COURS IFSI UE2 S1 Biologie fondamentale La cellule. Viviane GUILLAUME Professeur Biochimie - Génie Biologique - Biologie médicale

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1 COURS IFSI 2009 UE2 S1 Biologie fondamentale La cellule 1 Viviane GUILLAUME Professeur Biochimie - Génie Biologique - Biologie médicale

2 Les cellules Les plus petits organismes sont constitués d une seule cellule et sont microscopiques. Les grands organismes sont multicellulaires. les corps humain contient au moins cellules et plus de 300 types différents. Toutes les cellules par tagent les mêmes caractéristiques structurales. La membrane plasmique définit la périphérie de la c e l l u l e, q u i s é p a r e s o n c o n t e n u d e l environnement. Le cytoplasme comprend le cytosol dans lequel se trouvent les organites ou organelles.

3 Plan Généralités - Définition eucaryotes et procaryotes - Vue d ensemble d une cellule. - Les différents domaines de la biologie cellulaire. - Méthodes d étude des cellules. - La cellule, un contenant et un contenu. - Le contenant : la membrane cellulaire. - Le contenu : le cytosol. 3

4 La membrane plasmique Structure et architecture - protéines - glucides - lipides Propriétés de la membrane plasmique - perméabilité - les transports - des petites molécules - des macromolécules Lʼosmose 4

5 Le cytosol - Ultrastructure - Les organites Entourés dʼune membrane Réticulum endoplasmique rugueux Réticulum endoplasmique lisse Appareil de Golgi Non entourés dʼune membrane Ribosomes Microtubules - Microfilaments Cytosquelette Centrioles Lysosome Mitochondrie Noyau 5

6 Cellules eucaryotes et procaryotes Une cellule eucaryote possède «un vrai noyau». Le matériel génétique est délimité par une structure membranaire. Les organismes sont différents et variés et appartiennent au règne animal OU végétal. Levure Poisson zèbre Ascaris Drosophile L ultrastructure est générale et commune à l intérieur de chaque règne. Une cellule procaryote a son matériel génétique «libre» dans la cellule. Les bactéries sont des procaryotes. Eschérichia coli - MEB Eschérichia coli - MET 6

7 Méthodes d étude Étude de lʼorganisation cellulaire Techniques morphologiques Microscope à fond noir Microscope à contraste de phase Microscope à contraste d interférence différentielle Microscope à fluorescence 7

8 Étude de la constitution physico-chimique des cellules Techniques analytiques Méthodes biochimiques Physiques Chimiques Fractionnement cellulaire Caractérisation Cytophotométrie Diffraction aux RX Cytophotométrie de flux Cytochimie Cytoenzymologie Immunocytochimie Ultracentrifugation Chromatographie Électrophorèse Spectrophotométrie Hybridation moléculaire 8

9 Étude du fonctionnement cellulaire Techniques expérimentales Cultures cellulaires Méthodes expérimentales Utilisation de marqueurs Utilisation de traceurs Micromanipulations 9

10 La cellule est entourée par une membrane appelée membrane cellulaire ou plasmique Le contenant Deux espaces intérieur et extérieur L intérieur est constitué par le cytosol Le contenu 10

11 La membrane cellulaire La membrane cellulaire est aussi appelée membrane plasmique La membrane plasmique qui entoure les cellules, forme des compartiments fermés en séparant les unes des autres les cellules et permet leur individualité. La membrane plasmique contrôle l entrée des substances nutritives et le rejet des déchets. Elle maintient les différences indispensables entre son contenu et l environnement et engendre des différences de concentration ioniques entre l intérieur et l extérieur de la cellule. La membrane plasmique est un capteur de signaux externes et permet à la cellule de se modifier en réponse aux modifications de l environnement Toutes les membranes biologiques ont une structure globale commune. Ce sont des assemblages de molécules protéiques et lipidiques selon le modèle de la mosaïque fluide. 11

12 Le cytosol Le cytosol est constitué en moyenne à 85 % dʼeau, mais il est quatre fois plus visqueux que lʼeau. Lʼensemble des organites de la cellule baigne dans cette solution neutre dont le ph est de 7. On appelle «cytoplasme» lʼensemble du cytosol et des organites quʼil contient. Cʼest dans ce milieu aqueux que la plupart des activités cellulaires (le métabolisme) ont lieu. En plus des organites, on y trouve différents solutés dissous tels que : - des molécules sous formes simples, - des molécules sous formes complexes (macromolécules), - des ions inorganiques, - des gaz dissous (oxygène et dioxyde de carbone).

13 LA MEMBRANE PLASMIQUE 13

14 Structure de la membrane fibres de la matrice extracellulaire glucide LIQUIDE EXTRACELLULAIRE glycoprotéine microfilaments du cytosquelette cholestérol protéine périphérique protéine intramembranaire 14 CYTOPLASME

15 La double couche phospholipidique comprend - des phospholipides - des glycolipides - du cholestérol Phospholipides Cholestérol Glycolipides 15

16 Propriétés Les phospholipides sont «amphiphiles» - ont une extrémité «polaire» : qui aime lʼeau hydrophile - ont une extrémité «apolaire» : qui nʼaime pas lʼeau hydrophobe Cʼest la nature amphiphile des molécules lipidiques qui provoque la formation spontanée de doubles couches en solution aqueuse. La formation de la partie lipidique des membranes biologiques est un processus dʼauto-assemblage. En plus, ces molécules lipidiques ont tendance à se refermer sur elles-mêmes pour former des compartiments. Les phospholipides forment des «micelles». 16

17 Propriétés générales conférées à la membrane par la double couche lipidique La double couche lipidique est un fluide bidimensionnel. La fluidité de la membrane dépend de sa composition Les phospholipides - Les chaînes dʼacides gras saturés et insaturés sont liés dans la même molécule lipidique ce qui leur permet de rester dans la même phase (liquide).les acides gras à chaîne saturée peuvent passer de lʼétat liquide à lʼétat cristallin ou de gel. - La distribution des phospholipides est asymétrique cʼest-à-dire que ce ne sont pas les mêmes dans chaque couche. 17

18 Le cholestérol - Tend à rendre les doubles couches moins fluides (noyau stéroïde), il empêche le rapprochement des chaînes hydrocarbonées et leur cristallisation. - Le cholestérol permet à la cellule de changer de forme car il peut subir le «mouvement de bascule» flip-flop et ceci très rapidement. Il maintient la stabilité mécanique de la cellule. 18

19 Les protéines membranaires Nombreuses protéines différentes Positionnement précis dans la bicouche, asymétrique Protéines intrinsèques Passages transmembranaires sont généralement des hélices α hydrophobes de 20 à 25 acides aminés 19

20 Protéines ancrées et glycoprotéines Liées aux membranes par des interactions électrostatiques faibles - soit aux groupements polaires des lipides (a) - soit aux domaines intracellulaires de protéines intrinsèques (b) Les glucides sont exposés à lʼextérieur de la cellule b cytosol protéines du globule rouge 20

21 Fonctions de la membrane plasmique La membrane plasmique est une barrière imperméable Le caractère hydrophobe de la double couche lipidique ne permet pas le passage des molécules polaires. Les cellules doivent aussi régler les concentrations ioniques intracellulaires.cʼest donc que la membrane peut être perméable à certaines substances Concentration intracellulaire mm Concentration extracellulaire mm Cations Na + K + Ca + Mg + H , ph ph 7,4 Anions Cl

22 La perméabilité de la membrane On utilise une membrane artificielle cʼest à- dire constituée dʼune double couche de phospholipides uniquement et on mesure la vitesse diffusion dʼun certain nombre de molécules. La membrane artificielle, faite de phospholipides, ne contient pas de protéines. animation à voir un peu difficile 22

23 Les protéines de transport Il existe deux types de protéines de transport - Les canaux protéiques - Les protéines porteuses Les canaux protéiques forment des pores aqueux qui traversent la membrane. Lorsque ces canaux sont ouverts, des ions inorganiques de petite taille peuvent passer. fermé ouvert Les protéines porteuses transporteurs se lient à un soluté spécifique et subissent un changement de conformation pour faire passer le soluté dʼun côté lʼautre de la membrane animation animation 23

24 Transports membranaires Petites molécules Les molécules peuvent traverser la double couche par un mouvement spontané vers l équilibre sans apport d énergie, dans le sens du gradient de concentration on parle dans ce cas de transport passif. Si le mouvement des molécules a lieu contre le gradient de concentration, on parle de transport actif car ce type de transport nécessite de l énergie. Transport passif La diffusion simple : passage dʼune petite molécule à travers la membrane comme les gaz par exemple. La v i t e s s e d i ff u s i o n e s t t o u j o u r s proportionnelle à la concentration du soluté. La diffusion facilitée : nécessite la présence dʼune protéine canal ou protéine porteuse. 24

25 Direction de la molécule transportée et co transports animation Uniport Molécule véhiculée dʼun côté à lʼautre. Symport Le transfert dʼun soluté dépend dʼun transfert simultané ou consécutif dʼun second soluté dans le même sens. Antiport Le transfert des deux molécules se fait dans le sens opposé. voir l animation 25

26 Transport actif De premier ordre ou primaire La protéine porteuse doit être reliée directement à une source dʼénergie comme lʼhydrolyse de lʼatp. Un soluté est pompé contre un gradient de concentration. La pompe Na+/K+/ATPase animation - La concentration des ions sodium est supérieure à la concentration du sodium à lʼintérieur, ils devraient donc entrer dans la cellule. - Le sodium entre mais il est expulsé vers lʼextérieur par la pompe qui fonctionne grâce à lʼénergie qui provient du métabolisme. - Pour les ions potassium cʼest lʼinverse, cʼest-à-dire quʼil est refoulé vers lʼintérieur de la cellule. voir une animation 26

27 La pompe Ca ++ /ATPase - Même principe que la pompe sodium. Elle existe au niveau de la membrane plasmique et du réticulum endoplasmique. - Le Ca ++ sort du cytoplasme vers le milieu extérieur. Il entre dans le réticulum endoplasmique. La pompe H + /K + /ATPase - Les ions K + entrent et les ions H + sortent - Cette pompe existe dans les cellules sécrétrices de lʼestomac, dans les cellules de lʼépithélium rénal 27

28 Transport actif de second ordre ou secondaire «PONG PING» - La protéine porteuse a deux sites l un pour Na + l autre pour le glucose. La concentration du sodium est importante à l extérieur, le glucose se fixe à la pompe à l état «pong» Na + et le glucose pénètrent en même temps dans la cellule. - Le sodium est réexpulsé vers l extérieur par la pompe Na + /K + ATPase - Le glucose a un autre transporteur dans la membrane baso-latérale et il passe par diffusion facilitée vers le liquide extracellulaire via le sang. - L a p o m p e f o u r n i t indirectement l énergie pour le s ystème s ymport N a + / glucose. - C est pourquoi on dit que c est un transport secondaire. animation 28

29 Transports membranaires Macromolécules L endocytose est le processus qui permet l incorporation des grosses molécules. Certaines de ces molécules sont des sources d éléments nutritionnels. La pinocytose est une propriété de toutes les cellules. Elle permet lʼentrée de liquides ou de ce que contiennent les liquides dans la cellule. La phagocytose ne sʼeffectue que dans les cellules spécialisées telles les macrophages et les granulocytes - La phagocytose des particules de grande dimension comme les microorganismes et les débris cellulaires sont ingérés par lʼintermédiaire de vésicules dʼendocytose de grande taille appelées phagosomes. - Les phagosomes fusionnent avec les lysosomes en formant des phagolysosomes ; le matériel est digéré et le matériel indigeste forme «les corps résiduels» 29

30 L exocytose La majorité des cellules libèrent également des macromolécules à lʼextérieur par exocytose. Ce processus est ainsi engagé dans le remodelage des membranes Les molécules libérées par exocytose peuvent : - S intégrer dans la membrane plasmique - Faire partie des structures sous extra membranaires - Etre libérées dans le liquide extra cellulaire et servir de signaux aux autres cellules Une caractéristique importante de l endocytose et de l exocytose est que les macromolécules sécrétées ou ingérées sont isolées à l intérieur de vésicules et ne se mélangent pas à d autres molécules ou organites du cytoplasme. appareil de Golgi vésicule reticulum endoplasmique animation 30

31 Lʼendocytose par récepteurs interposés est une voie qui permet de prélever des molécules spécifiques à partir du liquide extracellulaire par lʼintermédiaire de récepteurs. animation à voir

32 Osmose Définition Lʼosmose correspond à la diffusion nette de lʼeau, dʼune zone riche en eau vers une zone pauvre en eau Expérience 1 Dans un récipient,on définit deux compartiments séparés par une membrane perméable à lʼeau et aux molécules de solutés X. - Dans le compartiment 1 on met de lʼeau pure - Dans le compartiment 2 on met le soluté X Observation Le soluté se déplace de 2 ---> 1 Lʼeau se déplace de 1 --->2 A l'equilibre - La concentration en eau dans les deux compartiments est la même sans changement de volume - Le mouvement de lʼeau dépend de la concentration du soluté cʼest-à-dire du nombre de particules de soluté - Plus la concentration de soluté est forte plus la concentration de lʼeau est faible Si on dépose une cellule (contenant des solutés) dans un liquide, la membrane cellulaire délimite un compartiment extracellulaire et un compartiment intracellulaire. La membrane est imperméable aux solutés. 32

33 Expérience 2 On modifie le système en plaçant une membrane perméable à lʼeau mais NON perméable au soluté - Lʼeau diffuse dans le compartiment 2 jusquʼà ce que la concentration soit égale dans les deux compartiments - La concentration du soluté en 2 diminue en raison de lʼeau et augmente en 1 A LʼEQUILIBRE Lʼeau atteint lʼéquilibre de diffusion et la concentration des solutés dans les deux compartiment est égale Conséquence Les volumes des deux compartiments ont changé. Cʼest lʼimperméabilité de la membrane au soluté qui conduit au changement de volume associé au phénomène de lʼosmose Dans cette expérience, on a considéré que les «compartiments» nʼavaient pas de limite et que le déplacement de lʼeau ne créé as de différence de pression à travers la membrane Si les parois du compartiment 2 ne pouvaient pas se distendre, le déplacement de lʼeau vers le compartiment 2 provoquerait une élévation de pression qui sʼopposerait à toute pénétration supplémentaire dʼeau 33 Pression Osmotique La pression osmotique est la force qui sʻoppose au flux de lʼeau à travers une membrane qui sépare une solution contenant des solutés non diffusibles et de lʼeau pure.

34 Isotonicité Application aux cellules Si on dépose une cellule (contenant des solutés) dans un liquide, la membrane cellulaire délimite un compartiment extracellulaire et un compartiment intracellulaire. La membrane est imperméable aux solutés Importance pratique en médecine On injecte souvent des médicaments dissous soit dans une solutionde NaCl ou de Glucose isotonique cʼestà-dire de même concentration que le liquide intracellulaire. Si le même médicament était dissous dans lʼeau pure, il entraînerait le gonflement des cellules et destruction des cellules 34

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36 Transports membranaires transport passif transport actif 36

37 LE CYTOSOL 37

38 Cellule eucaryote ultrastructure 38

39 Cellule eucaryote ultrastructure ribosomes mitochondrie complexe de Golgi lysosome réticulum endoplasmique lisse microfilaments enveloppe nucléaire nucléoplasme nucléole réticulum endoplasmique rugueux péroxysome noyau membrane plasmique centriole cytosol microtubule vésicule 39

40 Les organites Entourés dʼune membrane Réticulum endoplasmique rugueux Réticulum endoplasmique lisse Appareil de Golgi Non entourés dʼune membrane Ribosomes Microtubules - Microfilaments Cytosquelette Centrioles Lysosome Mitochondrie Noyau 40

41 Le cytosquelette Les organites non entourés d une membrane - Ce réseau fibreux, de nature protéique, constitue à la fois un squelette et une musculature pour les cellules eucaryotes. - Il sert à maintenir la forme de la cellule et il intervient également dans les mouvements internes, les déplacements, ainsi qu'au cours de la division cellulaire. - Les filaments du cytosquelette mesurent de 7 à 25 nm de diamètre. 41

42 Les ribosomes 25 nm Les ribosomes sont des petites structures constituées de deux sous-unités dʼarn liées ensemble. Certains sont libres dans le cytosol tandis que dʼautres sont attachés au réticulum endoplasmique. Les ribosomes sont le siège de la synthèse des protéines. Les ribosomes libres assurent la synthèse des protéines qui demeureront dans le cytosol. Les ribosomes liés au réticulum endoplasmique rugueux assurent principalement la synthèse des protéines qui sont destinées - à la membrane cellulaire - aux lysosomes - à être sécrétées hors de la cellules 42

43 Le centrosome - Présent uniquement dans les cellules animales, le centrosome est localisé près du noyau. - Il est constitué de deux centrioles disposés perpendiculairement l'un par rapport à l'autre en association avec des protéines associées aux microtubules (protéines MAP). - Un centriole mesure environ 0,15 μm de diamètre et 0,5 μm de long. - On peut observer un centrosome au microscope électronique à transmission à très fort grossissement (X ). Microtubule Centrosome Paire de centrioles Centrioles 9 paires de microtubules 200 nm sur 400 nm de longueur 43

44 Les organites entourés d une membrane Le réticulum endoplasmique rugueux Le réticulum endoplasmique (RE) est un réseau de membranes parallèles reliées et formant des cavités appelées «citernes». Il est en continuité avec la membrane du noyau. - Le réticulum endoplasmique rugueux a sa surface recouverte de ribosomes. - Le réticulum endoplasmique lisse nʼen porte pas. 44

45 L appareil de Golgi - Lʼappareil de Golgi est un empilement de sacs membraneux aplatis. - Chaque sac mesure environ 100 nm de diamètre. - La fonction principale de lʼappareil de Golgi est de modifier, de trier et de concentrer les protéines synthétisées par les ribosomes. - Les protéines sont acheminées par des vésicules provenant du réticulum endoplasmique. - Dans lʼappareil de Golgi, une fois modifiées, triées et concentrées, les protéines sont à nouveau emballées dans une vésicule qui se détachera de son sac membraneux. 45

46 Les lysosomes lysosome enzymes 200 à 500 nm de diamètre appareil de Golgi - Les lysosomes sont fabriqués par lʼappareil de Golgi. - Ils se présentent sous la forme de vésicules contenant une q u a r a n t a i n e d ʼ e n z y m e s digestives dans un milieu acide. - Ces enzymes servent à dégrader en formes simples, certaines formes complexes (macromolécules) que lʼon trouve dans le cytosol. 46

47 La mitochondrie - Les mitochondries sont des organites en forme de bâtonnets possédant deux membranes. La membrane interne forme des replis appelés «crêtes», qui sʼimbriquent dans une substance appelée «matrice». - Au niveau de la membrane interne et dans la matrice, on trouve de nombreuses enzymes responsables de la dégradation des nutriments sous forme simple, tel le glucose. - Ces dégradations se déroulent en présence dʼoxygène et portent le nom de «respiration cellulaire». - Elles permettent aux mitochondries de former de lʼ ATP, source dʼénergie de la cellule. Le nombre de mitochondries d'une cellule (jusquʼà plusieurs dizaines de milliers) dépend de l'intensité de son activité : une cellule musculaire, par exemple, en possède beaucoup. LʼATP est utilisé pour lʼensemble des activités de synthèse de la cellule ainsi que pour le transport actif. - Les mitochondries possèdent leur propre matériel génétique, quʼon appelle «ADN mitochondrial». - Elles peuvent synthétiser environ 10 % de leurs propres protéines grâce à la dizaine de gènes de leur ADN. Les autres protéines mitochondriales proviennent du travail de synthèse exécuté par les ribosomes. 47

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49 Planches extraites du Manuel d Anatomie et Physiologie Humaines Tortora & Derrickson Edition de Boeck 49

50 Vue d ensemble des réactions métaboliques Le carrefour pour l entrée dans le cycle de Krebs 50

51 1 Dans le cytoplasme Vue d ensemble des réactions métaboliques - Le carrefour pour l entrée dans le cycle de Krebs Dans la mitochondrie Viviane Guillaume Professeur Biochimie Génie Biologique 51

52 Le noyau - Le noyau est entouré dʼune membrane nucléaire et le matériel génétique quʼil contient, lʼadn (déroulé 2 mètres). - La membrane nucléaire permet de séparer les réactions biochimiques se déroulant dans le cytoplasme de celles se déroulant dans le noyau. - Cette membrane est percée de pores, ce qui permet les échanges entre le noyau et le cytoplasme. - Le noyau contient le nucléole, lieu de la formation des ribosomes. 52

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