fragilisée)... En médecine légale, l'âge approximatif d'individus décédés. peut être déterminé à partir du tendon du diaphragme par l'étude de sa résistance à la digestion par la collagénase ou à sa résistance à la contraction thermique.

D'une façon biomimétique fonctionnelle les collagènes permettent aux industriels de fabriquer des gélatines qui sont les composants majeurs des colles (que l'on retrouve dans le nom "collagène").
Les agents tannants du cuirs permettent de donner souplesse et résistance aux fibres de collagène qui le composent principalement.

La lutte contre les rides du visage qui apparaissent avec l'âge est curieusement basée sur l'argument que les cellules du derme sécrètent moins de collagène avec l'âge, ce à quoi on vous propose de remédier par des injections sous-cutanées de collagène. Il s'agit davantage de modelage à partir d'un matériau réputé inoffensif que d'une compensation (l'injection de collagènes bovins ou porcins en est l'indice), même si l'ajout de certaines enzymes permet l'établissement de ponts entre les fibres nouvelles et le réseau en place.

Les collagènes sont des molécules variées formant des assemblages plus ou moins lâches, plus ou moins ordonnés et plus ou moins réticulés, de filaments extracellulaires plus ou moins collants. Ils participent à la matrice extracellulaire à laquelle s'accrochent les cellules. Ce sont des protéines d'adhésion (le mot collagène a été forgé à partir de "colle" et de "gène").

Deux paramètres principaux semblent gouverner la synthèse des collagènes (en plus des éléments génétiques) : l'âge des cellules (selon les types cellulaires ce sont des cellules jeunes ou âgées qui sécrètent le plus de collagène) et leur état de tension (les cellules soumises à des tensions sécrètent davantage de collagène).

Chez l'embryon, ce sont les cellules mésenchymateuses (cellules non différenciées du mésoderme), du derme et secondairement de l'hypoderme, qui, dès le 2ème mois, sécrètent la matrice de collagène, à laquelle viennent s'ajouter les fibres élastiques vers le 5ème mois.

Les fibres de collagène sont considérées physiquement comme des fibres viscoélastiques dont la déformation à l'étirement est d'abord élastique (rapide et qui revient à son point de départ lorsque cesse la contrainte) mais aussi visqueuse dans la mesure ou la déformation augmente lentement avec une rémanence, ce qui induit que la fibre se déforme plus lentement et avec une moindre amplitude que si elle était seulement élastique.
Les paramètres physiques déterminés in vitro dépendent bien évidemment des types de collagène. Pour des tissus, dont les fibres sont variées (présence d'élastine ou de fibres musculaires ou de kératines...) les données sont aussi très variables.

Les fibres de collagène sont résistantes avant tout à la tension. Elles sont sécrétées par des cellules soumises à des tensions et sont davantage sécrétées lorsque ces cellules sont soumises à des tensions supplémentaires.

Le premier niveau d'explication, conforme au paradigme dominant voudrait que l'on recherche des mécanismes physiques de contrôle mécanique de l'expression des gènes des collagènes. Mais il est bien plus prometteur de rechercher des champs et d'autres grandeurs qui pourraient affecter un tissu soumis à des tensions et chercher à trouver comment sont modifiées les dynamiques de synthèse et d'assemblage des chaînes de collagène. C'est ce que certains laboratoires de biophysique et de biomathématiques font.

article d'Yves BOULIGAND: CRISTAUX LIQUIDES - Phases mésomorphes biologiques (E.U.)

Pour une image présentant un biomatériel (synthétique) :

une phase cristalline liquide de collagène stabilisée :
on remarquera la structure en arceaux caractéristique des phases cholestériques (que l'on retrouve avec la cellulose par exemple),
pages de l'équipe "matériaux du vivant" de l'UMPC
et particulièrement "Biomatériaux et hybrides organo-minéraux" (ancienne page 2007)

Ecole polytechnique; Mathématiques appliquées au vivant; http://www.cmap.p olytechnique.fr/ spip.php? rubrique23

Le groupe de travail Mathématiques-Biologie de l'ENS : http://www.dma.ens.fr/ equipes/edp/biomath/ biomath.html

Département de mathématiques appliquées de l'ENS : http://www. dma.ens.fr/

CNRS-INPG-Unive Grenoble-EPHE
* l'équipe DYNACELL de Philippe Tracqui: http://www-timc.i mag.fr/ rubrique113.html du Laboratoire TIMC-IMAG (Techniques de l'Ingénierie Médicale et de la Complexité - Informatique, Mathématiques et Applications de Grenoble)
et, dans la même structure,
* l'équipe CNRS - TIMB (Traitement de l'Information et Modélisation en Bio-médecine) de Jean-Louis Martiel : Dynamique du cytosquelette d'actine : analyse par modèles

Université de Bordeaux - Centre de recherche Blaise Pascal:
http://www.crpp.u-bordeaux.fr/spip.php?rubrique3 SYBIO Physico-chimie des systèmes biologiques...

« En résumé, notre méthode appelée OFSHM (Orientation Field-Second Harmonic Microscopy : Microscopie d'orientation de champ par les harmoniques secondes (?)...) fournit donc une technique non destructive et potentiellement non invasive permettant de réaliser des images profondes de structures fibrillaires non linéaires (collagène, mysosine), et ainsi apprécier l'organisation structurale normale de tissus sains ou malades. OF-SHM peut s'utiliser jusqu'à quelques centaines de micromètres de profondeur et ne nécessite pas de métallisation puisqu'elle utilise un signal endogène.»

Des pages intéressantes par leur démarche pédagogique (ne sont plus accessibles en 01/2010, dommage) : http://www.ac-versailles.fr/ etabliss/ lyc-lecorbusier-poissy/ SVT/TP_1S/ Cheveu/ cheveux_G.htm; plusieurs TP sont proposés autour des cheveux et permettent de balayer cette partie du programme : une approche biologique intelligente.

Desmosome
MET (environ x 50.000): on distingue très bien sur les côtés gauche et droit de la photo les filaments de kératine dans le cytoplasme. Les membranes des deux cellules réunies ici séparent la photo approximativement selon un axe médian vertical. (accès à l'image à partir de la page: http://www.udel.edu/biology/ Wags/histopage/ empage/eep/eep.htm) avec l'aimable autorisation de Dr. Roger C. Wagner - Professor Emeritus of Biological Science - University of Delaware

schéma d'interprétation d'un desmosomes sur biodidac : http://biodidac.bio.uottawa. ca/ftp/ BIODIDAC /Zoo/ Cell/diagbw/ cell023b.gif

un schéma de situation, une interprétation et une électronographie de desmosome sur le site de Biologie du développement (légendes en anglais) : http://8e.devbio.com / image.php?id=104

Les kératines font partie des cytofilaments, c'est-à-dire des filaments (type intermédiaire, apolaires et de diamètre compris entre 10 et 15 nm) qui constituent le cytosquelette des cellules (qui comprennent aussi, d'autre part, les microtubules (25 nm de diamètre) et les filaments fins d'actine (5 à 9 nm de diamètre)).

Les kératines sont caractérisées par leur insolubilité dans l'eau (liée à leur absence de polarité) et leur résistance aux enzymes protéolytiques (enzymes dégradant les protéines par rupture des liaisons peptidiques).

Pour les séquences
voir le site UNIPROT http://beta.uniprot.org/ keywords/416
(au 28/06/2007 il y a 744 protéines référencées (231 sont décrites chez l'homme).... des kératines différentes selon les organismes ou des types de kératines chez un type cellulaire ou dans le même type cellulaire et enfin des polypetides associés variés pour près de la moitié des références... )

On connaît actuellement plus de 49 gènes fonctionnels codant pour des molécules filamenteuses de kératine, qui peuvent être différentes, et qui s'associent entre elles en formant des dimères (qui sont les unités de base: deux molécules s'associent parallèlement c'est-à-dire avec leurs extrémités NH2 du même côté) puis des tétramères par association antiparallèle (tête-bêche) de deux dimères. Les polymères d'ordre supérieur donnent des fibres de diamètre variable. 5% des kératines du cytoplasme des cellules épithéliales sont sous forme tétramèrique. Il existe des kératines "molles" et "dures" qui diffèrent par les molécules des dimères. Les domaines alpha-hélicoïdaux (environ 310 aa) sont très conservés (les séquences protéiques ne changent que très peu: elles sont composées majoritairement de répétitions de 7 aa ou heptades qui favorisent le superenroulement) alors que les parties terminales et les parties reliant les domaines alpha sont beaucoup plus variables et donc différencient les filaments intermédiaires entre eux (qui peuvent avoir des PM de 40.000 à 200.000 daltons).

Ultrastructure PARTIELLE de l'épiderme
(d'après Biologie du Développement, Gilbert, DeBoeck, fig. 12.31)

La synthèse de kératine est d'abord réalisée au niveau des kératocytes de la couche basale (couche de Malpighi) et de la couche suivante, non signalée ici, ou couche épineuse (stratum spinosum). Dans la couche granuleuse (stratum granulosum) les filaments de kératine (tonofilaments) s'agglomèrent par des ponts et forment des granules. La kératine "mûre" qui remplace tout le contenu cytoplasmique des cornéocytes est formée par l'agglomération des granules.

Pour de bonnes électronographies des différents types cellulaires voir par exemple le site de l'Université de Mainz en Allemagne :
Quelques photos:
vue générale en coupe- MET x5.000 environ
vue des deux premières couches de kératocytes (reposant sur la lame basale et le derme en dessous à droite - basale en bas de la photo et épineuse en haut )- MET x6.000 environ
kératinocytes de la couche granuleuse - MET x10.000 environ
kératinocyte de la couche épineuse (indiqué comme provenant de la couche épineuse mais cela me semble peu probable étant donné les nombreux espaces avec les cellules voisines et l'important volume du noyau - MET x10.000 environ

Toutes les cellules épithéliales expriment des gènes de kératine mais les cellules qui sont soumises à des contraintes mécaniques (notamment les épithéliums) possèdent un grand nombre de filaments de kératine. Les kératinocytes accumulent différents types de kératine. Lorsqu'ils se transforment en cornéocytes, qui sont des cellules mortes, ils sécrètent un ciment lipidique hydrophobe (riche en céramides) qui les colle aux cornéocytes voisins. La différenciation des kératinocytes commence avec la synthèse de protéines particulières (involucrine et transglutaminase par exemple) et la transformation de la kératine en kératohyaline (filaments de kératine réunis par des ponts grâce à une protéine basique : la filagrine). On pense que l'arrêt de la synthèse des protéines est marqué par la formation d'amas de ribosomes. La différenciation se poursuit par des modifications de la kératine (nouveaux ponts disulfure, interaction avec des protéines matricielles, changement de taille moléculaire), et la dégradation du noyau par un mécanisme voisin de l'apoptose.
Certains kératocytes synthétisent des kératines très dures qui donnent la "corne". Les cellules épithéliales en phase de prolifération (mitoses) synthétisent des kératines particulières qui sont utilisées pour détecter les cancers épithéliaux (par exemple données de génétique: http://www.theses.ulaval.ca/2004/22343/ch01.html).

Cependant il faut noter combien l'étude des filaments de kératine est difficile car elle est limitée à des expériences et observations in vivo (au niveau cellulaire, sur des souches isolées et souvent particulières). De nombreuses expériences sont aussi réalisées sur des "modèles" animaux (Souris...) chez qui on étudie les conséquences de certaines mutations affectant tel ou tel gène moléculaire de telle ou telle kératine (voir aussi référence ci-contre).

La présence des kératines et les jonctions étroites entre les cellules de l'épiderme sont considérées comme responsables des propriétés protectrices de l'épiderme (surtout par la couche cornée). Les kératines et le ciment interstitiel lipidique sont hydrophobes, ce qui justifie l'imperméabilité de la couche cornée (et donc la difficulté d'y faire pénétrer des cosmétiques en suspension aqueuse).

La desquamation est initiée par des enzymes contenues dans le ciment hydrophobe interstitiel.

La souplesse de la couche cornée dépend de la concentration en eau associée aux résidus protéiques cytoplasmiques hydrophiles. Lorsqu'ils sont en faible quantité la couche cornée devient cassante.

Les kératines sont des protéines intracytoplasmiques cytosquelettiques sécrétées par toutes les cellules. En faible quantité, les filaments de kératine structurent la cellule. Certaines cellules , au cours de leur différenciation, sécrètent presque exclusivement ces filaments (qui s'agglomèrent), perdent leur noyau et meurent. Leur cadavre, presque exclusivement protéique, mais agglomérés par un ciment lipidique, permet la constitution de couches cornées protectrices plus ou moins souples et des phanères de nombreux animaux.

Le cytosquelette est une structure dynamique :
* souple, il suit les déformations de la cellule induites, soit par des contraintes mécaniques externes, soit par des contraintes mécaniques internes, dues à des métabolismes;
* en permanent remaniement.

Dans la différenciation des kératinocytes en cornéocytes la synthèse des kératines devient prédominante puis, brusquement, par un phénomène voisin de l'apoptose, il y a différenciation en cornéocyte avec formation d'une couche cornée. Cette différenciation coïncide avec l'exposition à l'air des kératinocytes (et donc avec leur dessèchement). Ces couches épidermiques les plus externes sont aussi celles où les tensions sont maximales. Des zones plus localisées comme les durillons (doigts), les cals au niveau de la plante des pieds... apparaissant plus tardivement, sous l'action de forces répétées, sont aussi de bons marqueurs de ce remaniement cellulaire mécanosensible.

extrait de René Thom, La notion de préprogramme en biologie, 1984(f5), p11

«Le point important est de préciser les contraintes qui relient ce comportement biochimique global à la morphologie spatio-temporelle décrivant l'évolution de la cellule au cours d'un cycle de reproduction. Un couplage spatial entre phases et régimes métaboliques va s'imposer. Le complexe macromoléculaire doit nécessairement coloniser la membrane limitante (relativement fixe) ; ainsi va se constituer un cytosquelette, partiellement mobile, mais qui néanmoins permet de suivre, dans une carte globale définie dans R^4, la trajectoire de tout point lié à ce squelette (mathématiquement le cytosquelette définit une connexion). La partie du cytosquelette située dans la membrane limitante est l'homologue des rives de notre flux métaphorique, car la biochimie « statique », de cette enveloppe varie peu (elle s'accroît par polymérisation); au contraire les macromolécules internes vont constituer la partie mobile, la roue du moulin ; l'axe de la roue aura pour homologue le génome...»

La dynamique de synthèse des kératines passe donc d'un régime cellulaire global (pour tout le cytoplasme) dans la phase embryonnaire, à un régime beaucoup plus localisé aux zones de tension et d'accrochage entre les cellules (au niveau de nœuds que sont les desmosomes) pour finir, lors de la différenciation en cornéocytes, par atteindre un régime paroxysmal conduisant à la mort cellulaire.

En travaux

Document de l'APBG-INSERM: La peau humaine (1997)
Encyclopédie Universalis

Un dossier CNRS-Sagascience :http://www.cnrs.fr/ cw/dossiers/ doschim/ decouv/peau /melanines.html

Pourquoi synthétiser des pigments?
Et pourquoi y-a-t-il des différences de couleur de peau entre les individus ?

On aimerait pouvoir dire que les mécanismes conduisant à la synthèse et à l'accumulation des pigments colorant les cellules de la peau forment un groupe cohérent et homogène. Bref, on recherche un déterminisme qui serait associé à une fonction locale unique.

Mais ...

* du point de vue chimique seules les eumélanines forment un groupe de composés homogènes. Dans la plupart des cellules pigmentées, aussi bien chez l'homme que chez de nombreux animaux, la pigmentation résulte de l'accumulation de plusieurs pigments. De plus, des facteurs difficilement quantifiables, comme la vascularisation, interviennent aussi dans la coloration.

* du point de vue cytologique on observe bien une certaine unité: des cellules fabriquent des grains colorés et les transmettent à d'autres cellules qui les stockent. Il y a donc séparation des mécanismes de synthèse et de stockage.

D'autre part les mélanocytes ont une origine ectodermique particulière (crêtes neurales, voir ci-dessus), ce qui, avec leur morphologie (un corps cellulaire prolongé par de nombreux dendrites) et leur anatomie (un mélanocyte est en contact dendritique avec un nombre relativement précis de kératocytes (jusqu'à 36), souligne encore les affinités avec les cellules nerveuses. D'une façon générale, il est admis que les cellules nerveuses ont un rôle principal dans la communication (traitement des signaux sensoriels, motilité, contrôle rapide des fonctions organiques...voir suite cours de 1ère S). Ce rôle serait ici conforté. On peut ainsi affirmer que les mélanocytes ont des affinités (embryologique, structurale et fonctionnelle) avec les astrocytes.

Vidéo (.mov) de mélanosomes en mouvement à l'intérieur des mélanocytes séquence #1 (http://dir.nhlbi.nih.gov/ labs/lcb/mcb/images/1.mov sur le site http://dir.nhlbi.nih.gov/ labs/lcb/mcb/)

Peut-on trouver un rôle à ces pigments ?  

Le premier rôle supposé est celui de la protection contre certains rayonnements solaires

On a ensuite souvent avancé l'idée que ces pigments sont des déchets cellulaires; le stockage dans des cellules à courte durée de vie et leur élimination par desquamation serait un mode commode d'excrétion.

Ne peut-on pas envisager que certains pigments soient synthétisés pour eux-mêmes ? Le déterminisme n'est pas alors dans la composition chimique des pigments, ni dans leur devenir, mais dans la couleur de peau elle-même. La couleur de peau comme lien social.

Comment prendre en compte la dimension de relation de la couleur de peau qui intervient dans la structuration des sociétés ?

Comment rendre compte de cette unité et de cette variabilité par un modèle ?

En tout cas il est clair que l'on ne pourra se limiter au seul niveau moléculaire.

En travaux

Les mélanines forment un groupe hétérogène dont l'unité vient de leur rôle dans la coloration des cellules.

1 - phæomélanines (ou phéomélanines, jaune à rouge-brun clair, solubles dans la soude) et eumélanines (brun à noir, insolubles), mélanines animales: par exemple les pigments des cheveux, des plumes et de l'encre des Céphalopodes (sépiomélanines) qui sont des eumélanines; ils peuvent en outre (dans les plumes) participer à des phénomènes de diffraction de la lumière donnant ainsi des couleurs irisées. Les pigments de cheveux humains roux et des poils de renards rouges sont des phæomélanines. Les phæomélanines et eumélanines peuvent coexister ou s'ajouter à d'autres pigments et l'on obtient ainsi une grande variété de pigmentations (dans les plumes par exemple).
* Les eumélanines forment un groupe chimiquement plus homogène: leur précurseur biologique est la tyrosine; l'oxydation de cette dernière donne le dopachrome, l'acide dihydroxy-5,6 indole carboxylique et le dihydroxy-5, 6 indole; la polymérisation de ces précurseurs conduit aux eumélanines. Toutes les réactions qui aboutissent à la mélanine sont catalysées par une seule enzyme, la phénoloxydase ou tyrosinase. La tyrosinase est l'enzyme essentielle chez l'homme de la synthèse de mélanine. Des mutations ponctuelles du gène de la tyrosinase ont été isolées chez l'homme et rapportées à différents formes d'albinisme. L'albinisme chez l'homme, absence de mélanine dans la peau, les phanères, l'iris et la rétine, s'accompagne d'une augmentation de l'élimination urinaire de la phénylalanine et de la tyrosine.
* Les phæomélanines sont hétérogènes: elles proviennent de la tyrotine et de la cystéine.
Cependant il y a souvent des modifications de ces substances par l'introduction d'éléments divers.

2 - allomélanines (très diverses), que l'on trouve dans les autres royaumes que le règne animal par exemple la sclérotine des cuticules d'Insectes, ou le pigment noir des spores de champignons comme Aspergillus niger.
Dans les allomélanines on trouve des produits de réaction des quinones sur des aminoacides et des protéines, des polymères de polyphénols (acides humiques), etc. La structure des acides humiques du sol, de la tourbe et des charbons est particulièrement complexe du fait du grand nombre de polyphénols pouvant entrer dans leur composition. Chez les Insectes, l'apparition des pigmentations dues aux mélanines est très sensible aux conditions de l'environnement, comme la température, l'humidité et la teneur en gaz carbonique.

Les mélanosomes possèdent une structure lamellaire revélée en microscopie électronique sur les jeunes mélanosomes. Dès que l'accumulation de mélanines est importante la structure lamellaire n'est plus reconnue (in Ultrastructure cellulaire et tissulaire, Cross, Mercier, 1995, De Boeck Université, p 248-249).

Pour une vision limitée au paradigme moléculaire voir La couleur de la peau : une variable continue, Pascal Léonardi, Pour la Science, 313, nov 2003, pp 62-69

Les couleurs de peau sont un paramètre continu (et qualitatif) dans l'espèce humaine

La seule différence entre la peau "noire "et la peau "blanche" réside dans le nombre, la taille et le type des mélanosomes (La peau humaine, APBG-INSERM, doc A - fig. 3 et 4).. (voir image ci-dessus pour la position de ces cellules en coupe histologique)

Chez un homme à peau claire ( de type caucasien) les mélanocytes sont facilement reconnaissables: peu nombreux, à la base de l'épiderme, et au cytoplasme clair (ils sont peu actifs); les kératinocytes de la base (en contact avec les prolongements dendritiques des mélanocytes) ont souvent un cytoplasme plus foncé. Les mélanosomes sont injectés par petits groupes dans les kératinocytes et digérés rapidement lorsque que le kératinocyte migre vers la couche cornée.

Couche cornée d'une peau de type causasien

Couche cornée d'une peau de type négroïde (mélanosomes non digérés)

Chez un homme à peau sombre (de type négroïde), les mélanocytes sont très difficilement différenciables des kératinocytes : ils sont très nombreux mais leur cytoplasme est sombre, tout comme celui des kératinocytes; on peut cependant les différencier sur de fines coupes à des grossissements plus élevés (x 600) par leurs expansions dendritiques et leur cytoplasme de couleur plus homogène que celui des kératinocytes. Les mélanosomes sont plus gros que ceux de la peau claire, injectés un à un dans les kératinocytes, et résistant, du fait de leur taille, à la digestion, de sorte qu'ils restent présents dans la couche cornée.

La vascularisation dermique intervient bien sûr aussi dans la couleur de la peau (du fait de la couleur rouge sanguine, liée à l'hémoglobine) mais moins que la composition et la forme des mélanines stockées.

Les mélanocytes se dispersent dans les premières couches (basales) de l'épiderme, au voisinage de la couche dite de Malpighi qui, par division, régénère l'épiderme de façon continue (on change d'épiderme tous les 6 semaines environ !). Le nombre de mélanocytes par rapport au nombre de cellules basales de l'épithélium varie selon les régions du corps entre 1/5 et 1/10; la face et les organes génitaux contenant le plus de mélanocytes par rapport aux cellules épithélilales basales.

Comment rendre compte d'un paramètre (la couleur) qualitatif et continu avec une concentration ou une répartition quantitative d'un ou de plusieurs pigments ?

À la recherche d'un modèle continu

Y-a-t-il un bord net entre les différentes couleurs à partir du moment où elles sont sur un substrat ?

Ne peut-on pas passer continûment d'une couleur à une autre ?

Pour René Thom, à la suite d'Aristote et avec Gœthe, la couleur et un genre (genos) et "bleu "ou "rouge" sont des espèces (eidos). Avec le vocabulaire thomien on parle de prégnance et saillance.

« Il faut ajouter qu'en réfléchissant à ce qu'Aristote appelait, l'équivalence par excès ou par défaut entre deux organismes, d'Arcy Thompson a été amené à l'interpréter comme une isotopie entre les deux stratifications en homéomères de ces organismes. Découverte fondamentale, qui jette une lumière sur la définition de l'espèce chez Aristote. (Il s'agit plutôt d'une équivalence selon le genre (), plutôt qu'une équivalence plus fine selon l'espèce ().)»

René Thom, inédit, Document 9 (16 novembre 1993) La Naturphilosophie, son apport historique, et quelques illustrations actuelles, 1993 (i), p64

Il s'agit donc d'élaborer un modèle mathématique thomien qui utilise un paramètre social...

En travaux...