Module 3. Les cellules

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1 Module 3 Les cellules

2 La théorie cellulaire

3 Qu est-ce qu une cellule? La cellule est l unité de base de la structure et du fonctionnement de tous les êtres vivants.

4 Postulats de la théorie cellulaire (les premiers points de la théorie cellulaire apparus dès 1840) tiré de l annexe 1- Biologie 11

5 La cellule est l unité structurale de base des organismes vivants. Autrement dit, tout organisme vivant, quelle que soit sa taille, est constitué de cellules.

6 La cellule est l unité fonctionnelle de base de tous les organismes vivants. Autrement dit, dans un organisme, ce sont les cellules qui exécutent les fonctions biologiques.

7 Toutes les cellules proviennent d autres cellules. Cela signifie que la vie n apparait pas spontanément; ce sont les cellules qui donnent la vie.

8 Dans un organisme pluricellulaire, l activité de l ensemble d un organisme dépend de l activité globale de ses cellules indépendantes.

9 Fonctions de la cellule Se nourrir et obtenir de l énergie Convertir l énergie externe en source utilisable pour la cellule Produire et renouveler les molécules qui les forment

10 Faire des réactions chimiques Éliminer les déchets Se reproduire Conserver le code génétique

11 Lorsque les scientifiques se sont intéressés aux cellules, c est à partir de ce moment qu on a commencé à développer les microscopes.

12 Premier microscope simple On observe les organismes invisible à l œil nu à partir d une seule lentille Anton van Leeuwenhoek catoire-fantasque.be / leeuwenhoek.wordpress.com

13 Robert Hooke catoire-fantasque.be / tappancsvilag.hu

14 Microscope optique (photonique) Formé de deux lentilles Utilise des ondes de lumière visible et invisible Nous permets d observer la composition de la cellule et non seulement la cellule Grossit l image des objets trop petits qu on ne voie pas à l œil nu

15 musee-afrappier.qc.ca Microscope optique

16 Microscope électronique Utilise des faisceaux d électrons plutôt que des rayons lumineux Plus puissant que le microscope optique Les images sont très clairs à très fort grossissement.

17 Il existe deux types de microscopes électroniques:

18 Microscope électronique à transmission (MET) le faisceau d électron est dirigé à travers l objet observé permet d'observer que des échantillons d'épaisseur suffisamment faible pour être transparents aux électrons (quelques dizaines de nanomètres)

19 nirgal.net microscopies.com Microscope électronique à transmission (MET)

20 Microscope électronique à réflexion (balayage) (MEB) balai la surface de l objet avec un faisceau opère à la surface d'objets massifs Ce microscope électronique est dit à balayage (MEB) lorsque l'image est obtenue point par point (6 à 10 nm). Éléments de cytologie Index

21 science-et-vie.net Microscope électronique à balayage (MEB) insecte.org benelux-scientific.be

22 Les procaryotes et les eucaryotes

23 Procaryotes et eucaryotes Structure d une cellule procaryote Activités métaboliques des procaryotes Structure d une cellule eucaryote Comparaison entre cellules animales et végétales.

24 Structure d une cellule procaryote Organites (composantes) des cellules procaryotes : Nucléoïde Plasmide (ADN nu) Paroi cellulaire (peptidoglycane) Capsule (certaines cellules) Membrane cellulaire Cytoplasme Ribosome Thylakoïdes (bactéries photosynthétiques) Flagelles ou pili (certaines cellules) Page 54 manuel de biologie 11, trouve les fonctions des composantes

25 Cellules les plus petites et les plus simples (taille d un mitochondrie) N ont pas de noyau ADN se retrouve dans la région nucléoïde

26 Paroi cellulaire: composée d une seule macromolécule (peptidoglycane) Membrane plasmique: matières diffusent rapidement à travers Cytoplasme Ribosome: milliers (même rôle que cellule eucaryote) Capsule : coquille qui entoure la paroi cellulaire de certains procaryotes qui assure une protection accrue ADN nu: 1 chromosome retrouvé dans le nucléoïde (certaines cellules ont ADN circulaire nommé plasmide)

27 Activités métaboliques Photosynthèse Utilisent la lumière pour produire de l énergie Fixation d azote Prennent N 2 de l air et la transforment en nitrates (NO x ) que les plantes peuvent utiliser Fermentation lactique Utilisent le sucre des produits laitiers (lactose) pour le transformer en acide lactique

28 Structure d une cellule eucaryote Organites (composantes) des cellules eucaryotes : Membrane cellulaire Lysosome Cytoplasme Peroxysome Noyau Centrosome Pores nucléaires Vésicule Chromatine Vacuole Nucléole Cytosquelette Ribosomes Mitochondrie Réticulum endoplasmique (RE) Appareil de golgi Page manuel de biologie 11, trouve les fonctions des composantes

29

30 Cellule végétale

31 Comparaison entre les cellules animales et végétales Animale Centriole Forme plus ronde Végétale Contient des plastes (chloroplastes) Contient une paroi cellulaire Plus grosse vacuole (centrale) Forme plus carrée

32 La reproduction cellulaire

33 Reproduction cellulaire Reproduction chez les procaryotes -Scissiparité Division cellulaire chez les eucaryotes - Interphase -Mitose (PMAT) -Cytocinèse Comparaison entre cellules animales et végétales au niveau de la mitose et de la cytocinèse

34 Reproduction chez les procaryotes Scissiparité: (p. 424) Reproduction asexuée chez la bactérie Division cellulaire cellule produit une copie de son chromosome se développe (grossit) après avoir atteint une certaine taille, s allonge puis les chromosomes se séparent la cellule se sépare en 2 cellules identiques Se produit rapidement (condition favorable division peut se faire en 20 minutes) *(ne peut pas se reproduire par mitose ou méiose car n a pas de noyau)

35 Division cellulaire chez les eucaryotes aussi connu sous le nom du cycle cellulaire plus complexe que chez les cellules procaryotes (matériel génétique dans le noyau Le cycle cellulaire comprend 2 stades: l interphase (croissance) et la mitose (division).

36 Division cellulaire chez les eucaryotes Interphase Étape de croissance cellulaire et de réplication de l ADN

37 Division cellulaire chez les eucaryotes Mitose Division du noyau cellulaire par laquelle les cellules filles reçoivent une copie identique de l information génétique (chromonosomes) de la cellule mère. Page biologie 11, savoir expliquer les étapes

38 Division cellulaire chez les eucaryotes Cytocinèse Scission du cytoplasme et formation de deux cellules filles

39 Comparaison entre cellules animales et végétales au niveau de la mitose et de la cytocinèse Animale Étranglement de la membrane par les microfilaments et la formation de deux cellules filles identiques Végétale Possède une paroi cellulaire rigide donc elle ne s étrangle pas C est plutôt une plaque cellulaire qui se forme et divise la cellule en deux.

40 L homéostasie et le transport cellulaire

41 Homéostasie et transport cellulaire Maintien de l équilibre - homéostasie - perméabilité sélective Membrane plasmique -constituants de la membrane plasmique -propriétés hydrophobes et hydrophiles des phospholipides - modèle de la mosaïque fluide

42 Homéostasie et transport cellulaire (suite) Transport cellulaire - transport de substances de petite et moyenne taille moléculaire transport passif - diffusion simple - diffusion facilitée - osmose - type de solutions (hypertonique, hypotonique, isotonique) - plasmolyse - cytolyse

43 Homéostasie et transport cellulaire (suite) transport actif - pompe ionique (pompe Na-K) transport de macromolécules - endocytose - phagocytose - pinocytose - exocytose

44 L homéostasie est l état d équilibre interne régulé et maintenu en dépit des variations du milieu externe.

45 L importance de l homéostasie chez les organismes Chaque cellule d un organisme unicellulaire ou pluricellulaire doit garder un milieu interne stable même si le milieu externe change.

46 L importance de l homéostasie chez les organismes (suite) Les changements extérieurs qui arrivent le plus souvent sont des variations de la concentration des matières (solutés, éléments nutritifs, déchets).

47 L importance de l homéostasie chez les organismes (suite) Pour conserver son homéostasie, la membrane de la cellule doit être sélective.

48 Homéostasie et membranes biologiques La membrane d une cellule décide ce qui entre et sort de la cellule.

49 Milieu extracellulaire (liquide interstitiel): mélange d eau et de substances dissoutes dans lequel baignent les cellules Milieu intracellulaire: région interne (en dedans) de la cellule

50 Perméabilité sélective La propriété qui permet à la membrane plasmique de laisser passer certaines substances et d en rejeter d autres

51 sélectivement perméable = perméabilité sélective = semi-perméable

52 Facteurs qui peuvent affecter la perméabilité. 1. La taille et la forme des molécules 2. Le diamètre des pores 3. La structure de la membrane 4. La charge électrique de la membrane et des particules 5. La solubilité des particules dans l eau

53 Les constituants de la membrane plasmique 1. Lipides Phospholipides protéines glucides lipides Cholestérol 2. Glucides 3. Protéines

54 1. Les lipides La membrane plasmique est formée d une bicouche de phospholipides (tête polaire hydrophile et queue non polaire hydrophobe).

55 G l y c é r o l Un phospholipide Groupement phosphate polaire c.-à-d. hydrophile (attiré par l eau) 2 acides gras non polaires c.-à-d. hydrophobes (repoussés par l eau)

56 Propriétés hydrophobes et hydrophiles des phospholipides Il y a de l eau à l intérieur comme à l extérieur des cellules. Les têtes des phospholipides (hydrophiles) se tournent vers l eau et forment ainsi 2 couches.

57 Les queues (acides gras) des phospholipides, hydrophobes, se trouvent donc prises entre les têtes (phosphates). Tête (hydrophile) Queue (hydrophobe)

58 La structure du cholestérol est rigide. Son rôle est de stabiliser la membrane plasmique des cellules eucaryotes.

59 2. Les glucides Les chaînes de glucides sont souvent attachées aux lipides (glycolipides) ou aux protéines (glycoprotéines). chaîne de glucides protéine lipides

60 3. Les protéines Servent de transport. Servent de récepteurs. Permettent l adhérence entre les cellules. Retrouvées entre les phospholipides. Certaines protéines s étendent à travers toute la membrane, d autres sont attachées aux surfaces interne et externe de la membrane plasmique.

61 Modèle de la mosaïque fluide La membrane cellulaire est composée de différents constituants (lipides, glucides et protéines) dispersés un peu partout ce qui forme une mosaïque. Les phospholipides et les protéines peuvent se déplacent latéralement dans la membrane plasmique. Ce qui démontre que la bicouche a une consistance fluide.

62 Modèle de la mosaïque fluide 2 couches de phospholipides Cholestérol Protéines Glucides (polysaccharides)

63

64 Pour conserver son homéostasie, la membrane plasmique est capable de laisser entrer et sortir des molécules de différentes grosseurs.

65 Transport cellulaire (membranaire) Le processus par lequel la membrane laisse sortir les déchets et laisse entrer certains solutés et éléments nutritifs s appelle le transport cellulaire ou le transport membranaire.

66 Transport cellulaire (membranaire) Nous étudierons trois différents types de transport cellulaire: le transport passif le transport actif le transport de macromolécules

67

68 Commençons par expliquer la diffusion

69 En terme général, la diffusion est le mouvement net des particules d une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration.

70 Gradient de concentration Lorsqu une substance est plus concentrée dans une région que dans une autre, on dit alors qu il y a un gradient de concentration entre les deux régions.

71 Lorsqu il y a un gradient de concentration, il se produit une diffusion de particules de la zone de forte concentration vers la zone de faible concentration.

72 Exemple avec la cellule: L oxygène (en forte concentration) quitte les vaisseaux sanguins et diffuse dans la cellule.

73 Imaginez un aquarium divisé en deux par une grille dont les mailles sont assez grandes pour laisser passer les poissons qui sont regroupés du côté gauche. Que devrait-on observer après un certain temps?

74 Eh oui, les poissons vont occuper tout l espace disponible.

75 Lorsqu il y a égalité des concentrations, les molécules continuent à traverser la membrane. Par contre, il y en a autant qui se déplacent dans un sens que dans l autre.

76 C est l équilibre dynamique.

77 Transport de petite et moyenne taille moléculaire

78 Transport passif

79 Le transport passif : c est le passage de substances à travers la membrane qui ne nécessite aucune dépense d énergie de la part de la cellule. Il se produit même si la cellule est morte.

80 Le transport passif comprend: la diffusion simple la diffusion facilité l osmose

81 La diffusion simple

82 La diffusion simple permet aux petites particules comme l eau, l oxygène, le gaz carbonique ou l éthanol de traverser directement les deux couches de phospholipides.

83 Lors de la diffusion simple, les molécules se déplacent d une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration.

84 La double couche de phospholipides est imperméable aux grosses molécules et aux ions tels que K +, Na +, Cl -, etc Comment font-ils pour traverser la membrane? Par la diffusion facilitée

85 La diffusion facilitée

86 La diffusion facilité est la diffusion à l aide d une protéine de transport. Certaines protéines de la membrane peuvent s associer à une molécule et relâcher cette molécule de l autre côté de la membrane. Le glucose, par exemple, pénètre dans les cellules par diffusion facilitée.

87 protéine de transport

88 La diffusion facilitée ne demande aucune dépense d énergie comme la diffusion simple. Elle se fait toujours en suivant le gradient de concentration par l intermédiaire d une protéine de la membrane.

89 Les protéines et la diffusion facilitée Certaines protéines font passer les substances essentielles ou les déchets à travers la membrane plasmique.

90 Certaines protéines peuvent se fermer et s ouvrir. Certaines protéines peuvent se faire et se défaire rapidement. Résultat: changement de perméabilité de la membrane Certaines protéines forment de simples canaux et laissent les petites particules diffuser. (voir figure 5.11 livre)

91

92 Il existe deux types de protéines au niveau de la membrane plasmique. Canal protéique Protéine qui forme un canal Permet à la molécule ou l ion de traverser toute l épaisseur de la membrane plasmique Protéine de transport Protéine qui est porteuse S ouvre et se ferme

93 Les ions, par exemple passent par de petits canaux formés par des protéines traversant toute l épaisseur de la membrane. C est ainsi que l eau et les électrolytes traversent la membrane. Ex: Na +, K +, Ca 2+, Cl - etc

94 Donc, ce n'est pas n'importe quelle substance qui peut traverser la membrane = perméabilité sélective. N.B. Ces canaux sont généralement spécifiques : une seule substance bien précise peut les traverser et aucune autre.

95 Exemples de protéine de transport

96 Certaines protéines de transport sont appelées protéines porteuses parce qu elles semblent prendre les molécules et les porter à travers la membrane plasmique. Ex: glucose

97 Le transport passif (suite ): L osmose

98 L osmose est le mouvement de l eau à travers la membrane plasmique. Ce déplacement d eau se produit afin que la concentration d eau à l intérieur et à l extérieur de la cellule soit égale.

99 Donc, dans l organisme, l eau se déplace d une zone à l autre par osmose. Intestin- sang- liquide interstitiel- cellule

100 Puisque la membrane est perméable à l eau, l eau peut donc diffuser à travers la membrane s il existe un gradient de concentration. Il y a osmose si deux zones de concentrations différentes sont séparés l une de l autre par une membrane perméable à l eau, mais imperméable au soluté.

101 L eau se déplace de la zone plus concentré en eau à la zone moins concentrée en eau.

102 ?

103

104 Le sens dans lequel se fait l osmose dépend du type de concentration qu il y a de chaque côté de la membrane plasmique. Toutes les cellules baignent dans des solutions. Donc, le type de solution influence l osmose.

105 Les 3 types de solutions o Hypertonique o Hypotonique o Isotonique

106 La solution la plus concentrée en soluté est dite hypertonique par rapport à l autre (moins d eau que de solutés).

107 La solution la moins concentrée en soluté (la plus diluée), est dite hypotonique par rapport à l autre (plus d eau que de solutés).

108 Si les deux solutions ont la même concentration, on les dit isotoniques l une par rapport à l autre.

109 Pression de turgescence : La pression qui se forme dans une cellule végétale à la suite de l osmose.

110 Plasmolyse : Contraction du contenu d une cellule en raison d une perte d eau. La cellule rapetisse car l eau sort de la cellule pour aller dans la solution hypertonique (solution où il y a moins d eau que de solutés). La perte d eau entraîne une diminution de la pression de turgescence chez la cellule végétale.

111 Cytolyse (lyse) : Éclatement de la membrane cellulaire qui provoque une destruction de la cellule. La cellule gonfle et finit par éclater car l eau va entrer dans la cellule. Se produit lorsque la cellule est placée dans une solution hypotonique (solution où il y a plus d eau que de solutés).

112 Quels sont les effets de chaque type de solution sur les cellules de notre corps? Isotonique = cellule normale Hypotonique = cytolyse Hypertonique = plasmolyse

113 Globules rouges en milieu: isotonique hypotonique hypertonique

114 Si on plonge une cellule dans une solution concentrée en sel (NaCl) et que la membrane cellulaire est perméable à l eau mais imperméable au sel. Que se passera t-il?

115 Pourquoi les solutés injectés aux patients sont-ils généralement isotoniques (quantités d eau et de solutés sont égales) avec les liquides de l organismes?

116 Que se produirait-il si on injectait dans la circulation un produit hypotonique (solution où il y a plus d eau que de solutés)?

117 Pour que la cellule fonctionne correctement, le milieu interne de la cellule doit souvent être très différent du milieu externe. (ex: Les cellules ont besoin de substances nutritives pour vivre et se développer.) Elles doivent aussi évacuer des déchets toxiques. Le transport passif ne permet pas d éliminer touts les déchets. La cellule a parfois besoin de transporter des molécules contre un gradient de concentration (faible à forte concentration). On appelle ce genre de transport, le transport actif.

118 Transport actif

119 Le transport actif: c est le passage de substance à travers la membrane qui demande une dépense d énergie de la part de la cellule. Il ne peut se produire que si la cellule est vivante et active.

120 Caractéristiques du transport actif Peut se faire contre le gradient de concentration. C est à dire en sens inverse de la diffusion. Nécessite une dépense d énergie de la part de la cellule. Nécessite une protéine de transport.

121 But du transport actif Le transport actif permet à la cellule de maintenir une composition chimique interne différente de la composition chimique du milieu dans lequel elle baigne.

122 Exemples de transport actif Cellules rénales pompent du glucose et les acides aminés de l urine et les retournent au sang Cellules intestinales pompent les substances nutritives des intestins Cellules des racines des plantes pompent les substances nutritives du sol

123 Pour faire le transport actif, on a besoin d un système particulier, une pompe qui fonctionne grâce à l énergie du métabolisme des cellules. Cette pompe est une protéines de la membrane plasmique. Les cellules ont plusieurs pompes différentes. Ce sont les pompes ioniques.

124 Les pompes ioniques Ces protéines peuvent se fixer à une substance puis, en se déformant, (grâce à une molécule qui fournit de l énergie à la protéine) fait traverser la membrane à cette substance.

125

126 Pompe sodium-potassium

127 3 ions sodium à l intérieur de la cellule et 2 ions potassium à l extérieur de la cellule se lient à la protéine de transport Une sorte d énergie (ATP) va permettre à la protéine de changer de forme. Les 3 ions sodium se retrouvent à l extérieur et les 2 ions potassium à l intérieur. La protéine reprend ensuite sa forme initiale.

128 Ex: S il y a un surplus d acides aminés ou d électrolytes comme le Na + et le K +, ceux-ci seront transportés contre le gradient de concentration par transport actif à l aide de pompes.

129 Fait intéressant Quand nous sommes au repos, 40 % de toute l énergie que nous dépensons sert à entretenir les mécanismes de transport actif au niveau des membranes de nos cellules.

130 Sans les mécanismes du transport actif, les concentrations s équilibreraient par diffusion, la composition interne deviendrait sensiblement identique à la concentration externe. C est ce qui se produit à la mort de la cellule.

131 C est de cette façon, par exemple, que les cellules de l intestin rejettent les enzymes digestives nécessaires à la digestions des aliments.

132 Transport de macromolécules

133 Les macromolécules sont trop grosses pour pouvoir utiliser le transport passif ou actif. La membrane plasmique peut se replier sur elle-même et former un petit sac, une vacuole.

134 Endocytose La membrane se déforme en se repliant vers l intérieur. Il se forme une vésicule contenant une partie du milieu extérieur (quantité de fluide extracellulaire).

135 La vacuole se détache de la membrane et entre dans la cellule. Endocytose

136

137 Il y a deux types d endocytose: la phagocytose la pinocytose

138 Phagocytose Lorsque la substance absorbée par endocytose est une grosse particule (une bactérie absorbée par un globule blanc par exemple, une cellule entière) on parle alors de phagocytose. La phagocytose ne se fait que chez les amibes et les macrophages (cellules du système immunitaire).

139 Phagocytose

140 Pinocytose C est la membrane cellulaire qui s enfonce en un canal qui s étend dans le cytoplasme. C est l ingestion de petites particules solides ou de gouttelettes liquides contenant des substances nutritives en suspension.

141 Exocytose Processus par lequel la cellule expulse les déchets. Une vacuole interne se déplace vers la membrane plasmique et les deux se fusionnent. Le contenu de la vacuole se retrouve à l extérieur de la cellule. Ex: cellule du pancréas pour libérer l insuline.

142 La vacuole, une fois fusionnée avec la membrane plasmique, rejette son contenu à l extérieur de la cellule. Exocytose

143

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