Breizh Tut. Introduction à la biologie et à la cellule Sommaire

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1 Breizh Tut Introduction à la biologie et à la cellule Sommaire Breizh Tut 1 Introduction à la biologie et à la cellule 1 Sommaire 1 A. Historique de la théorie cellulaire 2 1. La cellule 2 2. La biologie cellulaire 2 B. Origine et évolution de la cellule 2 1. Cellule primordiale 2 2. Evolution du métabolisme cellulaire 2 C. Architecture et fonctions cellulaires 3 1. Les cellules procaryotes 3 2. Les cellules eucaryotes 3 - Le noyau 3 - Le SEM 4 - Le RE 4 - L appareil de Golgi 4 - Les lysosomes 4 - La mitochondrie 4 - Les peroxysomes 4 - Le cytosol 4 - Le cytosquelette 5 - La membrane plasmique 5 D. Vie et mort des cellules eucaryotes 5 1. Le cycle cellulaire 5 2. La mort cellulaire 5 - L apoptose 5 - La nécrose 6! 1 sur 6!

2 A. Historique de la théorie cellulaire 1. La cellule La cellule est l unité de base structurale et fonctionnelle du vivant, elle est capable de vivre isolé et de se reproduire. Francçois Jacob disait «avec la cellule, la biologie a trouvé son atome» De sa petite taille naît la necessité d élaborer des outils d étude, avec la microscopie optique on a une limite de résolution à 0,2 µm, la taille d une cellule étant généralement de 5 à 30 µm on peut les observer aisément. Avec un ME on peut voir jusqu à 2nm pour les coupes biologiques cela permet d observer l ultrastructure des cellules (càd les organites intracellulaire) On classifie les cellules en 2 types: Les procaryotes (génome non délimité par une enveloppe nucléaire) et les ucaryotes (noyau avec env nucléaire (végétaux, animaux, champignons)) 2. La biologie cellulaire La biologie cellulaire est la science des lois régissant les phénomènes communs aux divers types de cellules et divers organismes. Il existe des phénomènes communs car à l origine il y avait une cellule primordiale. Son but est de préciser les relations entre les structures (morphologie) et leur fonction (biochimie) Les lésions cellulaires et les anomalies de communication intercellulaires ont un rôle fondamental dans les mécanismes physiopathologiques des maladies. B. Origine et évolution de la cellule 1. Cellule primordiale La vie remonte à environ 3,5 milliards d années. On observe alors la formation spontanée de molécules organiques simples dans l atmosphère de la Terre primitive (privé d O2). Les expériences de Miller (1950) montrent que l on obtient la formation spontanée de molécules organiques (acides aminés) lors du passage d une décharge électrique (orage) dans un mélange de dihydrogène, de méthane et d ammoniac en présence d H2O (atomes H, C, N et O) Apparition de macromolécules (protéines, saccharides, acides nucléiques) par polymérisation spontanée de monomères modulaires (acides aminés, oses, nucléotides) L ARN fut le matériau génétique primordial (a la base il n y avait pas d ADN on parle de monde de l ARN) car il est capable de servir de : -matrice pour sa propre réplication (appariement des bases) -catalyseur de cette réplication (a un activité enzymatique: remplace la protéine) La cellule primordiale(primitive) est formée par enclavement d ARN autoréplicatif dans une membrane phospholipidique sphérique (unité physique capable d autoréplication). La compartimentation a permis un avantage sélectif: elle permet aux mutations avantageuses de perdurer mais entraîne une séparation du milieu extérieur qui rend nécessaires les phénomènes de transport. Il y a deux preuves que l ARN est antérieur à l ADN:.L enzyme RNR a créé de l ADN à la place de l ARN.Dans les cellules on passe d abord de l ARN pour aller à l ADN) L ADN aurait ensuite pris la place de l ARN comme matériau génétique. 2. Evolution du métabolisme cellulaire Une fois formée, les cellules furent forcées d élaborer des mécanismes pour obtenir de l énergie. C est la molécule d ATP qui est utilisée comme source d énergie. Chronologiquement il y eut 3 types successifs de production d énergie correspondant à 3 étapes du métabolisme cellulaire : 1- période anaérobie cellulaire originelle (pas d O2 dans l atmosphère): glycolyse (dégradation anaérobie du glucose) très rapide mais très faible rendement! 2 sur 6!

3 2- photosynthèse : captation de l énergie solaire et utilisation de l eau pour convertir le CO2 en molécules organiques et en oxygène. La photosynthèse rend possible le mécanisme aérobie car elle produit de l O2 3- métabolisme oxydatif (utilisation de l oxygène), très efficace pour produire de l ATP, utilise la phosphorylation oxydative (dans la mitochondrie) Rendement très bon (40%) mais réaction longue. (Glycolyse: 2ATP; Métabolisme oxydatif: 38 ATP) C. Architecture et fonctions cellulaires 1. Les cellules procaryotes -Sans noyau (génome non délimité par une enveloppe nucléaire) -Prototype: Bactérie (type E.Coli) -Taille: de l ordre du micromètre -Cytoplasme limité par une membrane plasmique éventuellement doublé par une paroi riche en lipopolysaccharides (contenant des perméases) -Ni mitochondries, ni système endomembranaire, ni peroxysmes mais présence de ribosomes (responsables de l aspect granuleux) -Génome : une molécule d ADN circulaire (qques millions de pb), à double brin : le nucléoïde lié à une invagination de la membrane plasmique (le mésosome) -Souvent, présence de plasmides (petits ADN circulaires de quelque milliers de paires de bases) -Division rapide 20mn par division, en condition de croissance favorable on a 2^n bactéries (n=nbr de divisions) -Capables de vivre dans des habitats très durs et variés -Métabolisme aérobie et anaérobie -Anciennement, division en Eucbactéries archaebactéries extrémophiles (température et pression élevées) mais les études moléculaires ont montré que les archae forment un troisième domaine du vivant distinct des bactéries et des eucaryotes -Beaucoup d espèces bactériennes sont pathogènes mais certaines sont essentielles à la vie des êtres pluricellulaires (on compte plus de bactéries que de cellules eucaryotes chez l Homme) (ex: les bactéries présentes dans le tube digestif) 2. Les cellules eucaryotes -Entité séparée du milieu extra cellulaire par une membrane plasmique (bicouche lipidique) Comportant deux compartiments : le noyau et le cytoplasme -Noyau délimité par une enveloppe nucléaire (double bicouche lipidique), il renferme l ADN où est stockée l information génétique (20 à gènes, il communique avec le cytoplasme par les pores nucléaires. -Le cytoplasme comporte le système endomembranaire, ensemble de compartiments limités par des membranes d enveloppe qui communiquent par des flux membranaires (vésicules) -Composé du réticulum endoplasmique, de l appareil de Golgi, de lysosomes, d endosomes, de l enveloppe nucléaire (en continuité avec le RE) -Le cytoplasme contient aussi des organites n appartenant pas au système endo-membranaire : les mitochondries et les péroxysomes. Les éléments du cytoplasme baignent dans le cytosol (gel) -La cellule comporte un squelette interne : le cytosquelette, composé de :.Microfilaments d actine (MF).Microtubules (MT) et centrioles.filaments intermédiaires (FI) La cellule peut posséder des éléments externes mobiles (cils, flagelles) - Le noyau -L enveloppe nucléaire est une double bicouche lipidique (mb interne, me externe) (en continuité avec le réticulum endoplasmique) -L ADN est fragmenté en 46 chromosomes (22 paires autosomes, 1 paire de chromosomes sexuels) La taille du génome humain est de 3 milliards de pb (20 à gènes). -La chromatine (noyau interphasique) est composée par l hétérochromatine (qui apparaît dense en ME,! 3 sur 6!

4 inactive, périphérique) et par l euchromatine (claire en ME, active, transcriptionnelle) -Les nucléoles sont des usines à l intérieur du noyau qui synthétisent les ribosomes de la cellule -Il existe des pores nucléaires qui permettent les échanges nucléo-cytoplasmiques. -Le noyau disparaît pendant la mitose où les chromosomes deviennent visibles - Le SEM - Le RE -Le réticulum endoplasmique est en continuité avec l enveloppe nucléaire. -Le REG (RE granuleux ou rugueux) collecte des protéines destinées à la membrane plasmique ou à l extérieur. Le REL (RE lisse) est le site privilégié des synthèses lipidiques - L appareil de Golgi -L appareil de Golgi est un ensemble de saccules en piles d assiettes : les dictyosomes (1 ou plusieurs par cellule). -Un dictyosome est composé de 3 régions : cis, médian et trans -Il possède un site de maturation des protéines (en particulier des glycoprotéines) - Les lysosomes -Les lysosomes sont des vésicules entourées d une membrane contenant des enzymes hydrolytiques impliquées dans les digestions intracellulaires. -C est un ensemble polymorphe de vacuoles, il contient des enzymes lytiques fonctionnant à ph acide (=5), (cytoplasme=ph neutre) ils forment un véritable «système digestif intracellulaire». - La mitochondrie -L ensemble des mitochondries d une cellule forme le chondriome. -C est le site de la phosphorylation oxydative(=glycolyse aérobie) : production d ATP riche en énergie. C est la véritable centrale énergétique de la cellule. Elles ont leur génome propre et leur reproduction propre à partir de mitochondries pré-existantes. -Elles jouent un rôle majeur dans l apoptose (mort cellulaire programmée). Détaillé de dans le cours sur le cycle cellulaire. -Elles ont des ressemblances avec les bactéries (ADN propre, circulaire), on suppose qu il s agit d une bactérie aérobie incorporée dans une cellule ancestrale et qui y a survécu en association endosymbiotique avec transfert progressif de ses gènes dans le génome de la cellule- hôte (il n y a plus qu une trentaine de gènes dans le génome de la mt) -La matrice mitochondriale contient de très nombreux systèmes enzymatiques, la mt a une taille d environ 1µm, elle possède une double bicouche lipidique (mb interne, mb externe) la mb interne est en forme de crête. - Les peroxysomes -Les peroxysomes sont des organites ovoïdes ou sphériques délimités par une seule membrane d enveloppe ; ils ne font pas partie du SEM. Ils ont une taille de 0,2 à 0,5µm. -Les peroxysomes contiennent des inclusions pseudo-cristallines qui contiennent des enzymes oxydatives. -C est le siège de réactions d oxydoréduction et de détoxification des métabolites cellulaires : -Les oxydases péroxysomales dégradent les métabolites avec production d H2O2 (eau oxygénée) (Betaoxydation des AG à longues chaines > AG à courtes chaines > transfert aux mt où a lieu la fin de la dégradation) -La catalase (enzyme caractéristique) utilise l H2O2 pour oxyder d autres molécules à des fins de détoxification (notamment dans le foie et les reins) - Le cytosol -Le cytosol est un gel aqueux de ph = 7 et de viscosité variable (équivalente à celle du blanc d oeuf cru). Gel dans lequel baignent les organites(re, Golgi, lysosomes, endosomes, peroxysomes, mt), les ribosomes et le cytosquelette.! 4 sur 6!

5 -Il est le siège de très nombreuses réactions biochimiques ; en particulier le lieu de départ de toutes les synthèses protéiques (sauf pour les quelques protéines codées par le génome mitochondriale). -C est un véritable carrefour métabolique (anabolisme : voie de synthèse et catabolisme : dégradation). - Le cytosquelette -Le cytosquelette est l ensemble d édifices macromoléculaires visibles au microscope. Ce sont des structures à la fois stables et dynamiques (musculature cellulaire). Il est constitué de 3 familles de protéines organisées en polymères fibreux :.L actine ; microfilaments(mf) (5nm).La tubuline ; microtubules (MT) (tubes creux) (25nm).Protéines diverses: filaments intermédiaires (FI) (8-10nm) -Le centre cellulaire (centrosome) comprends deux centrioles formés par une association de microtubules. Ce centrosome intervient dans la mitose (formation du fuseau de déplacement des chromosomes). Les cils et les flagelles de certains types cellulaires sont aussi des structures stables de microtubules. Les MF forment le csq des microvillosités. - La membrane plasmique -La membrane plasmique est une bicouche lipidique comprenant aussi des protéines et le glycocalyx (couche de polysaccharides liés de façons covalente aux lipides et protéines de la face externe de la mb plasmique. -C est la frontière séparant les milieux extra et intra cellulaires. C est aussi un lieu d interactions : adhérence (aux cellules voisines, à la matrice extra-cellulaire (MEC)) ; transduction des signaux ; phénomènes de transport de matériel. D. Vie et mort des cellules eucaryotes 1. Le cycle cellulaire La vie de la plupart des cellules se déroule selon un mode cyclique : le cycle cellulaire. Il permet la genèse de nouvelles cellules et donc le développement et la propagation de la vie. Il est composé de différentes phases : G1, S, G2 et M. La durée des cycles varie suivant les cellules, la cellule humaine met environ 24h à se reproduire. La progression du cycle est étroitement contrôlée. Alternance de mitoses et de phases intermitotiques (=interphases). La mitose (phase M) est la division en 2 cellules filles. L interphase (permet de réparer les tissus endommagés) comprend 3 phases : G1, S et G2 (G pour gap = intervalle et S pour synthèse). 2. La mort cellulaire - L apoptose -Programme interne de mort (suicide cellulaire, sénescence cellulaire). L apoptose évoque la feuille qui tombe, se flétrit, part en morceaux. -Elle est déclenchée par des signaux : -intracellulaires : lésions de l ADN (voie intrinsèque, suicide «volontaire») -extracellulaires : déficit en facteurs de croissance, infections virales (voie extrinsèque, suicide proposé) - On observe des modifications cellulaires : -l ADN se rompt, la chromatine se condense, le noyau tombe en pièces -la cellule se rapetisse et se fragmente en morceaux entourés d une membrane : corps apoptotiques. -L apoptose est une mort propre, sans rupture de la membrane plasmique donc sans inflammation. Les macrophages phagocytent les corps apoptotiques en l absence de réaction inflammatoire (mort silencieuse de la cellule) -C est un phénomène physiologique normal dans:! 5 sur 6!

6 - Le développement embryonnaire - Le renouvellement de tissus (homéostasie) - La destruction de cellules-cibles par les LT cytotoxiques -La dérégulation de cette auto-destruction entraîne: - une inhibition entraîne des malformations, des cancers - une suractivation entraîne des infarctus, des maladies neuro-dégénératives - La nécrose -C est une mort cellulaire accidentelle, brutale suite à une agression extérieure sévère (comme un agent toxique par exemple). -Elle correspond à un gonflement cellulaire puis à une lyse avec rupture des membranes ce qui conduit à la libération du contenu du cytosol dans le milieu extracellulaire. -Cela entraîne une réaction inflammatoire au niveau du tissu.! 6 sur 6!