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BCPST 1 2011

S.V.T. - D.S. n° 1 - éléments de correction PARTIE 1. " Quelques aspects de la biologie de la cellule acineuse pancréatique »

1. Etude de sa structure microscopique.

1.1. En vous appuyant sur le document 1

ainsi que sur son interprétation schématique clairement annotée et orientée, vous présenterez les caractéristiques d"une cellule sécrétrice. Cellule polarisée d"un point de vue structural : - Au pôle basal : les organites mis en jeu dans la synthèse protéique (noyau et REG, mitochondries pour les besoins en énergie) ; proximité avec les vaisseaux sanguins pour les apports en nutriments (dont acides aminés), O 2 ; - Au pôle apical : les organites mis en jeu dans la maturation et l"exportation des protéines (appareil de Golgi, vésicules de sécrétion et grains de zymogène) ; en contact avec la lumière de l"acinus (milieu extérieur) où sont sécrétées les protéines.

1.2. Quelles sont les caractéristiques

principales des différentes membranes plasmiques (basale, apicale, latérale) de ce type de cellule ?

Membrane basale : ancrage dans la lame

basale (hémi-desmosomes), présence de protéines spécifiques : récepteurs pour des molécules informatives, protéines impliquées dans les échanges transmembranaires de nutriments. Membrane apicale : très déformée en raison de l"exocytose qui s"y produit.

Membrane latérale (région apicale) : possède des protéines spécifiques impliquées dans les jonctions cellulaires :

- jonctions serrées assurant l"étanchéité entre milieux extérieur et intérieur, et le maintien de la polarité de la

membrane plasmique, - jonctions adhérentes et desmosomes permettant la cohésion mécanique entre cellules, - jonctions gap mises en jeu dans la cohésion fonctionnelle entre cellules.

Ces membranes se distinguent par les protéines qu"elles contiennent et qui assurent leur spécialisation

fonctionnelle.

2. Etude de son fonctionnement

2.1. Le document 2

montre les résultats d"une autoradiographie de cellules acineuses pancréatiques. Dans ce cas, les chercheurs ont utilisé un acide aminé radioactif : la leucine.

 Sans entrer dans les détails pratiques, précisez les principales étapes de la méthode d"investigation par

autoradiographie, appliquée à des cellules vivantes.

La méthode comprend deux temps :

- le temps de pulse ou marquage : on fournit à des cellules vivantes une substance assimilable (ici la leucine)

contenant un isotope radioactif pendant un temps bref (3 à 5 minutes). Elle contient du tritium H

3, dont la

désintégration émet des électrons.

- le temps de chasse : aussitôt après, on fournit en excès aux mêmes cellules vivantes le même composé mais

non radiomarqué. La période de chasse dure de quelques minutes à quelques dizaines de minutes. A intervalle de

temps régulier pendant la chasse, on sacrifie l"animal et on effectue des coupes fines de pancréas, qui seront

mises au contact de film photographique contenant du bromure d"argent pendant plusieurs mois, au froid et à

l"obscurité. Les isotopes instables qui se désintègrent pendant cette période réduisent les grains d"argent de

l"émulsion photographique. Après développement, une tâche révèle la localisation des grains d"argent réduits, donc

celle des acides aminés marqués. 2

2.2. Le document 3 donne les résultats quantitatifs d"une telle étude sur des cellules pancréatiques acineuses. Le

numéro de chaque courbe correspond au numéro de l"organite désigné sur les documents photographiques.

 Vous analyserez et interpréterez les courbes et en déduirez le sens de migration des molécules

synthétisées.

Au cours de la chasse, la radioactivité est tout d"abord maximale dans le REG (organite 2), elle y décroît

rapidement puis plus lentement.

Dès la 3

e minute, la radioactivité initialement nulle augmente fortement dans l"appareil de Golgi (organite 4), pour

atteindre un pic à 15 minutes et diminuer ensuite.

Dès la 10

e minute, la radioactivité initialement nulle des grains de zymogène (organite (5) augmente.

La radioactivité marque l"emplacement de la LEU*, donc celle des protéines dans lesquelles elle est incorporée.

Les protéines sont donc localisées tout d"abord au niveau du REG. La diminution de la radioactivité du REG est

contemporaine de l"augmentation du celle du Golgi, ce qui montre que les protéines passent ensuite

progressivement dans l"appareil de Golgi. Enfin, l"évolution contemporaine de la radioactivité de l"appareil de Golgi

et celle des grains de zymogène montre que les protéines gagnent les vésicules de sécrétion. Les molécules

synthétisées migrent donc du pôle basal vers le pôle apical.

2.3. En prenant comme exemple une molécule de votre choix, vous préciserez les grandes étapes de

synthèse de celle-ci au sein de la cellule acineuse pancréatique, et les rôles biologique et biochimique

précis des organites intervenant dans celle-ci. Exemple de la synthèse d"une protéine destinée à être exportée :

- La synthèse de la protéine s"effectue au niveau du réticulum endoplasmique granuleux, dont elle gagne le

réseau membranaire au fur et à mesure de l"assemblage des acides aminés qui la constituent.

- Dans le REG débute la maturation de la protéine : élimination de certaines séquences peptidiques,

association entre séquences peptidiques, glycosylations (ajouts de groupements osidiques).

- Les protéines gagnent ensuite l"appareil de Golgi (face CIS) par l"intermédiaire des vésicules de transition.

C"est le lieu de finition et de tri des protéines.

- L"appareil de Golgi bourgeonne des vésicules de sécrétion contenant les protéines sur sa face TRANS.

- Le contenu des vésicules de sécrétion est concentré, elles évoluent en grains de zymogène.

- Les grains de zymogène stockent les protéines prêtes à être exportées, jusqu"à ce qu"une exocytose soit

déclenchée.

2.4. Dans le cas de la sécrétion provoquée, les différents composants lipidiques et protéiques de la membrane de

la vésicule sécrétrice sont incorporés à la membrane plasmique. Ainsi, dans une cellule acineuse pancréatique

sécrétant des enzymes digestives, environ 900 μm² de membrane de vésicules sont insérés dans la membrane

plasmique apicale (dont la surface n"est que de 30 μm²), à chaque stimulus de sécrétion.

 Quel problème cela soulève-t-il du point de vue structural et comment la cellule l"a-t-elle résolu ?

La surface de la cellule étant constante, cet ajout de membrane doit être compensé : c"est le cas grâce à

l"endocytose.

3. Etude de la régulation des sécrétions

3.1. Le document 4

correspond à la sécrétion des bicarbonates (débit et concentration) par un ensemble de

cellules acineuses pancréatiques sous l"influence d"injection de sécrétine (hormone produite par les cellules de la

muqueuse duodénale), à différentes concentrations.

 Vous analyserez et interpréterez ces résultats expérimentaux.

1 er graphe :

- dès l"injection de sécrétine, le débit des bicarbonates, qui était nul, augmente fortement. Il présente un pic à 30

minutes : la sécrétine déclenche donc cette sécrétion.

- Le débit est de 0,5 mEq/15 min pour 2 unités de sécrétine, il est 2,5 fois plus important pour 8 unités et 5 fois

plus important pour 32 unités : ce débit dépend donc de la quantité de sécrétine, mais pas linéairement.

- Après ce pic, le débit diminue rapidement et s"annule au bout de 60 minutes (soit 1 h 30 après l"injection) :

l"action de la sécrétine est transitoire. 2 e graphe :

- Dès l"injection de sécrétine, la concentration des bicarbonates dans le suc pancréatique augmente fortement :

elle passe de 30 mEq/L à près de 120 mEq/L (valeur maximale pour 32 unités de sécrétine) en 15 minutes : la

sécrétine augmente donc la concentration en bicarbonates du suc pancréatique.

- La concentration maximale est de 90 mEq/L environ pour 2 unités de sécrétine, 110 mEq/L environ pour 8

unités et 120 mEq/L environ pour 32 unités : elle dépend donc de la quantité de sécrétine, mais pas

linéairement.

- Une heure environ après l"injection de sécrétine, la concentration des bicarbonates revient à sa valeur initiale.

3

En conclusion, la sécrétine entraîne une augmentation de la concentration en bicarbonates du suc pancréatique en

agissant sur la quantité de bicarbonates sécrétés par les cellules acineuses pancréatiques. Son action est

transitoire : elle constitue un signal qui modifie l"activité des cellules, d"autant plus que sa concentration est élevée

(mais avec semble-t-il un maximum compte tenu de la comparaison des effets des différentes concentrations).

3.2. Le document 5

est l"enregistrement du débit du suc pancréatique, ainsi que de sa concentration en amylase,

sous l"effet d"une perfusion de pancréozymine ou CCK-PZ (produite par les cellules de la muqueuse duodénale).

 Analysez et interprétez ces courbes.

- Dès le début de la perfusion de pancréozymine, le volume de suc pancréatique est augmenté : il pas de 1 à

1,3 mL environ. Dans le même temps, le débit de la sécrétion d"amylase augmente brutalement pour passer de

4 à environ 22 UA, avec des variations.

- La pancréozymine modifie donc l"activité des cellules acineuses pancréatiques en augmentant la sécrétion

d"amylase, donc l"exocytose d"enzymes pancréatiques, ce qui contribue à augmenter le volume de suc

pancréatique produit.

- L"action de la pancréozymine se poursuit pendant près de deux heures (durée de la perfusion), avec des

variations.

- Cela suggère que l"action de la pancréozymine ne se limite pas à la sécrétion, mais qu"elle agit aussi sur le

renouvellement des grains de zymogène, donc sur la synthèse d"amylase.

En conclusion, la pancréozymine représente un signal qui modifie l"activité des CAP en déclenchant une

augmentation marquée de l"exocytose d"enzymes produites par ces cellules, et de l"activité de synthèse de ces

enzymes, d"où une augmentation de la production de suc pancréatique.

3.3. Sous forme d"un schéma de synthèse et uniquement à partir des documents du sujet, vous montrerez

comment synthèse et sécrétion moléculaires sont régulées. 4

Eléments de correction partie 2

Introduction

- Définir les membranes comme structures limitantes des cellules et des organites chez les cellules eucaryotes.

- Evoquer sa constitution unitaire chez les êtres vivants : double couche de phospholipides associées à des

protéines.

Comment s"organisent les différentes molécules constituant les membranes et quelles propriétés

indispensables au fonctionnement des cellules en découlent ?

1. Organisation et composition des membranes :

a. Une mosaïque moléculaire

Document 1 :

- Compréhension de la technique d"étude :

Elle permet d"observer des échantillons après congélation et fracturation. L"échantillon est congelé à très basse

température, par exemple à l"aide d" azote (N2) liquide (-196°C), puis fracturé. On effectue alors un cryodécapage :

la glace est sublimée, sous vide et à basse température. Une vaporisation de carbone et de métal permet d"obtenir

un moule de la surface fracturée (réplique) avec une bonne visualisation des reliefs. Les tissus sont ensuite

dissous et c"est la réplique qui est observée au microscope électronique à transmission

. L"intérêt de cette technique est qu"elle permet l"observation de surfaces comme les membranes. - Résultat :

La surface de la membrane plasmique de bactérie possède de nombreuses aspérités contrairement à l"aspect lisse

de la membrane des liposomes, d"autres constituants membranaires que les lipides interviennent dans les

membranes naturelles : les protéines. - Conclusion : La membrane plasmique est une mosaïque de lipides et de protéines.

Document 2

- Compréhension de la technique d"étude :

Le MET permet l"observation d"échantillons en coupe avec une résolution bien meilleure que le microscope

photonique, l"échantillon est fixé c"est-à-dire tué (les observations sont donc post mortem) ; la coloration métallique

est nécessaire pour réhausser le contraste. - Résultat : La coupe réalisée et proposée informe sur plusieurs caractéristiques de la membrane : - sa taille, de l"ordre d"une dizaine de nm,

- sa structure tripartite, les deux traits sombres (denses aux électrons) correspondent aux domaines

hydrophiles qui encadrent un espace plus clair, hydrophobe

- l"asymétrie, le domaine hydrophile tourné vers le milieu extracellulaire est plus épais que celui tourné vers

le cytosol. - Conclusion :

Organisation en bicouche phospholipidique (schéma) montrant la taille, l"asymétrie, la structure tripartite.

Document 3

- Compréhension de la technique :

l"immunomarquage permet de repérer des molécules, ici les polymères glucidiques membranaires en utilisant des

anticorps, couplés à des billes d"or donc marqués, spécifiques de ces polymères. La localisation des anticorps,

fléchés sur le document 3, indique la présence des glucides. - Résultats :

La face extracellulaire de la membrane de l"hématie est pourvue de glucides ; il s"agit de l"environnement

glucidique ou glycocalix constitué par les glucides liés de façon covalente aux protéines et aux lipides

membranaires. - Conclusion :

Schéma de la mosaïque et des trois constituants fondamentaux (bicouche lipidique, protéines et glucides

extracellulaires) b. Une distribution asymétrique des molécules

Document 4

- Compréhension du protocole expérimental :

Ce protocole est destiné à mettre en évidence la distribution des phospholipides sur les deux monocouches de la

membrane plasmique et permet de montrer l"asymétrie moléculaire des membranes. En effet, les deux enzymes

utilisées ne peuvent pas pénétrer à l"intérieur des cellules et donc n"agissent que sur les phospholipides de la

monocouche externe dans le cas des hématies entières. En revanche, sur les fantômes d"hématies, la membrane

5

étant devenue poreuse les phospholipides de la monocouche interne pourront être également hydrolysés. La

comparaison des deux résultats (hématies et fantômes) fournit des informations sur cette distribution.

- Analyse des résultats :

La sphingomyélinase donne des résultats identiques sur les hématies et les fantômes d"hématies, donc la

sphingomyéline est localisée dans la monocouche externe de la membrane.

Avec la phospholipase, les résultats sont identiques pour la phosphatidylcholine donc elle est présente dans la

monocouche externe.

Cependant, pour la phosphatidyléthanolamine et la phosphatidylsérine, l"absence de réactions sur les hématies

entières et les résultats positifs sur les fantômes permettent d"affirmer que ces phospholipides sont uniquement

présents sur la monocouche interne. - Conclusion : la membrane présente une distribution asymétrique des lipides.

Document 5

On cherche à connaître la distribution de la phosphatidyléthanolamine (PE) dans la membrane mais la technique

est légèrement différente. - Compréhension du protocole :

Le marquage de la phosphatidyléthanolamine permet de repérer dans le graphe leur liaison avec les deux

composés. Le TNBS ne met en évidence que la phosphatidyléthanolamine de la monocouche cytosolique alors

que le FDNB révèle également la phosphatidyléthanolamine de la monocouche interne du REL.

- Analyse des résultats :

Globalement quel que soit le temps de chasse, le taux de PE lié au TNBS est inférieur de 15 % seulement au taux

de FDNB ; cela montre que l"essentiel de PE est situé sur la monocouche cytosolique. Seul 15% de PE sont situés

sur la face interne du REL.

- Conclusion : la membrane du REL est asymétrique, tout comme la membrane plasmique, en ce qui concerne la

répartition de ce composé.

2. La dynamique intramembranaire

a. La mobilité des protéines membranaires

Document 6a :

- Compréhension du protocole :

Les marqueurs fluorescents couplés aux anticorps localisent les antigènes correspondant aux protéines humaines

et de souris. Une distribution en mosaïque signifie que les protéines humaines et les protéines de souris se sont

mélangées au sein de la membrane plasmique. - Analyse des résultats :

Au début, 5 minutes d"incubation après la fusion, l"absence de cellules en mosaïque montre que les deux types de

protéines ne sont pas encore mélangées. Les premières mosaïques apparaissent dès 10 minutes, ce qui traduit la

mobilité des protéines. 50% des cellules sont en mosaïque au bout de 25 minutes et la totalité au bout de 120

minutes. - Conclusion :

La membrane est un édifice fluide, les différents constituants moléculaires (lipides, protéines) se déplacent.

Document 6b :

- Compréhension du protocole :

L"expérience est répétée à des températures différentes, et le graphe présente le pourcentage de cellules

mosaïques au bout de 40 min après fusion cellulaire, en fonction de la température. - Analyse des résultats :

En dessous de 15°C, la proportion de mosaïques est très faible (5 % environ) au bout de 40 minutes, elle

augmente ensuite pour atteindre 90 % à 37°C. La présence d"un inhibiteur de la synthèse d"ATP ne modifie pas

ces résultats. - Conclusion :

Le déplacement des constituants membranaires est conditionné par la température : lorsque la température

augmente, la fluidité membranaire augmente. Cette fluidité ne semble pas être ATP dépendante, il s"agit donc d"un

phénomène passif qui s"apparente à de la diffusion intramembranaire. b. Fluidité et nature des lipides membranaires : - Document 7 - Compréhension du protocole :

La technique proposée ici permet de quantifier ou d"évaluer la fluidité membranaire puisque plus le rétablissement

de la fluorescence est rapide plus la membrane peut être considérée comme fluide.

La mesure avec l"acide stéarique seul peut être considérée comme un témoin ; on teste ainsi l"effet de deux autres

substances, le cholestérol et l"acide oléique, sur la fluidité. - Analyse des résultats et interprétation :

Dans le cas d"un mélange acide stéarique - acide oléique (graphe f), le rétablissement de la fluorescence

s"effectue au bout de 4.5 UA, alors que dans le cas témoin (acide stéarique seul) il a lieu au bout de 7.5 UA. :

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