Biologie cellulaire Introduction 1 Origine et évolution des cellules - On estime l apparition de la vie à 3,5-3,8 Ga soit environ 1Ga après la formation de la Terre. - Cette vie aurait commencé avec LUCA Il s agit de la cellule qui a donné l ensemble des organismes vivants Eucaryotes Eubactéries Archéobactéries - On suggère que des composées simples comme le CO 2, le diazote (N 2 ) en présence de gaz comme l hydrogène (H), ou le H 2 S, ou le monoxyde de carbone (CO) auraient formé des molécules organiques simples et plus particulièrement des acides (aspartate, alanine, acétate ) dans des conditions extrêmes (Température élevée, pression élevée et ph acide ou basique). Grâce à ses conditions, les molécules simples se sont associées, polymérisées pour former des macros molécules (complexe et de grande taille) : les acides nucléiques (ADN, ARN, protéines, phospholipides) formation de LUCA
- On pense que la cellule primordiale est née de l emprisonnement d un acide nucléique et d une macromolécule dans un espace clos formé d une membrane composée de phospholipides. On estime que le 1 er acide nucléique est un ARN qui s est retrouvé prisonnier dans cette structure. Cette cellule une fois constituée va être capable de mettre en place un système de stockage de sa mémoire sous forme d ADN. Elle va aussi mettre en place toute une machinerie lui permettant d élaborer ses propres molécules et en particulier les protéines. A ce stade, ces cellules ne peuvent pas produire leur propre énergie. Elles puisent l énergie dont elles ont besoin dans le milieu extérieur. - Au cours de l évolution, il y a l apparition de mécanisme de production de l énergie : Glycolyse : correspond à la dégradation de molécules organiques formation d ATP Photosynthèse : permet la production d énergie (capture de l énergie solaire et utilisation de cette énergie pour produire des molécules organiques.) Métabolisme oxydant : dégradation de molécules organiques. Elle se fait en présence d oxygène production d ATP
Au cours du temps, cette production d ATP est de plus en plus efficace avec l apparition de la respiration cellulaire grâce aux mitochondries. - Il y a 2 Ga apparaissent les 1 ers organismes eucaryotes Association au cours de l évolution de ces organismes pour former les organismes pluri cellulaires (plantes, insectes, animaux) 2 La théorie cellulaire En 1665, par hasard, Robert Hooke annonce pour la 1 ère foisla théorie cellulaire. Au microscope il observe une structure cloisonné sur une mince couche de liège. Il invente alors le mot cellule (petit espace clos) En 1938 le cellule revient et est définitivement adopté avec les travaux de Théodore Schwann. Il démontre que tous les organismes végétaux et animaux sont constitués de cellules et de produits de ces cellules. La théorie cellulaire La cellule est une unité vivante, c'est l'unité de base du vivant. Individualité cellulaire grâce à une membrane plasmique qui règle les échanges entre la cellule et l environnement. Tous les êtres vivants sont faits de cellules (au moins une cellule). Toute cellule provient d'une autre cellule. La cellule renferme l'information (ADN) nécessaire à son fonctionnement et sa reproduction. L'ADN est libre ou stocké dans un noyau. Cellules avec noyau = Eucaryotes (1,5 milliards d'années). Cellules sans noyau = Procaryotes (3,5 milliards d'années).
Chaque type de cellules remplit une fonction précise. Elles s organisent en tissus : - l épithélium pour les animaux
- le parenchyme pour les végétaux On reconnait 2 grands types de cellules : Cellules procaryotes : - archéobactérie (bactéries les plus primitives, on les trouve dans des milieux hostiles) - eubactéries (forme commune de bactéries actuelles)
Cellules eucaryotes :
Cytosol : Liquide intracellulaire Cytoplasme : liquide intracellulaire + tous les organites sauf le noyau. 3 Les molécules de la vie Eléments essentiels à la vie : Pour échafauder une structure cellulaire, la vie utilise 25 des 92 éléments chimiques présents à l état naturel. Parmi ces 25, 4 sont très important : Carbone (C) : peut former 4 liaisons chimiques Hydrogène (H) : ne forme qu une liaison Oxygène (O) : peut former 2 liaisons Azote (N) : peut former 3 liaisons Ils correspondent aux éléments majoritairement utilisés. Avec ces éléments on peut former un nombre très important de molécules différentes, des plus simples aux plus complexes.
Presque toutes les molécules des êtres vivants contiennent des atomes de carbone reliés les uns aux autres. L ensemble de ces formes génèrent des acides aminés, des acides nucléiques, des protéines, des glucides et des lipides. 4 Membrane plasmique et compartimentation - La membrane plasmique est une frontière entre l intérieur et l extérieur. Elle permet l union des cellules entre elles surtout dans le cas des cellules animales. Elle permet aussi l échange entre le cytosol et le liquide interstitiel (liquide se trouvant entre 2 cellules).
Compartimentation interne de la cellule délimitant les organites qui ont chacune des fonctions spécifiques. 5 Membrane et compartimentation cellulaire Une membrane est constituée de 2 couches lipidiques appelées bicouche ainsi que de protéines. Chaque couche est constituée de molécules lipidiques. Ces molécules lipidiques sont des phospholipides. On distingue 2 régions :
En raison de la partie hydrophobe, la membrane est imperméable aux macromolécules. Elle présente une perméabilité sélective aux ions. Il s agit donc d une barrière entre les composants. Malgré cette imperméabilité, les molécules peuvent traverser la membrane en empruntant les protéines transmembranaires (canaux ioniques, pont, )
6 La compartimentation cellulaire : un avantage? La compartimentation confère plusieurs avantages : Les membranes constituent une barrière qui permet à chaque organite de conserver un milieu ionique et enzymatique particulier. Chacun de ses milieux favorise alors un sous type de réaction biochimique vital. Exemple : - Les mitochondries permettent de produire de l ATP. Cette production se fera de façon optimisée grâce à cette séparation. - Dans les lysosomes on trouve des enzymes de digestions et un ph acide. La compartimentation optimise la digestion et évite une dégradation du reste de la cellule. Conclusion : Qu est-ce qui définie une cellule? Quelle est la cellule d origine? Rôle de la membrane? Compartimentation chez les eucaryotes?
Chapitre 1 Le métabolisme bioénergétique : les structures cellulaires impliquées
Les mitochondries et les chloroplastes produisent de l ATP. - Mitochondrie : produit de l ATP en aérobie à partir de la dégradation de composé nutritifs (lipide, glucide, acide aminée). On parle de catabolisme oxydatif (dégradation de molécules organique). Plus globalement, c est le métabolisme respiratoire. - Chloroplaste : une partie de l ATP est produit par les chloroplastes qui ont la capacité de convertir l énergie lumineuse en ATP. C est la Photochimie (processus de la photosynthèse). On parle d anabolisme (production d énergie et synthèse de molécule organique). - Cet ATP est utile à la croissance cellulaire, à la biosynthèse de nombreux autres composés et c est un transporteur actif de molécules. - Les peroxysomes ne sont pas impliqués directement dans la production d ATP, cependant ils coopèrent avec les mitochondries et les chloroplastes pour permettre la production d ATP. Structure moléculaire de l ATP
Β-D-ribose (sucre à 5 carbones) Adénine (base purique) Hydrolisation ATP ADP + P i libère dans les organites une énergie de 30 kj mol -1 Phosphorylation L ATP est donc une molécule riche en énergie Une réaction qui libère de l énergie est dite exerbonique et une réaction qui prend de l énergie est dite enderbonique I Les mitochondries 1 Analyse en Microscopie Photonique (MP) : structure et propriété A) Polymorphisme et mobilité du chondriome (ensemble des mitochondries présent dans le cytosol) Les mitochondries sont des organites présents en suspension dans le cytosol de toutes les cellules aérobie. Elles peuvent êtres observés en MP grâce à plusieurs techniques
On distingue 3 types de mitochondries qui peuvent être présentes en même temps dans la même cellule. Granulaire Ovalaire (plus courante) filamenteuse (0,5 1 µm) (2 4 µm) (0,2 0,5/7 µm) Cas extrême : Les cellules intestinales (anthérocytes) d escargot présentent des mitochondries filamenteuses de 20 µm. Cependant, la forme des mitochondries dépend des propriétés physico-chimiques du cytosol (ph, P osm, ). Ces facteurs influent sur la forme des mitochondries qui sont donc des organites dont la forme change constamment. Mais le polymorphisme chondrial est relativement restreint. Les mitochondries sont immobiles dans certaines cellules pour demeurer dans des régions du cytosol où elles répondent à une demande local en énergie. Dans d autres cellules, elles peuvent être très mobiles. Elles ne sont pas douées d une mobilité propre mais elles suivent un courant cytosolique généré par le cytosquelette. La mobilité du chondriome s observe au cours de la mitose (division cellulaire) Il y aura donc un partage égal du nombre de mitochondries dans chaque cellule fille. Ces mitochondries vont se mettre de part et d autre du fuseau mitotique.
B) Distribution intracellulaire des mitochondries Cette distribution est le plus souvent uniforme dans le cytoplasme, mais il existe des exceptions. Cas d une cellule intestinale (anthérocytes : cellules qui tapissent la cavité intestinale et qui récupèrent les nutriments) Microvillosité apicale Lot apicale de mitochondries filamenteuses Noyau Lot basal de mitochondries vasculaires Lame basale Le lot apicale de mitochondries filamenteuses absorbe les nutriments au travers de la microvillosité apicale ce qui demande beaucoup d énergie. Le lot basal de mitochondries vasculaires produit l énergie pour restituer les nutriments à l organisme. Cas du spermatozoïde Les mitochondries se trouvent là où il y a besoin d énergie. 2 Ultrastructure du chondriome On observe une constance ultrastructurale, c'est-à-dire que quelque soit la forme, la structure interne est semblable
- La mitochondrie est composée de 2 membranes avec un espace intermembranaire appelé chambre externe. - Crêtes mitochondriales : Soit courtes, soit allongées Longitudinales ou transversales De type tubulaire, triangulaire ou prismatique Lieu de synthèse de l ATP. Elles sont 3 fois plus nombreuses dans les mitochondries de cellules cardiaques que dans les mitochondries de cellules hépatiques (du foie) - Matrice : elle présente un ph alcalin (basique) caractéristique où l on trouve en suspension des granules de 30 à 50 nm de diamètre. Ces granules correspondent à une accumulation de cations (Ca 2+, Mg 2+, ). - Ribosomes : Ils sont en charge de la synthèse des protéines. - ADN : ADN circulaire de petite taille (5 à 10 copies par mitochondries). On ne peut pas l observer car il est trop petit.
3 Composition chimique et organique de l enveloppe mitochondriale - Membrane externe : 60% de protéines, 40% de phospholipides Bicouche phospholipidique renfermant des protéines intégrées (3500/µm 2 ) Perméable en raison du nombre important de protéines qui correspondent à des transporteurs intervenants dans l échange de molécules entre le cytosol et l espace intermembranaire. - Protéines : Porines : pores aqueux au travers de la membrane lipidique et permettant le transport passif de molécules de taille inférieur à 5 kda (pyruvate, AG, H + ). Ces métabolites sont impliqués dans la formation d ATP. Pour produire cet ATP, il faut de nombreuses protéines qui empruntent des complexes spécifiques de transfert afin d être véhiculées du cytosol à la matrice. Complexe spécifique de transfert : véhicule les grosses protéines du cytosol vers la matrice. - Espace intermembranaire : Lieu de transit de toutes les molécules de tailles inférieur à 5 kda. Sa concentration en H + est élevée ce qui confer un ph acide caractéristique de l espace intermembranaire. On retrouve en solution une hémoprotéine appelée cytochrome C dont la participation au métabolisme respiratoire est essentielle. - Membrane interne : 70% de protéines, 30% de phospholipides Présence de cardiolipides qui s opposent à tous passages d ions au travers de cette membrane. Leurs présences fait que cette membrane est imperméable aux H +.
La membrane interne est qualifiée d imperméable malgré la présence de nombreuses protéines. C est la barrière entre le cytosol et la matrice. Présence de 4 complexes métalloprotéiques (chaque complexe est composé de plusieurs protéines) associés à des atomes métalliques (fer ou cuivre). Ces 4 complexes coopèrent pour catalyser une cascade de réactions d oxydoréductions. On les appelle la chaine de transporteurs des électrons respiratoires qui vont être impliqués dans la synthèse d ATP. C est la chaine respiratoire. ATP synthase : complexe enzymatique responsable de la production d ATP dans la matrice mitochondriale. Ils se concentrent sur les crêtes mitochondriales. On distingue une particule sphérique appelée F 1 qui baigne dans la matrice et qui est rattachée à la membrane interne par un pédoncule appelé F 0 intégré dans la membrane. Le fonctionnement des ATP synthase est couplé à celui de la chaine respiratoire. 4 Le métabolisme intramitochondriale A) La respiration cellulaire La mitochondrie est la principale source d énergie des cellules eucaryotes animales. Il s agit d un catabolisme aérobie se définissant comme étant l oxydation de molécules (glucides, lipides, acides aminés). Cette oxydation à lieu en présence d O 2 conduisant à la production de gaz carboniques et d eau. L ATP est produite dans la matrice grâce aux ATP synthase. Cette synthèse D ATP est appelé phosphorylation.
Production d acétyle coenzyme A. L oxygène n intervient pas. Cycle de Krebs : lors de cycle, il y a production de pouvoir réducteur (molécule sous forme réduite qui porte des électrons de haute énergie. Pouvoir réducteur : NAD (Nicotinamide Adénine Dinucléotide) 2 2 FAD (Flavine Dénine Dinucléotide) 2 2 Le pouvoir réducteur va etre oxyder et libèrera les électrons à haute énergie. Transfert d électrons à l origine de la production d ATP au travers des ATP synthases. La respiration des cellules eucaryotes animales étapes 1 et 2 :
L acétyle coenzyme A est produit dans la matrice. Il existe 2 grandes voies métaboliques de production d acétyle : A partir du pyruvate : cette convertion du pyruvate en acétyle produit du NADH et du CO 2. A partir d AG à courte chaine carbonée : cette convertion consiste en une oxydation s des acides gras en présence d O 2. On parle de β-oxydation (=hélice de lynen). Cette convertion génère du FADH et du NADH. Le pyruvate provient du cytosol, il transite par la membrane externe grâce aux porines. Il provient de la convertion du glucose via la glycolise. Les AG à courte chaine carbonée sont produits par les peroxysomes. Cycle de Krebs : métabolisme oxydatif propre aux mitochondries. Il libère du pouvoir réducteur (FADH 2, NADH) et du CO 2. La respiration des cellules eucaryotes animales étapes 3 et 4 : Dans la matrice lors des étapes 3 et 4, il y a production de pouvoir réducteur qui va être oxydé. Suite à cette oxydation, le pouvoir réducteur va céder ses 2 électrons à haute énergie à l ubiquinone. Ceci se fait grâce à l intervention des complexes enzymatique I et II. Les formes oxydées vont être réutilisées dans la matrice pour produire à nouveau du pouvoir réducteur.
Ces différents complexes vont catalyser des réactions d oxydoréduction qui engendrent un transfert d électron qui jusqu à l O 2 sous forme soluble qui se trouve dans la matrice mitochondriale. On dit que l O 2 intervient en tant qu accepteur final d électrons de la chaine respiratoire. Cette O 2 va etre réduit en molécule d eau que l on voit dans la réaction globale. Au cours de ces différentes réactions d oxydoréductions sur la membrane interne d un complexe à l autre,les électrons perdent une partie de leur énergie au niveau des complexes II, III et IV. Ces complexes utilisent cette énergie pour transférer des protons de la matrice vers l espace intermembranaire. Il se met alors en place un gradient de protons (déséquilibre des concentrations de part et d autre de la membrane interne. Ce gradient de protons est une condition indispensable au fonctionnement des complexes ATP synthase. Une partie des protons de l espace intermembanaire retourne dans la matrice en empruntant les complexes ATP synthase et une partie de l énergie de ces protons est captée par ces complexes ce qui permet l établissement d une liaison de forte énergie entre l ADP et le phosphate inorganique afin de produire la molécule d ATP dans la matrice. L ATP est ensuite transféré dans le cytosol pour servir au métabolisme cellulaire général. 5 Origine, multiplication et mort des mitochondries. - Origine : Théorie endosymbiotique (Merechkovski 1905 les mitochondries sont des organites procaryotes vivants en symbiose dans les cellules eucaryotes) En réalité, les mitochondries dérivent à l origne d α-protéobactéries aérobie. Cette bactérie est entré dans une autre cellule et au cours de l évolution, ces bactéries se sont transformées en mitochondries. Preuve : ADN circulaire double brins semblable à celui d une bactérie. Expression de l information génétique de façon indépendant à celle du noyau. Multiplication de façon indépendante du noyau. Double membrane : Processus d endosymbiose Organite semi autonome. - Multiplication : Division de mitochondries existantes - Mort : Autophagie grâce aux lysosome. Turn over : renouvellement cytoplasmique. Lorsqu une mitochondrie fonctionne mal ou est endommagée,elle entraine la mort cellulaire.