1.5 LE NIVEAU CELLULAIRE À lire : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 54 à 76 À faire : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, page 79 #1 à 6 À voir : http://www.ac-creteil.fr/biotechnologies/doc_biocell_inner_life_cell_music.htm 1.5.1 Les types de cellules et taille La cellule procaryote ne possède pas de noyau véritable (voir figure 7.4 page 115). Le matériel génétique (ADN) est concentré dans la région nucléoïde qui est non séparée du reste de la cellule par aucune membrane. La cellule eucaryote possède un noyau véritable contenu dans une enveloppe nucléaire faite de deux membranes (voir figures 7.7 et 7.8 pages 118 et 119). Le cytoplasme se compose d'une matière semi-liquide, le cytosol, dans laquelle baignent des organites. Le cytosol comprend environ, 85% d'eau, des glucides, des lipides, des protéines et diverses sortes d'arn. La plupart des organites de la cellule eucaryote sont absents de la cellule procaryote. La taille des cellules est liée à la fonction. Pour accomplir adéquatement ses fonctions métaboliques, la cellule ne doit être ni trop petite ni trop grande. En effet, lorsqu'un objet d'une forme donnée grossit, son volume augmente plus que sa surface. Entre deux objets de même forme, le plus petit est celui qui présente le plus grand rapport surface volume. L'enveloppe extérieure d'une cellule, la membrane plasmique, contrôle les échanges entre la cellule et l'environnement. De plus, il y a une limite par exemple à la quantité qu'une substance donnée pourra traverser une surface déterminée en une seconde. Ainsi, plus la surface est grande par rapport au volume, plus les échanges pourront satisfaire les besoins cellulaires (voir figure 7.5 page 116). Donc, la plupart des cellules sont microscopiques parce qu'il s'agit là de la seule façon de posséder suffisamment de surface par rapport à leur volume pour combler leurs besoins. La taille des différentes cellules est très variable (voir figure 7.1 page 112). Les plus petites cellules appartiennent au règne des Bactéries et au genre Mycoplasma (0,1 à 1,0 um de diamètre). La plupart des bactéries mesure de 1 à 10 µm de diamètre, tandis que les cellules eucaryotes mesurent de 10 à 100 µm de diamètre. Les immenses besoins des cellules eucaryotes nécessitent une organisation structurale particulière. Par conséquent, plusieurs membranes internes partagent la cellule en de nombreux compartiments. Chacun de ces compartiments formant un microenvironnement, ce qui signifie que plusieurs processus, même incompatibles, peuvent se dérouler simultanément dans la cellule. L'étude des cellules eucaryotes se ramène à l'étude des membranes et des compartiments fonctionnels ou organites qu'elles délimitent. Biologie générale II Cahier d apprentissage 18
1.5.2 Les organites Les organites sont des structures fonctionnelles minuscules ou éléments intracellulaires qui assurent le fonctionnement de la cellule. Faites une liste des principaux organites cellulaires? Activité Groupe d expert - Former des équipes de 4 étudiants. Chaque équipe correspond à une cellule. - Le professeur attribue à chacun des coéquipiers des organites précis. - Individuellement vous allez faire une recherche sur les organites, trouver des informations sur sa structure, sa forme, ses fonctions ou ses rôles et les liens avec d autres organites. - Au moment déterminé par le professeur, vous allez partager en groupe d expert, c est à dire que les coéquipiers de chaque équipe ayant les mêmes organites se regroupent et après discussion vous allez valider et compléter vos informations. - Au moment déterminé par le professeur, vous allez retourner dans votre équipe et construire votre cellule. Biologie générale II Cahier d apprentissage 19
1.6 EXERCICE FORMATIF 1- Nommez les organites présents dans la cellule procaryote et associez-leur une fonction générale? 2- Quels organites sont présents dans la cellule animale et non dans la cellule végétale? 3- Quels organites sont présents dans la cellule végétale et non dans la cellule animale? 4- Décrivez le cheminement assurant la production d une protéine destinée à l exportation comme un anticorps dans un globule blanc? (Mentionnez les organites impliqués dans l ordre, leur structure et leur fonction) 5- Établissez un lien entre une cellule comme celle du pancréas qui synthétise des protéines comme l insuline, le nombre de ribosomes qu elle contient et la taille du nucléole? 6- Dans ces cellules du pancréas qui synthétise l insuline, quel type de réticulum endoplasmique est plus susceptible d être plus développé et pourquoi? 7- Établissez un lien entre la consommation de certains médicaments, le développement du réticulum endoplasmique lisse et la tolérance à des produits du même genre? 8- Expliquez pourquoi les cellules des testicules ou des ovaires présente un réticulum endoplasmique lisse plus abondant? 9- Pourquoi le lysosome est un bon exemple pour illustrer la compartimentation de la cellule par le réseau de membrane? Biologie générale II Cahier d apprentissage 20
10- Associez la fonction avec l organite de la cellule? a) Noyau b) Nucléole c) Membrane plasmique d) Ribosomes libres e) Ribosomes liés f) Appareil de Golgi g) Réticulum endoplasmique rugueux h) Cytosquelette (microfilaments) i) Réticulum endoplasmique lisse j) Vacuoles centrales k) Cytosquelette (microtubules) l) Peroxysomes m) Lysosomes n) Mitochondries o) Glycocalyx p) Chloroplastes q) Paroi cellulaire r) Cytosquelette (filaments intermédiaires) r) Jonctions cellulaires 1-Production et enrobage (polysaccharides) des protéines dédiées à l exportation et synthèse des membranes. 2-Renforce la surface cellulaire, permet l adhérence entre les cellules et forme les récepteurs membranaires. 3-Dégradation (végétaux) de macromolécules et entreposage de déchet et de toxines 4-Triage, étiquetage et production de vésicules membranaire en plus d assurer la modification de glycoprotéines 5-Synthèse des protéines pour la cellule 6-Élimination de peroxyde (H 2 O 2 ), participe au métabolisme des lipides et des glucides, assure une fonction de détoxification. 7-Protection cellulaire, donne la forme à la cellule et prévient l absorption de l eau 8-Maintien de la cellule, ancrage pour les organites 9-Synthèse des protéines pour les organites et pour l exportation 10-Assure la communication entre les cellules 11-Digestion intracellulaire, recyclage de matière organique, destruction programmée 12-Synthèse des ribosomes 13-Centrale énergétique, lieu de la respiration cellulaire et synthèse d ATP. 14-Échanges avec l environnement 15-Rails pour le déplacement des organites en plus d être un guide pour les vésicules de sécrétion, assure la mobilité de certaines cellules et la séparation des chromosomes 16-Lieu de la photosynthèse, transformation de l énergie lumineuse en énergie chimique 17-Contrôle la synthèse des protéines 18-Métabolisme des glucides, détoxification, synthèse des lipides, réserve de calcium 19-Assure le mouvement de la cellule par contraction musculaire, contractions cellulaires localisées, l élongation et la rétraction des pseudopodes et responsable des mouvements de cyclose. Biologie générale II Cahier d apprentissage 21
1.7 LA STRUCTURE DE LA MEMBRANE À lire : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 80 à 85 À faire : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, page 95 #1 à 4 La membrane plasmique est la frontière de la vie, la ligne de démarcation entre la cellule et son environnement. La membrane plasmique détermine ce qui entre dans la cellule et ce qui en sort. Comme toutes les membranes biologiques, la membrane plasmique présente une perméabilité sélective; autrement dit, elle se laisse traverser par certaines substances plus facilement que d'autres. Quelles sont la composition et l organisation de la membrane? Nommez les protéines membranaires et décrivez leurs rôles? Protéines Caractéristiques Rôles ou fonction Biologie générale II Cahier d apprentissage 22
1.8 LA PERMÉABILITÉ SÉLECTIVE ET TRANSPORT MEMBRANAIRE À lire : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, pages 86 à 93 À faire : Starr, C. et Taggart, R. Biologie générale, page 95 #5 à 8 À voir : http://www.ac-creteil.fr/biotechnologies/doc_biocell_nak_pump.htm http://www.ac-creteil.fr/biotechnologies/doc_transportmb.htm La partie centrale de la membrane plasmique étant hydrophobe. Les ions et les molécules polaires qui sont hydrophiles, passent plus difficilement à travers la membrane. Passent facilement Molécules hydrophobes (O2, hydrocarbures) N.B.: Les plus petites molécules solubles passent plus rapidement. Petites molécules polaires neutres (H2O, CO2) elles passent entre les phosphoglycérolipides. Passent difficilement Grosses molécules polaires neutres (Glucose + autres monosaccharides) Ions comme H+ et Na+ à cause de leur revêtement aqueux (ne peuvent se glisser entre les phosphoglycérolipides). Cependant, les membranes biologiques peuvent laisser passer certains ions et molécules polaires (hydrophiles) en évitant le contact avec la couche de lipides (phosphoglycérolipides) grâce à des PROTÉINES DE TRANSPORT 1.8.1 Transport passif Le transport passif ne nécessite aucun besoin d'énergie. Il s effectue selon un gradient de concentration. Il nécessite des protéines de transport. 1-Diffusion simple est la tendance que présentent les ions ou les molécules à se répartir uniformément dans un milieu. 2-Osmose est la diffusion de l'eau libre à travers une membrane sélective. Cette eau diffuse d'une solution hypotonique vers une solution hypertonique. La direction de l'osmose dépend de la différence dans la concentration totale du soluté de part et d'autre de la membrane sélective. La pression osmotique est la pression qu'il faut pour annuler la tendance de l'eau à entrer dans une solution par osmose. Cette pression est proportionnelle à concentration de la solution. Le comportement des cellules animales et végétales placées dans des solutions hypertoniques, isotoniques et hypotoniques démontre le principe de la pression osmotique comme la turgescence et plasmolyse pour les cellules végétales et la lyse et aspect crénelé ou ratatiné des cellules animales. Biologie générale II Cahier d apprentissage 23
3-Diffusion facilitée concerne les molécules polaires et certains ions qui ne peuvent passer la couche lipidique. Cette diffusion requiert alors la présence de protéines de transport situées dans la membrane. Ces protéines de transport sont spécifiques à un soluté. Par conséquent, ces protéines possèdent un site actif. Les protéines de transport peuvent devenir saturées et être inhibées. Le processus de transport (encore hypothétique) au cours duquel la protéine de transport reste en place dans la membrane et transborde les substances en subissant un changement de forme subtil qui transfère le site de liaison d'un côté de la membrane à l'autre. Ce changement de forme serait déclenché par la liaison et la libération de la substance transportée. Une anomalie causée par le mécanisme de transport ou par l'absence d'un transporteur spécifique est possible. Par exemple, la cystinurie. Cette anomalie du mécanisme de transport de la cystine dans les cellules rénales qui a pour conséquence une accumulation de la cystine (2 molécules d'acides aminés) dans les reins, d'où calculs rénaux. Les principales substances transportées par diffusion facilitée sont le glucose, les acides aminés, certains ions et le pyruvate (respiration cellulaire). 1.8.2 Transport actif Le transport passif nécessite de l énergie. Il s'effectue contre un gradient de concentration. Il nécessite des protéines de transport. Le rôle de ce type de transport est de maintenir les concentrations intracellulaires différentes des concentrations extracellulaires. Par exemple, la cellule animale dans son état normal d'activité, la concentration de certains ions (Na + ) est plus élevée à l'extérieur de la cellule qu'à l'intérieur et la concentration d'autres ions (K + ) est plus faible à l'extérieur qu'à l'intérieur de la cellule. Le fonctionnement normal de la cellule exige le maintien de ces différences de concentration des ions de part et d'autre de la membrane cellulaire. Il existe un cas particulier d'un type de cellule animale, le neurone (potentiel de repos membranaire). Le cotransport nécessite de l énergie. Il s'effectue contre un gradient de concentration. Il nécessite des protéines de transport. Le mécanisme consiste en une pompe alimentée par ATP et transportant activement un certain soluté peut amorcer indirectement le transport passif de quelques autres solutés par un mécanisme appelé cotransport. Par exemple, le transport du saccharose dans les cellules végétales. 1.8.3 Exocytose, endocytose et phagocytose Ces processus utilisés pour le transport en "vrac" de macromolécules et de particules Biologie générale II Cahier d apprentissage 24
Complétez le tableau synthèse des mécanismes de transport de la membrane cellulaire? Type Sous-type Processus Énergie Exemple Passif Actif -- Par vacuole ou par vésicule Biologie générale II Cahier d apprentissage 25
1.9 EXERCICE FORMATIF: 1-Comparez la cellule procaryote à la cellule eucaryote? 2-Expliquez ce qu'est le cytosol? 3-Pourquoi les cellules sont-elles microscopiques? 4-Expliquez l'importance pour la cellule d'être compartimentée? 5-Démontrez, dune manière générale, pourquoi l'étude de la cellule se ramène à l'étude des membranes? 6-Décrivez la membrane nucléaire? 7-Donnez le rôle du noyau de la cellule? 8-Précisez le rôle du nucléole? 9-Comparez les ribosomes libres aux ribosomes fixes? Précisez leurs rôles respectifs? 10-Décrivez la structure générale du ribosome? 11-Énumérez et expliquez la structure générale du réticulum endoplasmique (RE)? 12-Comparez, par leurs caractéristiques et leurs fonctions propres, le RE lisse au RE rugueux? Biologie générale II Cahier d apprentissage 26
13-Donnez 1 exemple d'une fonction particulière de RE lisse? 14-Expliquez les transformations et le sort des protéines fabriquées par le RE rugueux? 15-Expliquez comment le RE rugueux participe à la formation de ses membranes et des membranes appartenant à d'autres organites? 16-Illustrez, à l'aide d'un schéma légendé, la structure de l'appareil de Golgi? 17-Nommez et expliquez les fonctions de l'appareil de Golgi en insistant sur sa fonction de triage? 18-Quel est le rôle général des lysosomes? 19-Expliquez la fonction de digestion intracellulaire des lysosomes? 20-Expliquez la fonction de recyclage de la matière organique des lysosomes? 21-Distinguez et expliquez les termes suivants: phagocytose, autophagie, phagosome et phagolysosome? 22-Donnez 1 exemple de maladie de surcharge impliquant le métabolisme lysosomial? 23-Énumérez et expliquez les rôles de la vacuole des cellules végétales? 24-Établissez les liens qui existent entre les divers organites ou constituants membranaires de la cellule? Biologie générale II Cahier d apprentissage 27
25-Expliquez l'origine et les rôles des perxoysomes? 26-Précisez le rôle des mitochondries? 27-Précisez le rôle des plastes et, tout particulièrement, des chloroplastes? 28-Expliquez ce qu'est le cytosquelette? 29-Nommez les rôles (en général) du cytosquelette? 30-Nommez les sortes de fibres qui constituent le cytosquelette? 31-Précisez la structure et le rôle des microtubules, des microfilaments et des filaments intermédiaires? 32-Nommez les protéines motrices et précisez leurs rôles spécifiques au niveau des microtubules et des microfilaments? 33-Donnez la composition chimique de la paroi cellulaire de même que son rôle dans la cellule végétale? 34-Donnez la composition chimique du Glycocalyx et son rôle dans la cellule animale? 35-Nommez les diverses jonctions intercellulaires et précisez leurs rôles? 36-Faire un tableau synthèse des différents types de transport membranaire avec leurs caractéristiques et leurs particularités? Biologie générale II Cahier d apprentissage 28