Histoire de la biologie cellulaire

Historique de la biologie cellulaire

• Au XVIIe siècle, les premières découvertes ont été faites.
• Robert Hooke a introduit le terme "cellule" en 1665 après avoir observé du liège au microscope et noté des structures en forme de boîte.
• Antonie van Leeuwenhoek a amélioré la conception du microscope dans les années 1670 et a été le premier à observer des cellules vivantes, notamment des protozoaires et des bactéries, qu'il a nommés "animalcules".
• Au XIXe siècle, la théorie cellulaire a été formulée.
• Matthias Schleiden a proposé en 1838 que tous les tissus végétaux étaient composés de cellules.
• Theodor Schwann a étendu cette idée aux animaux en 1839, ce qui a conduit à la formulation de la théorie cellulaire.
• Tous les organismes vivants sont composés de cellules.
• La cellule est l'unité fondamentale de la vie.
• Toutes les cellules proviennent de cellules préexistantes (Rudolf Virchow, 1855).
• À la fin du XIXe siècle, des progrès ont été réalisés en microscopie.
• Le développement de colorants et de lentilles plus performants a permis une observation détaillée des structures cellulaires.
• Camillo Golgi a découvert l'appareil de Golgi en 1898.
• Au XXe siècle, la biologie moléculaire a émergé.
• James Watson et Francis Crick ont décrit la structure de la double hélice dans les années 1953.
• La description a établi un lien entre la génétique et la fonction cellulaire.
• La microscopie électronique a progressé et permis de mieux comprendre les organites et structures cellulaires et cellulaires

Ère Moderne : Techniques et découvertes

• Le développement de techniques comme la microscopie à fluorescence et le génie génétique a révolutionné la biologie cellulaire.
• La recherche sur les cellules souches, la signalisation cellulaire et les mécanismes cellulaires continue de dévoiler la vie au niveau cellulaire.

Définition de la biologie cellulaire

• Logos signifie "étude" et bio signifie "vie", donc la biologie cellulaire est l'étude des cellules.
• La discipline se concentre sur leur structure, leur fonction, leurs processus et leurs interactions au sein des organismes vivants.

Procaryotes et Eucaryotes

• Il existe deux grands groupes d'organismes : les procaryotes et les eucaryotes.
• Les procaryotes incluent des sous-groupes comme les bactéries et les archées.
• Les eucaryotes comprennent des sous-groupes comme les protistes, les champignons, les plantes et les Animaux

Procaryotes

• Les procaryotes sont unicellulaires et n'ont pas de noyau ou d'organites liés à une membrane.
• Ils sont l'un des deux principaux types de cellules; l'autre est l'eucaryote.
• Les procaryotes sont divisés en deux grands domaines: Bactéries et Archées.

Bactéries: Définition

• Les bactéries sont des micro-organismes unicellulaires du groupe des procaryotes.
• Elles se caractérisent par une structure cellulaire simple, sans noyau ni organites liés à une membrane.
• Elles sont plus petites (0,2 à 0,5 micromètres de diamètre) que les eucaryotes.
• Elles se trouvent dans divers environnements, comme le sol, l'eau et le corps humain.
• Bien que la plupart soient inoffensives, certaines peuvent causer des maladies chez les humains, animaux et plantes.

Classification des Bactéries

• Les domaines des bactéries
• Les phylums principaux sont les proteobacteria (diversifiée et comprenant plusieurs pathogènes), firmicutes (Gram positif et d'importance dans la la fermentation), actinobacteria (source d'antibiotiques), et bacteroidetes (prévalent dans le microbiote intestinal humain).
• Exemple de classification taxonomique : Domaine (Bactéries) ; Phylum (Proteobacteria) ; Classe (Gammaproteobacteria) ; Ordre (Enterobacterales) ; Famille (Enterobacteriaceae) ; Genre (Escherichia) ; Espèce (Escherichia coli).

Classification morphologique des bactéries

• Cocci sont des bactéries sphériques, par exemple : Staphylococcus et Streptococcus.
• Les bacilles ont une forme de bâtonnet, les exemples : Bacillus.
• Les spirilles ont une forme de spirale, les exemples : spirilles rigides et spirochètes flexibles.
• Vibrio ont une forme de virgule, l’exemple est Vibrio cholerae qui cause le choléra.
• Les dispositions isolées sont des cellules individuelles.
• Les paires (diplocoques/diplobacilles) représentent deux cellules ensemble.
• Les chaînes (streptocoques/streptobacilles) sont plusieurs alignées les unes aux autres.
• Les grappes (staphylocoques) sont des groupes de cellules.
• Les palissades sont des bacilles alignés côte à côte.

Structure des cellules bactériennes

• Les cellules bactériennes ont une structure simple mais leur permettent de fonctionner dans des divers environnements.
• Elles sont construites de peptidoglycane, une structure en réseau faite d’unités répétées de NAG et NAM liées par des chaînes de peptides.
• Les bactéries sont classées en deux catégories : Gram positif et Gram négatif selon la tache de Gram développé par Christian Gram en 1884.
• Les bactéries Gram positifs possèdent une épaisse couche (20 à 80nm) de peptidoglycane et résistent à la coloration violette.
• Les bactéries Gram négatifs possèdent une fine couche de peptidoglycane (2 à 7nm) entre la membrane externe et la membrane cellule, celles ci ne résistent pas à la coloration violette.
• La paroi des cellules bactériennes remplit plusieurs fonctions : elle assure l’intégrité structurale et la forme des cellules, elle protège contre la lyse osmotique permettant de survivre dans divers environnements, elle joue un rôle principal pendant la division pour la formation de cellules filles, et elle régule le passage des substances dans et hors de la cellule.
• La membrane des cellules bactériennes est faite d’une couche bilipidique avec protéines incluses.
• Elle contient des stérols (ex. : mycoplasmes) pour stabiliser la membrane.
• Elle est une barrière pour l’intérieur de la cellule.
• Elle facilite le transport des nutriments et le gaspillage des déchets à travers les canaux et les transporteurs protéiques.
• Elle participe dans la production d’énergie dans le transport de la chaîne d’électrons.
• Le cytoplasme est enfermé dans la membrane cellulaire et est fait d’eau, de protéines, de lipides, d’acides nucléiques, de sels inorganiques, etc.
• La plupart des activités métaboliques se déroulent dans le cytoplasme, et les structures sous-cellulaires incluent des ribosomes, plasmides et granules cytoplasmiques.
• Le cytoplasme est le site des processus métaboliques.
• Il sert comme milieu pour la diffusion des nutriments et des produits de gaspillage.

Matériel génétique des chromosomes bactériens

• Le chromosome des bactéries est la composante clef du matériel génétique.
• Il est généralement fait d’une seule molécule ADN circulaire à double brin.
• Il contient des gènes essentiels des fonctions cellulaires, et des chemins métaboliques.
• Le rôle du matériel génétique à diriger les activités cellulaires et la reproduction.
• La synthèse des protéines est un site qui traduit l’ARNm en polypeptides.
• Il est essentiel à la création des enzymes et des protéines structurelles au fonctionnement des cellules.

Composants facultatifs des bactéries

• Les composantes facultatives incluent la capsule, le flagelles, le pili et fimbriae, inclusions de réserve, et les plasmides.
• La capsule est une structure importante présente dans certaines bactéries.
• Elle est faite de polysaccharides et des protéines.
• Son rôle est de protéger les bactéries des stress physiques et chimiques ainsi que de la déshydratation.
• Elle facilite l’adhésion aux surfaces qui est cruciale pour la colonisation des tissus de l’hôte.
• Les bactéries avec des capsules sont plus virulents car cela renforce sa capacité de provoquer des infections qui évitent les réponses d’immunitaires.
• Les flagelles sont des appendices longs et fins en forme de fouet qui sont des protéines flagellines.
• Un flagelle est une structure qui permet aux bactéries de se déplacer dans un milieu liquide.
• Un flagelle est fait d’un filament, crochet, et un corps basal.
• Les flagelles sont attachés à la membrane et paroi cellulaire par une structure appelée «corps basal».
• Les flagelles sont classées en monotriches, amphitriches, lofotriches, et péritriches basé sur leur localisations.
• Leur fonction est de fournir la motilité aux bactéries afin de nager vers les nutriments et loin des substances nuisibles.

Pili et Fimbriae

• Les pili ont des structures longues en forme de poils qui sont utilisées pour : conjugaison (transfert de gènes), adhésion aux surfaces, mobilité par secoussses (twitching).
• Les fimbriae sont des extensions de cellules courtes qui aident les bactéries à adhérer sur les surfaces et aux tissus hôtes.
• Leur rôle est de former colonies et de fournir la formation des biofilms et de permettre aux bactéries de vivre dans des environnements spécifiques afin de faciliter la survie.
• Les inclusions de réserves sont des granules ou des vésicules dans le cytoplasme et servent de sites de stockage de nutriments, réserves d’énergie, et résidus métaboliques.
• Exemple: Les granules de glycogène emmagasinent le glucose qui est utilisé comme réserve pendant une pénurie.
• Les plasmides sont de petites molécules de plasmides d’ADN qui sont indépendants de l’ADN dans le chromosome des cellules bactériennes.
• Ces plasmides portent souvent des gènes qui donnent les caractéristiques avantageuses comme la résistance aux antibiotiques qui permettent aux bactéries de survivre dans des environnements hostiles.
• Les plasmides se répliquent d’une manière indépendante et permettent à la diffusion rapide de la diversité génétique.

Spore

• Les spores sont des petits corps ronds ou ovales formés des bactéries à cause de la déshydratation cytoplasmique pendant des conditions défavorables.
• Les spores sont entourées de couches membranes avec une faible perméabilité.
• Seules les bactéries Gram positifs peuvent former des spores comme Bacillus subtilis.
• Un cycle de vie des spores de Bacillus:
  • Stade Végétatif: Les cellules de Bacillus croissent activement et se divisent sous des conditions favorables.
  • Sporulation est déclenchée par un stress environnemental et la cellule réplique son ADN en se divisant de façon asymétrique. Une forespore est créé à l'intérieur d'une couche protectrice avant qu'elle se fasse déshydraté et mûrit pour devenir une spore.
  • Une spore se transforme en spore dormante.
  • La spore dormante reste viable pour longtemps et elle est résistante aux conditions extrêmes.
  • La germination se déclenche lorsque les conditions deviennent favorables et la spore absorbe l'eau et grandit avant de revenir à un état végétatif.
  • La reproduction (par fission binaire) permet aux cellules végétatives de croître et se diviser.

Métabolisme des bactéries

• Les bactéries se classent en fonction de leur type de trophique: Basé sur la source d'énergie:
  • Phototrophe: Utilisent la lumière (ex: cyanobactéries).
  • Chimiotrophe: Obtiennent leur énergie à partir des composés chimiques. Basé sur la source d'électrons:
  • Lithotrophe: Utilisent des molécules inorganiques.
  • Organotrophe: Utilisent des composés organiques. Basé sur la source de carbone:
  • Autotrophe: Fixent le CO2 pour produire des composés organiques (ex: certaines cyanobactéries).
  • Hétérotrophe: Obtiennent le carbone de sources étrangères (la plupart des bactéries).
• Respiration bactérienne : les bactéries peuvent être aérobiques, anaérobiques, ou les deux.
  • Aérobies ont besoin d'oxygène pour survivre (ex: Mycobacterium).
  • Anaérobies peuvent survivre sans oxygène et incluent la fermentation (ex: Lactobacillus).
• La fission binaire cause de la réplication du gène d'une cellule dans deux nouvelles cellules avec une réplication asexuée.

Variation génétique

• Les bactéries acquièrent du matériel génétique à travers plusieurs mécanismes qui conduisent à différentes formes de variation génétiques.
• Conjugaison est un transfert direct ADN par un pilus entre deux bactéries pour transférer les plasmides ou portions de chromosome afin de fournir la résistance antibiotique.
• Transformation est l’intégration de l’ADN provenant de l’environnement qui est intégrer dans leur génome qui induit des conditions expérimentales (transformation chimique ou électrique).
• Transduction est la transmission d’ADN par un bactériophage.
• Un bactériophage est un virus qui infecte les bactéries.
• Ces virus peuvent intégrer dse fragments d’ADN de la bactéries dans son propre génome et est transféré à une autre bactéries durant l’infection.

Rôles des bactéries dans la pharmacie et dans la médecine

• Importance de comprendre la bactérie pathogène pour le développement de traitements efficaces.
• Staphylococcus aureus : cause des infections cutanées et systémiques.
• Une pathogène à cause de la résistance antibiotique.
• Escherichia coli : Cause certaine maladies alimentaires..
• Les bactéries bénéfiques sont:
  • Probiotiques ce sont des micro-organismes qui fournissent des bienfaits de santé (ex. Lactobacillus, est utile dans la fabrication de produits laitiers fermentés qui améliorent la santé intestinale).

Archées

• Les archées sont des organismes unicellulaires distincts des bactéries et des eucaryotes et qui possèdent des propriétés biochimiques et génétiques.

Structure Cellulaire des Archées

• Membrane: Elle est faite de lipides spécifiques qui diffèrent des bactéries et des eucaryotes.
• Paroi: Elle ne contient pas de peptidoglycan et contient polymères variées.
• Matière génétique: Circulaire ainsi que les bactéries, mais les gènes et les processus sont plus proches des eucaryotes.
• Ribosomes: La synthèse de protéines et l'ARNr possèdent plus de similitudes aux eucaryotes que les bactéries.

Métabolisme des archées

• Les archées peuvent être autotrophe ou hétérotrophes.
• Grand nombre d’archées vivent dans des conditions extrêmes comme des températures extrêmes (thermophiles), salinité élevée (halophiles), niveau peu élevé d’oxygène (méthanogènes).
• La reproduction archées se fait asexuée et binaires qui est similaire aux bactéries.
• Le rôle écologique des archées est dans le cycle des nutriments. La fixation de l’azote et la production de méthane, contribuant ainsi à la santé des écosystèmes.
• Elles ont des applications biotechnologiques dans des productions de biogaz et d’enzymes.