Introduction à la Biologie Cellulaire - FST-Marrakech - 2024-25 PDF

UNIVERSITE CADI AYYAD FST- MARRAKECH Département de biologie PLANCHES DE COURS Module M 113: BIOLOGIE CELLULAIRE Semestre 1 du TC-BCG Pr. H. BOUAMAMA Année Universi...

UNIVERSITE CADI AYYAD FST- MARRAKECH Département de biologie PLANCHES DE COURS Module M 113: BIOLOGIE CELLULAIRE Semestre 1 du TC-BCG Pr. H. BOUAMAMA Année Universitaire : 2024-25  Module 113: Biologie Cellulaire (Semestre 1) 2  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire La théorie cellulaire : Premières observations des cellules vivantes Anton van Leeuwenhoek Années 1600 Inventé des microscopes de puissance 400 X Créé un nouveau monde observable Examiné des eaux d’étang, de pluie, la poussière Déterminé l’existence de bactéries Observé des animalicules Robert Hooke 1665 Observé des minces tranches de liège ou suber n'est qu'un tissu mort Décrit de petites chambres vides, ou « cellules » Il n’a pas observé d’organites (il ya donc des limites) Découvert les cellules des plantes Publications dans revue: Micrographia Oculaire Lampe d’huile Récipient d’eau Porte objet 3  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire La théorie cellulaire : Premières observations des cellules vivantes Theodore Schwann En 1838 Il a rapporté que les cellules étaient présentes dans le tissu animal Matthias Schleiden Il a observé des milliers de plantes et a trouvé que les cellules se retrouvaient dans tous les tissus végétaux Avec Schwann, ils ont suggéré que tous les organismes étaient composés de cellules Rudolph Virchow Enfin en 1858 Il a observé la division cellulaire Il a conclu donc que les cellules ne peuvent provenir que d’autres cellules Il a conclut ceci quelques années avant l’expérience de Pasteur Louis Pasteur en 1860 Son expérience a aboli la théorie de la génération spontanée et a établi la théorie de la biogénèse. Remarque : Selon Aristote Il ya une force vitale qui dépend de la présence de l’air  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire La théorie cellulaire : Premières observations des cellules vivantes La théorie cellulaire : Tous les êtres vivants sont faits de cellules (au moins une cellule). La cellule est l'unité de base du vivant Toute cellule provient d'une autre cellule Unité et diversité structurale : La cellule est un volume de cytoplasme entouré par une membrane cytoplasmique et contenant un noyau et différentes structures. Mais …il ya des différenciations Unité et diversité fonctionnelle C’est la plus petite organisation moléculaire qui possède les propriétés du vivant: (a) Croissance, (b) Multiplication, (c) Métabolisme et contrôle des échanges. Mais différenciation Tous les tissus végétaux ou animaux sont faits de petites unités: les cellules 5  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Exemple : Il ya 1013 1014 cellules par être humain (100 000 000 000 000) 6  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Hiérarchie des ultra-structures cellulaires PRECURSEURS (4) 7  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Composition chimique et liaisons moléculaires Cellules = 90% d’eau et liaisons H Le reste exprimé en pourcentage de poids sec est approximativement de: ▪ 50% protéines ▪ 15% glucides ▪ 15% acides nucléiques ▪ 10% lipides ▪ 10% autres Les biomolécules et leurs fonctions => Macromolécules 1- Les glucides à fonctions Energétique métabolique, Identité cellulaire et structurale l’unité de base est l’ose souvent hexoses et pentose. la macromolécule est le polyose ou polysaccharides 2- Les lipides à fonction de réserve énergétique, structurale et hormonale Acides gras saturés ou insaturés, triglycérides, phospholipides et stéroïdes. 3- Les protéines avec 20 acides aminés à structures de la I aire à la structure IV aire. 4- Les acides nucléiques Les unités sont les 5 bases azotées, le ribose ou désoxyribose et phosphate ; 8  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Composition chimique et liaisons moléculaires Les macromolécules 1- Les glucides : les sous unités (ou monomère) sont : a) Monosaccharide ou sucre simple : Formée de 3 à 7 atomes de Carbone ex : glucose (l’une des principales sources d’énergie chez les plantes et animaux), fructose, galactose. b) Disaccharide ou sucre double : 2 sucres simples ensemble. Ex : saccharose (sucre alimentaire) = glucose + fructose et maltose = glucose + glucose c) Polysaccharide : plusieurs sucres simples ensemble. Comme exemples: 1. amidon (stocke l’énergie chez végétaux), 2. glycogène (stocke l’énergie chez animaux), 3. cellulose (fabrication de paroi cellulaire chez les végétaux). 9  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Composition chimique et liaisons moléculaires Les macromolécules 2- Les lipides : Les sous-unités (monomère)= c’est le Groupement glycérol + 3 acides gras Les acides gras peuvent être longs, courts, saturés (solides) ou insaturés (souvent liquide) 10  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Composition chimique et liaisons moléculaires Les macromolécules 3- Les protéines : les sous-unités (monomères) sont les 20 Acides Aminés dont 8 a.a. sont essentiels qui forment les polypeptides qui forment les protéines Ex : acide aminé + acide aminé + a.a. + a.a. +... = protéine 11  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Composition chimique et liaisons moléculaires Les macromolécules 4- Les Acides Nucléiques: dont les Rôles: dirigent croissance et développement de toute forme vivante par un code chimique. Déterminent caractéristiques et fonctionnement de chaque cellule. (Code génétique). Sous-unité (monomère)= Les nucléotides qui sont formés d’un groupement phosphate, sucre (ribose ou désoxyribose) et une base azotée. Les Exemples ARN : un brin de nucléotides qui contiennent du ribose. ADN : 2 brins de nucléotides qui contiennent du désoxyribose. Il y a cinq bases azotées: Adénine, Guanine, Cytosine, Thymine et Uracile. 12  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Les macromolécules: Les Acides Nucléiques: Un Nucléotide : Sous-unité ou monomère d’un acide nucléique Un Nucléotide : Sous-unité 13 ou monomère d’un acide nucléique  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Il ya 200 types différents de cellules dans un corps humain. Chacune remplit une fonction précise. Cytoplasme Corps cellulaire Membrane plasmique Noyaux Des cellules nerveuses ou Neurones Cellules graisseuses ou adipeuses 14  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Racine en coupe Coupe de racine aquatique oupe Feuille vue en coupe RacineCoupe en coupe de racine aquatique Plastes Feuille d’Elodée (plante aquatique) 15  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Classification du monde vivant Une nouvelle conception sur l'origine du monde vivant par l'examen des séquences de l'ARN de la petite sous-unité du ribosome montre que l'on peut regrouper toutes les séquences connues (et donc les organismes correspondants) en trois ensembles : les bactéries, archées et eucaryotes. Les archées ou archéobactéries ne sont pas véritablement des bactéries ! Ainsi le découpage fondamental du vivant n'est pas entre: ❑ végétal et animal (dichotomie), ❑ ni entre procayote et eucaryote (dichotomie) 16 ❑ mais entre bactéries, archées et eucaryotes (trichotomie).  1. par sa relative grande taille, 2. sa grande complexité d'organisation Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire 3. la présence d'un noyau (N) enfermé dans une enveloppe (mn), Cellule procaryote etsecellule la cellule eucaryote distingue: eucaryote 4. la richesse de son contenu, les différents organites nettement différenciables dans le L'utilisation du microscope a conduit à relative 1. par sa l'identification grande taille, de deux types cellulaires cytoplasme distincts par (d’où la complexité) la présence (les eucaryotes) ou l'absence (les complexité 2. sa grande procaryotes) d'un noyau dans la cellule. d'organisation 3. la présence d'un noyau (N) enfermé dans une la cellule procaryote se distingue : enveloppe (mn), En réalité le noyau est enfermé dans 4.une enveloppe nucléaire (car c’est la richesse de son contenu, les différents ▪ par une double sa relative petitemembrane), taille et la ▪ sa faible complexité d'organisation cellule eucaryote possède une compartimentation organites nettement généralement différenciables dans leabsente chez les procaryotes. ▪ l’absence de noyau (mais on distingue cytoplasme (d’où la complexité) toutefoisCellule assez nettement eucaryote le nucléoïde ≈ 10 µm où se la cellule eucaryote se distingue: trouve localisé le matériel génétique de la la cellule procaryote se distingue : bactérie) ; la cellule eucaryote se distingue: 1. par sa relative grande taille, ▪ d'une manière générale l'absence de détails ▪ par sa relative petite taille 2. sa grande complexité 1. par sa relative grande taille,d'organisation particulièrement visibles au sein du ▪ sa faible complexité d'organisation la présence 3. sa 2. d'un noyaud'organisation grande complexité (N) enfermé dans une cytoplasme (d'où l'idée de faible complexité) ; ▪ l’absence de noyau (mais on distingue enveloppe (mn), 3. la présence d'un noyau (N) enfermé dans une toutefois assez nettement le nucléoïde où se Remarque 1 : Chez les Planctomycétes la richesse (mn), 4. enveloppe de son contenu, les différents trouve localisé le matériel génétique de la l’espèce Gemmata obscuriglobus est une organites 4. la richessenettement différenciables de son contenu, dans le les différents bactérie) ; Cellule un procaryote procaryote ≈ 2 µm : qui cytoplasmenettement organites (d’où la complexité) différenciables dans le bactérie donc original Cellule ▪ d'une eucaryote manière ≈ 10 µm générale l'absence de détails cytoplasme (d’où la complexité) possède une structure qui fait penser à un particulièrement Cellule eucaryote visibles ≈ 10 µm au sein du noyau la cellule procaryote se distingue : cytoplasme (d'où l'idée de faible complexité) ; la cellule procaryote se distingue : ▪ par sa relative petite taille Remarque 2 : Les cellules eucaryotes sans noyau - les glob Remarque 1 : Chez les Planctomycétes ▪▪ par sa faible complexité sa relative d'organisation petite taille perdu leur noyau au cours de la différenciation. l’absence l’espèce Gemmata obscuriglobus est une ▪▪ sa de noyau (mais faible complexité on distingue d'organisation toutefois assez nettement bactérie donc un procaryote original : qui ▪ l’absence de noyau (mais le onnucléoïde distingue où se trouve localisé possède une structure qui fait penser à un toutefois assez le matériellegénétique nettement nucléoïde deoù la se bactérie) trouve ; localisé le matériel génétique de la noyau Cellule procaryote ≈ 2 µm ▪ bactérie) d'une manière ; générale l'absence de détails Cellule 2procaryote ≈ 2 µm Remarque : Les cellules eucaryotes sans noyau - les globules rouges des mammifères (ces cellules ont particulièrement ▪ d'une manière générale visiblesl'absence au sein du de détails perdu leur noyau au cours de la différenciation. cytoplasme (d'oùvisibles particulièrement l'idée deaufaible sein complexité) du ; 17 cytoplasme Remarque 1 :(d'où Chezl'idée de faible complexité) ; les Planctomycétes  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Quelques caractères différentiels des cellules eucaryotes et procaryotes Cellule procaryote Cellule eucaryote Organisme typique Bactéries Plantes, animaux, champignons… Taille typique 1- 10 µm 10-100 µm Type de noyau Nucleoïde, pas de véritable noyau Vrai noyau avec double membrane ADN Constitué d'ADN formant un seul Constitué d'ADN associé à des protéines chromosome circulaire, pelotonné, et organisé en plusieurs chromosomes, visibles finement enchevêtré au microscope pendant la division cellulaire ARN / synthèse des Il est couplé au cytoplasme - L’ARN est synthétisé dans le noyau, protéines - Les protéines sont synthétisées dans le cytoplasme Cytoplasme Pas de réticulum endoplasmique Il est Structuré de façon complexe par le Pas de cytosquelette réticulum endoplasmique et le cytosquelette Ribosomes Très nombreux ribosomes qui sont le lieu Très nombreux ribosomes libres ou attachés de la synthèse protéique sur les systèmes membranaires internes (RE et enveloppe nucléaire) Mouvement de la A l’aide du Flagelle (longs) Par des cils (courts) et flagelles (longs) cellule Métabolisme Anaérobie (absence de O2) ou aérobie Habituellement aérobies (Présence de O2) Respiration Pas de mitochondries : les enzymes Présence des Organites spécialisées de la nécessaires sont localisés au niveau de la respiration : mitochondries membrane cytoplasmique ou du mésosome Division de la cellule Division simple Par Mitose pour les cellules somatiques Et par Méiose pour les gamètes 18 Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire 19  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Les procaryotes : ultrastructure et mode de regroupement Les bactéries peuvent avoir différentes formes : bâtonnet, sphérique, cylindrique... Elles peuvent vivre isolées ou groupées en colonies. 20  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Les protistes et les Virus: A- Les Protistes Définition : a. Les protistes sont des eucaryotes. Leurs cellules ont un noyau et des organites membranaires. b. La plupart sont unicellulaires. c. Ils ont tous besoin d'un environnement aquatique ou humide pour vivre! d. En dehors de ces caractéristiques, ils ont très peu en commun. Les protistes sont regroupés en 3 grandes catégories suivant leur nutrition : A. Ressemblant à des animaux, hétérotrophes et peuvent se déplacer. (Protozoaires) B. Ressemblant à des plantes, autotrophes et qui font la photosynthèse. (Protophytes, avec les algues) C. Les protistes ressemblant à des champignons (fongiformes), sont hétérotrophes, leurs cellules ont des parois cellulaires et se reproduisent par les spores. (Protomycètes) Remarque: Les protistes ressemblant à des animaux ou à des champignons sont des parasites et absorbent les éléments nutritifs destinés à leur hôte, ce qui nuit à ce dernier. Ceux qui sont multicellulaires peuvent être composés de plus 100 à 1000 cellules mais non organisés en tissus ni organes. 21  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire A- Les Protistes Remarque: Les protistes qui sont multicellulaires peuvent être composés de plus 100 à 1000 cellules mais non organisés en tissus ni organes. Protistes Oomycètes Myxomycètes Protozoaires Algues (aquatiques) (terrestres) Trypanosoma gambiense Paramécie Vorticella Stentor Moisissures 22  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire B- Les Virus 1. Un virus n’a pas de structures cellulaires. 2. C’est une particule d’acide nucléique, ARN ou ADN, entouré d’une capside faites de protéines. 3. Certains virus ont une enveloppe membranaire à l’extérieur de la capside, composée de lipides. 4. L’enveloppe aide le virus à reconnaître et à s’attacher à l’hôte car c’est un parasite obligatoire. 5. Les virus peuvent contaminer les cellules végétales, animales ou bactériales. Phages Coloration positive Coloration négative microscope électronique microscope électronique 23  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire B- Les Virus Les virus sont souvent classés selon le type d’organismes qu’ils contaminent : Il y a 4 structures de base chez les virus : 1. Virus de la mosaïque (plantes) 2. Adénovirus (animaux) 3. Orthomyxoviridae, ou Influenza (animaux) 4. Bactériophage (bactéries) 24  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Ex: LE CORONAVIRUS Taille : 100-150 nm Génome : ARN ; plus grand des virus à ARN. Virus enveloppé d’une capsule de protéines en forme de couronne qui leur vaut leur nom. Protéine S (protubérances) : pour l’entrée virale. Protéine E (enveloppe) : joue un rôle dans la sécrétion des virions. Protéine M (membrane) : joue un rôle majeur dans l’assemblage du virion. Protéine N (nucléocapside) : protéine qui encapside le génome viral pour former la nucléocapside hélicoïdale. La protéine HE (hémagglutinine estérase) est caractéristique et spécifique du sous-groupe A du genre Beta-coronavirus. 25  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire B- Les Virus: Acaryotes Synthèse des modèles Eclatement de la cellule de virus Injection de l’ADN ou ARN 2 cellules filles Cellule en mitose 26  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire Comparaison entre la Cellule animale et végétale Fig.2 : Cellule végétale Fig. 1 : Cellule animale 27 Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire METHODES D’ETUDES DES CELLULES Ultra Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire METHODES D’ETUDES DES CELLULES Ultra  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire L’ETUDE MORPHOLOGIQUE: Cytochimie et l’autoradiographie I. Méthodes et techniques d’observations des cellules L’observation des cellules est délicate du fait de leurs très petites tailles, et nécessite un certain nombre d’appareillages dont les microscopes. On distingue deux grands types de microscopes suivant leur résolution: les microscopes optiques (TP) et les microscopes électroniques. Le pouvoir de résolution (ou de séparation) est: la capacité d'un système optique de mesure et d'observation à distinguer les détails (microscopes, les télescopes ou l'œil, mais aussi certains détecteurs utilisés en imagerie)  Partie 1: Introduction à la biologie cellulaire ETUDE MORPHOLOGIQUE IA. Le Microscope Optique (MO) Les MO (à lumière ou photoniques) permettent l’observation de cellules vivantes ou mortes, grâce à des coupes très fines de préparations fixées. Les MO utilisent de la lumière visible et la qualité de l’image dépend du pouvoir séparateur qui donne la résolution du microscope limitée par la longueur d’onde de la radiation lumineuse. On obtient donc un grossissement x 1000; x 2000 etc  ETUDE MORPHOLOGIQUE Pour les MO à fluorescence la lumière reçue par l’œil ne traverse pas l’objet; ici on utilise des molécules fluorescentes appelées des fluorochromes, qui sont utilisés comme colorant. La lumière excite les fluorochromes qui réémettent dans des plus grandes longueurs d’ondes c’est-à-dire dans des énergies plus basses. Microscope à fluorescence verticale (Olympus BX61), équipé de filtres et d'un appareil photo numérique.  ETUDE MORPHOLOGIQUE Dans ce type de microscope on utilise des filtres qui permettent la formation d’une lumière mono chromatique qui éclairera l’échantillon (cf. cours de physique). Les MO à fluorescence nécessitent des cellules fixées, des coupes minces et entraînent malheureusement des superpositions d’images.  ETUDE MORPHOLOGIQUE Techniques de préparation des échantillons pour la cytochimie a) Etudes des structures Afin d’étudier des structures on utilise un certain nombre de techniques : préparation des coupes fines, coloration négative, ombrage métallique, cryodécapage. La préparation des coupes fines se fait en plusieurs étapes : 1- Fixation : on utilise des fixateurs à base de formaldéhyde et/ou de glutaraldéhyde qui permettent la conservation et l’immobilisation des cellules (chimique et congélation)  ETUDE MORPHOLOGIQUE Techniques de préparation des échantillons pour la cytochimie 2- Déshydratation : elle provoque l’élimination de l’eau en la remplaçant avec des solvants (Alcool puis Xylène) Circulateur automatique Tubes de Borel pour circulation manuelle  ETUDE MORPHOLOGIQUE Techniques de préparation des échantillons pour la cytochimie 3- Inclusion : elle se fait dans la résine ou la paraffine, elle permet la solidification de l’échantillon par sa polymérisation  ETUDE MORPHOLOGIQUE Techniques de préparation des échantillons pour la cytochimie 4- Microtomie : réalisée par des microtomes, elle permet d’obtenir des coupes ultrafines  ETUDE MORPHOLOGIQUE Techniques de préparation des échantillons pour la cytochimie 5- Coloration : différents types de colorants peuvent être utilisé Mais avant il faut éliminer la paraffine  ETUDE MORPHOLOGIQUE Techniques de préparation des échantillons pour la cytochimie 5- Coloration : différents types de colorants peuvent être utilisés o Colorants métachromatiques : ils changent de couleur selon la nature des structures colorées (éosine)  ETUDE MORPHOLOGIQUE Techniques de préparation des échantillons pour la cytochimie o Colorants histochimiques : le réactif de Schiff qui colore le polysaccharides et le noir soudan qui colore les lipides o Méthodes histo-enzymatiques : formation d’un produit coloré par l’action d’une enzyme sur son substrat incolore  ETUDE MORPHOLOGIQUE Techniques de préparation des échantillons pour la cytochimie 6- Montage des coupes colorées  ETUDE MORPHOLOGIQUE Stéréocils (en vert) Paroi intestinales (cellule glandulaire Villosités intestinales muqueuse) Alvéole pulmonaire Cellule musculaire striée en CL Vaisseau sanguin  ETUDE MORPHOLOGIQUE Techniques de préparation des échantillons pour la cytochimie  ETUDE MORPHOLOGIQUE: AUTORADIOGRAPHIE Les cellules sont petites et complexes : il est difficile de voir leur structure, de découvrir leur composition moléculaire et encore de comprendre le fonctionnement de leurs divers constituants. La cytochimie et radio-autographie sont capables de détecter et de localiser in situ des molécules spécifiques dans un mélange complexe. La méthode utilise des précurseurs du métabolisme marqués avec des isotopes radioactifs. Ils sont incorporés par les cellules (in vivo ou in vitro) comme les précurseurs naturels; ils sont ensuite localisés au niveau des molécules nouvellement synthétisées à l'aide d'une émulsion photographique. Quand les molécules incorporent les précurseurs marqués aux radio-isotopes elles deviennent elles- mêmes radioactives. Exemple de précurseurs utilisés: - La thymidine tritiée pour l'ADN, L'uridine tritiée pour l'ARN ; la leucine tritiée pour la synthèse protéique Les radio-isotopes sont employés pour suivre les molécules dans les différents processus cellulaires. Ce sont des traceurs.  ETUDE MORPHOLOGIQUE: AUTORADIOGRAPHIE (schéma Résumé de la technique in vivo: (schéma) 1. Injection d'un précurseur radioactif à l'animal: c'est le pulse. 2. Perfusion avec le même précurseur froid: c'est le chasse, puis avec le fixateur qui tue l'animal. 3. Prélèvement de l'organe à étudier. 4. Circulation, inclusion et confection des coupes soit étalées sur des lames de verre pour la MO, soit déposées sur des grilles pour la ME. 5. Dépôt de l'émulsion photographique Ag-Br chambre noire et exposition de quelques semaines à quelques mois pour la transformation de l'Ag-Br en Argent. 6. Révélation des lames ou radio-autogrammes comme de simples films photographiques. 7. Etude de la localisation et répartition des grains d'Ag sur des structures cellulaires au microscope.  ETUDE MORPHOLOGIQUE: AUTORADIOGRAPHIE Intérêt de la méthode : En effectuant des prélèvements de manière sériée dans le temps après le pulse (de 2 mn à plusieurs jours) sur des animaux mis aux mêmes conditions physiologiques et expérimentales, on peut suivre la cinétique d'une substance ainsi marquée.  ETUDE MORPHOLOGIQUE: AUTORADIOGRAPHIE Cette méthode permet de localiser une substance dans la cellule et de suivre le déroulement d'un processus métabolique grâce aux prélèvements sériés dans le temps du tissu à étudier. Elle se prête aussi bien à une étude quantitative que qualitative. Conclusion: L'autoradiographie est l'une des techniques modernes les plus importantes pour déterminer : Le site de synthèse d'une molécule et ses éventuelles étapes de migration.