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Biologie Cellulaire Licence Bio

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Biologie Cellulaire
Licence Bio-Math 2012
Plan :
1.Caractères distinctifs des cellules Eucaryotes par rapport aux procaryotes
1.1. compartimentation
1.2. cytosquelette
2.Les compartiments membranaires
2.1. noyaux
2.2. réticulum endoplasmique (synthèse exportation des protéines et des
lipides)
2.3. appareil de Golgi
2.4.transport vésiculaire
2.5. pinocytose, phagocytose, lyzosomes
3.Les organites semi autonomes
3.1.la mitochondrie
3.2.le chloroplaste
1
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1.2. Le cytosquelette
Le cytosquelette de
cellules fixées
colorées au bleu de
Coomassie
2
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1.2. Le cytosquelette
3
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1.2. Le cytosquelette
Fonction structurelle
• Support mécanique par le maintien de la forme des cellules
• les fibres d u cytosquelette stabilisent et balancent les forces
opposées au sein des cellules
• fournissent les points d’ancrage des organites intracellulaires
• leur fonction est dynamique s’assemblent en un point et se dissocient
en un autre
•
•
•
•
Adaptation de la cellule à son environnement
Forme
Robustesse
Organisation de ses composants
4
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1.2. Le cytosquelette
Le cytosquelette est un réseau de fibres qui s’étend dans
tout le cytoplasme.
Le cytosquelette organise les
structures et les activités de la cellule
5
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1.2. Le cytosquelette
•
•
•
•
•
•
•
•
Mitose
Cytodiérèse
Trafic des organites (eg vésicules)
Protection de la membrane plasmique
Mobilité (spermatozoïde, fibroblaste, … )
Contraction musculaire
Axones et dendrites du neurone
Croissance des plantes …
6
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1.2. Le cytosquelette
•
•
•
•
•
Trois familles de protéines
Trois types de filaments
Certains caractères sont communs
D'autres sont spécifiques
Quatre chapitres
– I - Les principes communs aux trois types de filaments,
assemblage, désassemblage
– II - Les protéines associées et leur rôle
– III - Les moteurs moléculaires
– IV - Fonctions du cytosquelette dans la cellule
7
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1.2. Le cytosquelette
1.2.1 - Les principes communs aux trois types de
filaments, assemblage, désassemblage
• Les trois types de filaments du cytosquelette
– Filaments intermédiaires
– Microtubules
– Microfilaments
• Très nombreuses protéines accessoires
– liaison filament  filament
– liaison filament  autres composants de la cellule
– contrôle des filaments
– comprennent les moteurs
• filament  filament
• filament  autres composants de la cellule
8
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1.2. Le cytosquelette
• Il y a 3 grands types de fibres qui constituent le
cytosquelette : les microtubules, les microfilaments
(filaments d’actine), et les filaments intermédiaires.
schématisation
MET
Marquage
immunofluorescent
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Propriétés
Microfilaments (filaments d’Actine)
1.2.
Le cytosquelette
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Filaments intermédiaires
Microtubules
Structure
Deux filaments d’actines jumelés
Protéines filamenteuses superenroulées dans des filaments
épais
Tubes creux, dont les parois
consistent en 13 colonnes de
molécules de tubuline
diamètre
7 nm
8-12 nm
25 nm avec un lumen de 15 nm
Sous-unités
protéiques
Actine
Une des différentes protéines
de la famille de la kératine
Tubuline (a et b tubuline)
Principales
fonctions
- Maintien de la forme cellulaire
(tension)
- Changement de forme de la cellule
- Contraction musculaire
- Mouvement cytoplasmique continu
- Motilité cellulaire (pseudopodes)
- Division cellulaire (formation du
sillon de clivage)
-Maintien de la forme cellulaire
(tension)
- ancrage du noyau et de
certains organites
- formation de la lamina
nucléaire
- Maintien de la forme cellulaire
(compression)
-Motilité cellulaire (cils et
flagelles)
- mouvements des
chromosomes durant la division
cellulaire
- mouvements des organites
10
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1.2. Le cytosquelette Filaments d'actine (=microfilaments)
•
•
•
•
•
Lamellipodes, filipodes (dynamiques)
Stéréocils (statiques)
Anneau contractile
Forme de la surface de la cellule
Locomotion
11
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1.2. Le cytosquelette
Filaments d'actine :structure
12
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1.2. Le cytosquelette
Filaments d'actine :structure
Mécanisme de la nucléation
• Régulée par des signaux externes
• Catalysée par un complexe de protéines qui comprend deux
Actine Related Proteins (ARPs)
13
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1.2. Le cytosquelette
Filaments d'actine :structure
Actin Related Proteins (ARPs)
•
•
•
•
•
•
•
Catalysent la nucléation de l'actine
2 protéines proche à 45% de l'actine
Fonction analogue à -TuRC pour la tubuline
Comprend le complexe ARP (= Arp 2/3)
Nuclée le filament à partir de l’extrémité –
Et allonge rapidement l’extrémité +
Peut se fixer latéralement  embranchement
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1.2. Le cytosquelette
Filaments d'actine :structure
Rôle du complexe ARP dans la nucléation de l'actine
Fig16-28(AB)
15
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1.2. Le cytosquelette
Filaments d'actine :structure
Rôle du complexe ARP dans la formation du réseau d'actine
Fig16-28(C)
16
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1.2. Le cytosquelette
Filaments d'actine :structure
Microscopie électronique de complexes Arp2/3 en congélation sublimation et ombrage rotatoire (A)
et de complexes mélangés avec des filaments d’actine cappés avec de la gelsoline (B-D).
Electron micrographs of quick-frozen, deep-etched, and rotary-shadowed samples of
Arp2/3 complex (A) and complex mixed with gelsolin-capped actin filaments (B-D).
In the presence of Arp2/3, complex actin filaments form branching arbors with
numerous end-to-side connections between filaments (B). The branch points appear
to be rigid attachments with a fixed 70° angle between actin filaments (C) and
frequently contain a globular mass at the point of attachment (C, left arrow in B).
(D) Filaments partially decorated with Arp2/3 complex. (E) Globular masses
associated with filament pointed ends in the presence of Arp2/3 complex.
Conditions: buffer same as Fig. 1
Mullins,RD1998
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1.2. Le cytosquelette
Filaments d'actine :formation
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1.2. Le cytosquelette
Filaments d'actine :formation
19
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1.2. Le cytosquelette
Filaments d'actine : arrangement
20
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1.2. Le cytosquelette
•
•
•
•
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Filaments intermédiaires
Tapissent la face interne de l'enveloppe nucléaire
Force mécanique
Maintien des épithéliums
Protection des neurones
21
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1.2. Le cytosquelette
Filaments intermédiaires : structure
22
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1.2. Le cytosquelette
Filaments intermédiaires : structure
23
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1.2. Le cytosquelette
Filaments intermédiaires : structure
Dynamique des filaments intermédiaires
• Désassemblage par phosphorylation des protéines
(comme pour les lamines pendant la mitose)
• Existence d'un turnover des sous-unités
24
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1.2. Le cytosquelette
Filaments intermédiaires : structure
Enroulement des hélices 
• Structure biochimique : domaine en hélice  avec
 40 motifs répétés de 7 acides aminés
• La variabilité porte sur les extrémités
25
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1.2. Le cytosquelette
Filaments intermédiaires : structure
Principaux types de protéines des filaments intermédiaires
Type de filaments
intermédiaires
Polypeptides de composition
Localisation cellulaire
nucléaire
Lamines A, B et C
Lamina (enveloppe interne nucléaire)
Famille de la
vimentine
Vimentine
Nombreuse cellules d’origines
mésenchymateuses
Muscle
Cellules gliales (astrocytes cellules de
Schwann)
Neurones
Desmine
Protéine gliale fibrillaire acide
Périphérine
épithélial
Kératine type I (acide)
Kératine type II (basique)
Cellules épithéliales et dérivées (ongles,
cheveux)
axonal
Protéines des neurofilaments
Neurones
Expression différente en fonction du type cellulaire
26
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1.2. Le cytosquelette
Filaments intermédiaires : mécanique
• Un filament intermédiaire = 32 hélices
• Nombreuses liaisons latérales hydrophobes
• Faciles à plier mais difficiles à rompre
27
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1.2. Le cytosquelette
Filaments intermédiaires : les kératines
•
•
•
•
•
•
•
Environ 20 types différents
Dans les cellules épithéliales
10 types spécifiques des ongles et des poils
Peuvent copolymériser
Kératine I (acide)= kératine II (basique) [en quantité]
Liaison des réseaux par des liaisons SS
Peau, cheveux, ongles, griffes, écailles
28
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1.2. Le cytosquelette
Filaments intermédiaires : les kératines
• Filaments de kératine
• Limites des cellules
29
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1.2. Le cytosquelette
30
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1.2. Le cytosquelette
Filaments intermédiaires : les neurofilaments
•
•
•
Axone des neurones
3 types de protéines
– NF-L
– NF-M
– NF-H
Hétéropolymère avec NF-L + un autre
31
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1.2. Le cytosquelette
32
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1.2. Le cytosquelette
•
•
•
•
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Microtubules
En étoile à partir du centre de la cellule
Fuseau, cils, flagelles
Position des organites à membrane
Transport intra cellulaire (axones … )
33
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1.2. Le cytosquelette
34
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1.2. Le cytosquelette
35
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1.2. Le cytosquelette
Dans les cellules animales, le centrosome a une paire de centriole,
lesquels sont constitués de 9 triplets de microtubules arrangés en
anneau.
Pendant la division cellulaire les centrioles se répliquent.
36
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1.2. Le cytosquelette
Nucléation des microtubules
• Centre Organisateur des MicroTubules (COMT) = site de
nucléation des microtubules dans la cellule
• -tubuline = nucléation des microtubules
• De la levure à l'homme
• Présente dans tous les COMT
• -tubuline ring complex (-TuRC) = COMT très puissant
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1.2. Le cytosquelette
Nucléation des microtubules par la -tubuline
• Nucléation à l’extrémité moins
• Allongement par l’extrémité plus
• Intervention de deux protéines qui se fixent directement
à la -tubuline
38
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1.2. Le cytosquelette
• Nucléation d'un microtubule par -TuRC
• Présence des deux protéines plus des
protéines accessoires pour aider à la
création de l’anneau
• -tubuline ring complexes en microscopie
électronique
Fig16-22
• MT nucléés à partir de -tubuline ring
complexes purifiés
39
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1.2. Le cytosquelette
40
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Modèles de nucléation des microtubules
Moritz,M2001(fig1)
Microtubule nucléé spontanément
à partir de tubuline / pure
Modèle avec matrice
41
Modèle protofilament
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1.2. Le cytosquelette
42
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1.2. Le cytosquelette
Cas particuliers de COMT
• Champignons et diatomées
– pas de centriole
– plaques incluses dans l'enveloppe nucléaire : corps
du pôle du fuseau
• Plantes supérieures
– pas de centriole
– COMT répartis tout autour de l'enveloppe nucléaire
• Présence de -tubuline dans tous les cas
43
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1.2. Le cytosquelette
Le centrosome : principal centre organisateur des
microtubules
• Situé près du noyau
• Émanation des microtubules en étoile à partir du
centrosome
• Extrémité - des MT dans le centrosome
• Extrémité + des MT en périphérie
• Contient plus de 50 copies de -TuRC dans sa matrice
• Contient une paire de centrioles
44
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1.2. Le cytosquelette
Positionnement du centrosome au centre de la cellule
Fig16-25
Centrosome isolé + tubuline dans une chambre
artificielle en plastique (image toutes les 3 minutes)
45
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1.2. Le cytosquelette
Le centrosome
Fig16-23
46
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1.2. Le cytosquelette
Les centrioles
• id corpuscules basaux des cils et des flagelles
• Matériel péricentriolaire = matrice centrosomale
• Duplication des centrioles suivie de la duplication des
centrosomes
• cf. mitose
47
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1.2. Le cytosquelette
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Structure des centrioles
• Cylindre de microtubules + protéines accessoires
Un centriole dans un centrosome
Matrice centrosomale fibreuse
48
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1.2. Le cytosquelette
Orientation des microtubules
•
•
•
•
Configuration en étoile des microtubules
Extrémité plus tournée vers l’extérieur de la cellule
Extrémité moins tournée vers le noyau
Dispositif de surveillance
– de la périphérie de l’intérieur de la cellule
– et de la position centrale du centrosome
• conservé même in vitro…
49
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1.2. Le cytosquelette
Données évolutives -tubuline et ARP
• Très anciens
• Très conservés
• Duplication du gène codant pour tubuline ou actine avec une
fonction de nucléation en plus par divergence et
spécialisation
50
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1.2. Le cytosquelette
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Protéines associées
extrémités
Liaisons
latérales
extrémités
Actine
Thymosine
profiline
Tropomyosine
cofiline
Protéines
cappantes
tubuline
stathmine
MAP
 tubulin ring
complexe (TuRC)
Catastrophine
MAP
51
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1.2. Le cytosquelette
• Propriétés
mécaniques de
actine, tubuline,
filaments
intermédiaires
Force de cisaillement
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1.2. Le cytosquelette
conclusion
• Filaments intermédiaires = ligaments de la
cellule
• Microtubules = os
• Actine = muscles 
• Cytosquelette qui doit fonctionner en
harmonie
53
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1.2. Le cytosquelette : Les moteurs moléculaires
• Le cytosquelette joue un rôle majeur dans la motilité
cellulaire.
– Ceci implique non seulement des changements dans
la localisation mais aussi des mouvements (limités) de
parties de la cellule.
• Le cytosquelette interagit avec les protéines moteurs.
• Dans les cils et les flagelles les protéines moteurs tirent
les composants du cytosquelette
• Ceci est aussi
• vrai dans les muscles
Fig. 7.21a
54
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1.2. Le cytosquelette : Les moteurs moléculaires
• Les molécules moteurs transportent également des
vésicules ou des organites vers de nombreuses
destinations le long de “monorails” fournis par le
cytosquelette.
• Les interactions de ces protéines moteurs et le
cytosquelette permet le transport de matériaux dans la
cellule sous forme de flux (streaming).
Fig. 7.21b
55
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1.2. Le cytosquelette : moteurs moléculaires
Kinesine
Vitesse : 850 nm/s
ATPase: 44.0 1/s
Myosine V
vitesse : 350
nm/s ATPase:
5.0 1/s
Dynéine
vitesse : -1250 nm/s
ATPase:
2.0 1/s
56
Toutes impliquées dans le transport vésiculaire
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1.2. Le cytosquelette
57
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1.2. Le cytosquelette
• Un flagelle a un mouvement ondulatoire.
– La force est générée parallèlement à l’axe du
flagelle.
Fig. 7.23a
58
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1.2. Le cytosquelette
• Les cils bougent par alternance.
– Ils génèrent leur force perpendiculairement à
l’axe du cil.
Fig. 7.23b
59
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1.2. Le cytosquelette
• Les cils sont généralement nombreux à la
surface des cellules.
• Ils ont environ un diamètre de 0.25 µm et
une longueur de 2 à 20 µm.
• Il n’y a en revanche qu’un ou quelques
flagelles par cellules.
• Les flagelles ont le même diamètre que les
cils mais une longueur de 10 à 200 µm.
60
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1.2. Le cytosquelette
• Malgré leur différences, les cils et flagelles ont la même ultra
structure.
– Ils ont une structure basée sur des microtubules entourés de
membrane plasmique.
– Neuf doublets de microtubules sont arrangés autour d’une paire
au centre, le patron “9+2”.
– Une roue centrale de protéines flexibles connecte les doublets
externes les uns aux autres ainsi qu’au centre.
– Les doublets externes sont aussi connectés par des moteurs
moléculaires.
– Les cils et les flagelles sont ancrés à la cellule par un corps basal
dont la structure est proche des centrioles.
61
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1.2. Le cytosquelette
62
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1.2. Le cytosquelette
Fig. 7.24
63
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1.2. Le cytosquelette
64
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1.2. Le cytosquelette
• Le mouvement oscillant des cils et flagelles est assuré par
les bras de la dynéine.
– L’addition à la dynéine d’un groupement ATP et sa
perte entrainent des changements conformationnels de
la protéine.
– Les bras de la dynéines
alternativement tirent,
se déplacent et relachent
Les microtubules externes.
the outer microtubules.
Fig. 7.25
65
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1.2. Le cytosquelette
• Dans les cellules musculaires, des millier de filaments
d’actine sont arrangés en parallèles les uns des autres.
• Les filaments épais, composés de moteurs moléculaires
tels que la myosine, sont imbriqués au sein des molécules
plus fines d’actine.
– Les molécules “marchent” le long des filaments
d’actines, tirant les filaments d’actines raccourcissant la
cellule.
66
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1.2. Le cytosquelette
• Dans les autres cellules, ces aggrégats d’actine-myosine sont moins
organisés mais peuvent quand même provoquer des contractions
localisées.
– Une ceinture contractile de microfilament divise le cytoplasme des
cellules animales durant la mitose.
– La contraction localisée dirige également les mouvement
amaeboïdes.
– Les pseudopodes, extension cellulaire, qui étend et contracte une
cellules par des mouvement d’assemblage et de contraction de
filaments d’actine.
67
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1.2. Le cytosquelette
• Chez les plantes, les inter-actions myosines actine et la
transformation sol-gel dirige les flux cytoplasmiques
(streaming).
– Ceci crée un flux circulaire dans le cytoplasme.
– Ceci augmente les vitesses de distributions des
éléments dans la cellule.
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2.1. Le noyau
• Décrit pour la première fois en 1831
• héberge les chromosomes
• équipements pour réplication de l’ADN, sa transcription et la maturation des ARN
•
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2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques
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2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques
Le nucléole, sous-domaine nucléaire le plus visible
• Région spécialisée contenant les gènes actifs de la transcription des ARNr
• c’est dans cette région que se déroule l’essentiel des étapes de la
biogénèse des ribosomes (4 molécules différentes d’ARN +85 protéines
assemblés en deux sous-unités)
Site d’assemblage des pré-ribosomes
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2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques
Perméabilité sélective entre compartiment cytoplasmique et nucléaire
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2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques
Structure et assemblage de la lamina nucléaire
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2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques
Structure et assemblage de la lamina nucléaire
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2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques
Topologie de l'enveloppe nucléaire
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2.1. Le noyau : structure et propriétés dynamiques
Topologie de l'enveloppe nucléaire
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Une structure complexe (plus de 450 protéines de 30 types différents chez la levure par ex) 77
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Complexe protéique des pores nucléaires
78
http://sites.google.com/site/sspatel/nuclearporecomplex
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