Les microfilaments d’actine

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 (cf. suite du cours).

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.