Cytosquelette et moteurs moléculaires

Une cellule eucaryote tient sa forme, déplace ses organites, sépare ses chromosomes et parfois se déplace elle-même. Tout cela repose sur un réseau de filaments protéiques, le cytosquelette, et sur des protéines qui marchent le long de ces filaments en consommant de l'ATP.

Trois familles de filaments, distinctes par leur structure et leur rôle :

• les microfilaments d'actine, les plus fins, concentrés sous la membrane plasmique : ils portent les déformations de la surface (prolongements, migration) et, dans le muscle, la contraction ;
• les microtubules, cylindres creux et rigides, les plus épais, qui rayonnent depuis le centrosome, près du noyau : ils servent de rails au transport intracellulaire, puis forment le fuseau qui sépare les chromosomes lors de la division ;
• les filaments intermédiaires, de diamètre intermédiaire comme leur nom l'indique, les plus stables : ils assurent la résistance mécanique de la cellule.

Polarité. Les microfilaments et les microtubules sont polarisés : leurs deux extrémités sont différentes. Les sous-unités (actine, dimères de tubuline) s'ajoutent préférentiellement à l'extrémité dite « plus » et se détachent plutôt à l'extrémité « moins ». Pour un microtubule, l'extrémité moins est ancrée au centrosome, l'extrémité plus est tournée vers la périphérie de la cellule. Les filaments intermédiaires, eux, n'ont pas de polarité.

Dynamique. Un filament polarisé n'est pas une poutre figée : selon les conditions, il s'allonge, raccourcit ou se maintient en flux continu — des sous-unités s'ajoutent à l'extrémité plus pendant que d'autres partent de l'extrémité moins, si bien que la longueur reste constante alors que la matière circule. Cette dynamique est entretenue par l'hydrolyse d'un nucléotide lié à chaque sous-unité (du GTP pour la tubuline, de l'ATP pour l'actine). Le cytosquelette se démonte et se remonte en permanence : c'est ce qui permet au réseau de microtubules de l'interphase de devenir le fuseau de la mitose.

Un microtubule en chiffres. Il est formé de $13$ protofilaments parallèles ; dans chacun, les dimères de tubuline, longs de $8$ nm, sont alignés bout à bout. Un microtubule de $3$ µm compte donc $\dfrac{3\,000}{8} \times 13 = 4\,875$ dimères.

Les moteurs moléculaires sont des protéines qui convertissent l'énergie chimique de l'hydrolyse de l'ATP en mouvement le long d'un filament. Chaque pas consomme de l'ATP : rien ne se déplace ici par simple diffusion orientée.

Sur les microtubules, deux familles en sens opposés.

• Les kinésines marchent, pour la plupart, vers l'extrémité plus, donc vers la périphérie : elles transportent par exemple des vésicules du corps cellulaire d'un neurone vers l'extrémité de l'axone.
• Les dynéines marchent vers l'extrémité moins, donc vers le centrosome : transport vers le centre de la cellule. Le même rail peut donc porter des cargaisons dans les deux sens : c'est la polarité du microtubule, et non la forme du rail, qui donne le sens à chaque moteur.

Sur l'actine : les myosines. Dans le muscle, les têtes de myosine des filaments épais tirent les filaments d'actine ; ailleurs, des myosines transportent des vésicules sous la membrane ou resserrent l'anneau contractile qui sépare deux cellules animales à la fin de la division.

Le pas de la kinésine. Une kinésine avance par pas de $8$ nm — la longueur d'un dimère de tubuline — et hydrolyse une molécule d'ATP par pas. Le nombre d'ATP consommés se compte donc directement : distance en nm divisée par $8$. Une kinésine isolée parcourt de l'ordre de $1$ à $2$ µm avant de se détacher ; le transport sur de longues distances, le long d'un axone, mobilise donc de nombreux moteurs successifs.

Deux mécanismes à ne pas confondre.

• Un moteur qui marche le long d'un filament : le filament garde sa longueur, la cargaison se déplace.
• Un filament qui change de longueur par ajout ou départ de sous-unités : aucun moteur n'est nécessaire. C'est le raccourcissement des microtubules du fuseau qui contribue à tirer les chromosomes vers les pôles.

Division cellulaire, partage des rôles. Les microtubules forment le fuseau qui sépare les chromosomes ; chez les cellules animales, un anneau d'actine et de myosine étrangle ensuite la cellule en deux. Inverser ces rôles est l'erreur classique du chapitre.

Les filaments intermédiaires n'ont ni polarité ni moteurs associés : sans extrémités différenciées, aucun moteur ne saurait dans quel sens aller. Leur rôle est mécanique : ils répartissent les tensions et résistent à l'étirement (les kératines de l'épiderme en sont un exemple).

Énoncé. Données : la kinésine avance par pas de $8$ nm et hydrolyse une molécule d'ATP par pas ; un microtubule compte $13$ protofilaments, faits de dimères de tubuline de $8$ nm alignés bout à bout.

1. Une kinésine transporte une vésicule sur $0{,}72$ µm sans se détacher. Combien de molécules d'ATP hydrolyse-t-elle ?
2. On mesure pour ce moteur une vitesse de $0{,}75$ µm/s. Durée du trajet ? Nombre d'ATP hydrolysés par seconde ?
3. Un microtubule s'allonge de $4$ µm par minute à son extrémité plus. Combien de dimères y sont ajoutés par seconde ?

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1. Des pas de 8 nm. Conversion d'abord : $0{,}72$ µm $= 720$ nm. Nombre de pas : $\dfrac{720}{8} = 90$. Un ATP par pas :

La kinésine marche vers l'extrémité plus du microtubule, c'est-à-dire vers la périphérie : chaque pas est un travail mécanique payé en énergie chimique.

2. Vitesse et débit. Durée : $t = \dfrac{0{,}72}{0{,}75} = 0{,}96$ s. Pas par seconde : $\dfrac{750\ \mathrm{nm \cdot s^{-1}}}{8\ \mathrm{nm}} = 93{,}75$, donc

Contrôle : $93{,}75 \times 0{,}96 = 90$. $\checkmark$

3. Treize protofilaments. En une seconde, l'extrémité avance de $\dfrac{4\,000}{60} \approx 66{,}7$ nm, soit $\dfrac{66{,}7}{8} \approx 8{,}33$ dimères par protofilament. Le microtubule en compte $13$, qui s'allongent ensemble :

Oublier les $13$ protofilaments donnerait $8{,}3$ : treize fois trop peu. Ici, aucun moteur n'intervient : c'est le filament lui-même qui s'allonge.

Lecture. Deux calculs de même forme — une longueur divisée par $8$ nm — mais deux mécanismes : le premier compte les pas d'un moteur sur un rail de longueur fixe, le second les sous-unités ajoutées à un rail qui grandit.

Figure (fig.biology.sarcomere-sliding, figure programmatique de la leçon de terminale sur la contraction musculaire, réutilisée ici parce que le muscle est le moteur moléculaire le mieux visible) : en haut, un sarcomère au repos puis contracté, à la même échelle — le sarcomère raccourcit, la bande A garde sa longueur, la bande I diminue, et les filaments dessinés ont exactement la même longueur dans les deux états ; au milieu, le cycle d'une tête de myosine — fixation sur le filament fin, bascule qui le tire de quelques nanomètres, détachement quand un ATP se fixe, réarmement par l'hydrolyse de cet ATP — et une tête restée accrochée faute d'ATP ; en bas, les voies de production de l'ATP selon la durée de l'effort.

Pour cette leçon :

• Le panneau du haut est la meilleure illustration de la différence entre un moteur qui marche et un filament qui raccourcit : les filaments d'actine et de myosine glissent, aucun ne raccourcit. C'est le moteur (la myosine) qui se déplace le long du filament d'actine.
• Le cycle du milieu est le modèle de tout moteur : un pas, un ATP. Pour la kinésine sur un microtubule, le pas mesure $8$ nm et coûte une molécule d'ATP ; la vignette « sans ATP, la tête reste accrochée » montre que le détachement aussi dépend de l'ATP.
• Le sens : dans le sarcomère, les myosines tirent les filaments d'actine vers le centre, toujours dans le même sens par rapport à la polarité de l'actine. La polarité du rail fixe la direction, comme elle impose aux kinésines et aux dynéines des sens opposés sur un microtubule.

Ce que la figure ne montre pas : les microtubules, la kinésine et la dynéine, le centrosome, les filaments intermédiaires, et la dynamique d'assemblage — un filament qui s'allonge ou raccourcit par ses extrémités, ce que le muscle ne fait pas pendant la contraction.