Biologie Cellulaire - Cours (Tome 1) - PDF

# Biologie Cellulaire ## Cours (Tome 1) ### La cellule : Unité structurelle et fonctionnelle Pr. L. BELQADI Année 2020 - 2021 Utilisation limitée aux étudiants de l'APESA ## Remerciements Nous remercions toute personne (collègue, étudiant, autre scientifique œuvrant dans le même domaine....)...

# Biologie Cellulaire ## Cours (Tome 1) ### La cellule : Unité structurelle et fonctionnelle Pr. L. BELQADI Année 2020 - 2021 Utilisation limitée aux étudiants de l'APESA ## Remerciements Nous remercions toute personne (collègue, étudiant, autre scientifique œuvrant dans le même domaine....) ayant contribuée à l'amélioration et à l'enrichissement de ce manuel. Toute suggestion et critique constructive ne fait qu'aider à son amélioration. Professeur Alaoui Hachimi My Hachem est l'une des personnes clé dans l'élaboration de ce polycopié (tome I). Je le remercie énormément. ## Table des matières I ### CHAPITRE I: INTRODUCTION - **A- DEFINITIONS ET ORIGINE DE LA VIE** - **B- CELLULE** - **C-PROCARYOTES ET EUCARYOTES** - **D-VIRUS** ### CHAPITRE II : LES METHODES D'ETUDE DE LA CELLULE. - **A- INTRODUCTION.** - **B- ETUDE MORPHOLOGIQUE.** - **C- ETUDE PHYSICO-CHIMIQUE.** - **D- PREPARATION DU MATERIEL BIOLOGIQUE POUR L'OBSERVATION MICROSCOPIQUE.** ### CHAPITRE III : RAPPELS SUR LA COMPOSITION CHIMIQUE DE LA CELLULE. - **A- COMPOSITION CHIMIQUE.** - **Β- ΕΑυ.** - **C- SOLUBILISATION** - **D- DIFFERENTS TYPES DE LIAISONS CHIMIQUES.** - **E- IMPORTANCE BIOLOGIQUE DU CO2** ### CHAPITRE IV: EXAMEN DES COMPOSES ORGANIQUES DE LA CELLULE. - **A- GLUCIDES (SUCRES)** - **B- LIPIDES (GRAISSES)** - **C- PROTEINES.** - **D- ACIDES NUCLEIQUES** ## CHAPITRE I : INTRODUCTION ### A- Définitions et origine de la vie **1- Biologie:** Le mot a été forgé par Lamark et Treviranus en 1802. Il est composé de deux mots : bios = vie et logos = doctrine. L'objet de la biologie est donc par définition l'étude de la vie. La vie n'est pas abstraite, mais elle est toujours liée à une structure organisée et se manifeste par des fonctions de cette structure qu'on appelle : **être vivant**. **2- Etres vivants**: ce sont des structures qui présentent les caractères suivants : - Ils ont une plus grande organisation que les choses non vivantes. Par ailleurs, les parties qui composent un être vivant sont disposées de manière à remplir certaines fonctions. - Ils se reproduisent et leur reproduction assure la persistance dans le temps de l'espèce. - Ils peuvent grandir : ils ont donc une croissance et un développement - **Croissance**: augmentation quantitative. - **Développement**: évolution qualitative. - Ils répondent aux changements dans l'environnement. Ils ont tendance à garder leur environnement interne inchangé en dépit des changements dans l'environnement externe. La cellule présentant ces quatre caractéristiques est un être vivant à part entière. **3-Origine de la vie** La vie serait apparue il y a plus de 3,5 milliards d'années. Pour la première fois, Oparin a émis les théories d'apparition de la vie : **Les hypothèses:** - il y avait très peu d'oxygène qui flotte librement dans l'atmosphère, - l'azote, le carbone, l'oxygène, et l'hydrogène étaient tous présents sur la terre primitive, - l'énergie dégagée des éclairs, des volcans, et les rayons ultraviolets ont forgé les premières molécules organiques. Stanley Miller a testé l'hypothèse d'Oparin dans les années 1950. Il a construit un appareil pour simuler les conditions d'origine de l'apparition de la vie sur terre. Les résultats des expériences dans cet appareil sont illustrés dans l'expérience de Smith (Figure 1). **Expérience de Smith** Expérience qui simule les conditions primitives sur la terre. L'eau est chauffée dans un système fermé contenant du CH4, NH3, H2, CO2, N2 et H2O. Une décharge électrique est envoyée à travers le mélange. Le résultat est la formation de petites molécules organiques telles que le cyanure d'hydrogène (HCN) et le formaldehyde (HCHO) qui subissent facilement des réactions en milieu aqueux pour former ultérieurement des molécules organiques se trouvant dans les cellules (acides aminés, nucléotides, sucres et acides gras). **Figure 1: Expérience de Smith** [Image description: a diagram of an experimental set up showing how early conditions on Earth are recreated to help understand the formation of life] ### B- Cellule **1- Définition** Au 17ème siècle, Robert Hooke (1665) a donné le nom de cellules à des cavités qu'il a pu observer dans un mince fragment de liège grâce au microscope. Cet instrument a fait son apparition à cette même époque. Au 19ème siècle (1824), Dutrochet a montré la généralité de la structure cellulaire chez le monde vivant. Mais c'est en 1939 que Schleiden et Schwann ont énoncé la **théorie cellulaire** qui stipule que : - Tous les organismes vivants sont constitués de cellules. - Chaque cellule possède en elle-même tous les attributs du vivant. La cellule apparaît donc comme l'unité fondamentale de la matière vivante, elle possède des structures ayant des fonctions bien définies. Il est difficile de dissocier la structure de la cellule de sa fonction. **2- Métabolisme cellulaire** C'est l'ensemble des réactions chimiques qui se produisent dans la cellule. Ces réactions ont comme matériaux de base : - **L'énergie:** Seuls les organismes vivants ont la capacité d'extraire l'énergie de l'environnement pour construire ou maintenir leur structure. La matière inanimée ne possède pas cette capacité. Habituellement, elle se désorganise quand elle absorbe de l'énergie externe (chaleur ou lumière). - **Le carbone:** Il est extrait soit directement du monde minéral (CO2 de l'air ou de l'eau) ou bien indirectement du monde organique. - **Les organismes autotrophes:** fabriquent leur propre matière organique, en prélevant leur énergie du soleil. La source du carbone étant le CO2 minéral. - **Les organismes chimio-synthétiques ou semi autotrophes:** l'énergie utilisée provient de la dégradation des molécules minérales simples H2S, NH2. Le carbone provient toujours du CO2 minéral. - **Les organismes hétérotrophes:** prélèvent leur énergie de la dégradation des molécules organiques, qui servent en même temps de source pour le carbone. ### C- Procaryotes et eucaryotes **1- Procaryotes** Il existe deux types de cellules : les procaryotes et les eucaryotes. Les procaryotes seraient celles qui ressemblent le plus à la cellule ancestrale. Ce sont les plus simples organismes. Leur structure est simple mais ils sont chimiquement très variés. Les cellules procaryotes ne possèdent pas de vrai noyau. **a) Bactéries** Les bactéries sont des procaryotes à structure cellulaire très simples. Ce sont des cellules de différentes formes de quelques micromètres. Elles possèdent souvent une coque protectrice résistante appelée "paroi cellulaire" ou mur, sous laquelle se trouve une membrane plasmique qui entoure un compartiment cytoplasmique unique contenant de l'ADN, de l'ARN, des protéines et des petites molécules (Figure 2). Des exemples de bactéries observées au microscope électronique sont présentés dans les figures 3. **Figure 2: Représentation schématique d'une bactérie** [Image description : a diagram of a bacteria, showing the various components] **Figures 3: vue en microscopie électronique d'une bactérie (Escherichia coli)** [Image description: microscopic images of bacteria] - Les bactéries peuvent être classées en trois grandes formes - forme sphérique ou ovale : les cocci (ou coques) - forme allongée (en bâtonnet) : les bacilles - forme spiralée : les spiridilles - Les bactéries possèdent un matériel génétique dans un chromosome bactérien occupant le centre de la cellule appelé noyau rudimentaire ou nucléoïde. En outre, elles possèdent de l'ADN hors chromosome organisé en petits cercles appelés plasmides. Ces derniers contiennent souvent des gènes de résistance. Les plasmides s'auto-dupliquent comme le matériel génétique du chromosome lorsque la cellule se multiplie par mitose. - Les bactéries peuvent se répliquer rapidement en se divisant simplement en deux cellules identiques à la cellule mère, ce phénomène est appelé **Scissiparité ou fission binaire.** Les principales caractéristiques de ce mode de reproduction sont : - l'augmentation de la taille de la bactérie, - le dédoublement du matériel génétique, puis séparation de ce matériel en deux parties égales, - la formation d'une paroi transversale avec l'aide du mésosome, - la séparation de la cellule mère en deux cellules filles. - Dans les conditions optimales, une seule cellule peut se diviser toutes les 20 mn et donner naissance à 4 milliards de cellules en moins de 11 heures. Cette capacité de se diviser rapidement permet aux bactéries de s'adapter rapidement aux modifications de leur milieu. - Deux groupes de bactéries de parenté éloignée sont distingués : - **Les eubactéries** qui sont les formes courantes habitant dans le sol, l'eau et les organismes vivants, c'est actuellement le type qui prédomine : - Bactéries Gram positif - Bactéries Gram négatif - Cyanobactéries (algues bleues) - Bactéries pourpres photosynthétiques - Bactéries vertes photosynthétiques (aérobies) - **Les archéobactéries** trouvées dans des environnements inhospitaliers tels que les marais, les fonds océaniques, les eaux salées et les sources chaudes et acides : - Bactéries anaérobies vivant dans des conditions acides chaudes (bactéries sulfureuses) - Bactéries des milieux salins (halophiles extrêmes) - Bactéries anaérobies réduisant le CO2 en méthane (méthanogène) **b) Mycoplasmes** Les mycoplasmes sont des micro-organismes procaryotes de type bactérien, dépourvus de parois. Ce sont de petits organismes qui mènent une existence de parasite des cellules animales ou végétales. Le diamètre de ces structures est de 0,1 à 0,3 µm. Ils sont constitués par une membrane qui entoure une solution (cytosol) cytoplasmique dans laquelle se trouve l'ADN qui dirige la synthèse des protéines (750 protéines au minimum pour qu'une cellule survive). Ce matériel génétique n'est pas isolé dans le cytosol. **2- Eucaryotes** On pense que les organismes anaérobies avec lesquels la vie aurait commencé, ont en partie disparu avec l'abondance de l'oxygène sur terre dégagée. Certains organismes ont survécu dans les milieux où l'oxygène est absent. D'autres organismes auraient découvert une stratégie de survie en s'associant en symbiose à des cellules capables d'utiliser l'oxygène (les cellules aérobies). C'est l'explication la plus plausible de l'apparition de la cellule eucaryote actuelle. Les cellules eucaryotes par définition, et contrairement aux procaryotes, possèdent un vrai noyau qui contient presque la totalité du matériel génétique. Ce noyau est entouré par une double membrane qui stocke et isole le matériel génétique dans un compartiment. La cellule eucaryote est théoriquement divisée en deux grands compartiments : - **a- Le compartiment externe** contient tous les organites qui sont (ou peuvent être) en contact avec le milieu extérieur : - 1- la membrane plasmique. - 2- le réticulum endoplasmique - 3- l'appareil de Golgi - 4- l'enveloppe nucléaire - 5- les vésicules - **b- Le compartiment interne** comprend les organites qui n'ont pas de contact direct avec le milieu extérieur : - 1- les mitochondries - 2- le noyau - 3- les ribosomes - 4- le cytosquelette - 5- les plastes - 6- l'hyaloplasme Les avantages de la compartimentation sont : - 1. La division du travail. - 2. La spécialisation des organites. - 3. La réalisation des conditions optimales pour les réactions chimiques. Contrairement aux cellules procaryotes, les cellules eucaryotes possèdent des organites qui remplissent différentes fonctions (Figures 4 et 5) : - **Membrane plasmique:** caractérisée par une perméabilité sélective. Elle permet des échanges contrôlés entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire. - **Paroi cellulosique:** caractéristique des cellules végétales. Elle entoure et protège la membrane plasmique. - **Noyau:** dirige la croissance, la multiplication et les fonctions cellulaires. - **Enveloppe nucléaire:** contrôle les échanges entre le noyau et le cytoplasme. - **Nucléoplasme:** contient, entre autres, les précurseurs chimiques des acides nucléiques. - **Chromosomes:** visibles au cours de la division cellulaire. Ils sont porteurs du code génétique et dirigent l'ensemble des processus cellulaires. - **Nucléoles:** sont à l'origine de la synthèse des ribosomes. - **Cytoplasme:** site de la plupart des processus métaboliques, il exécute les instructions émises par le noyau. - **Hyaloplasme:** contient diverses substances chimiques nécessaires à la vie de la cellule et offre le milieu aqueux requis à leurs interactions. - **Vacuoles:** accumulent des réserves ou des produits de déchet. - **Mitochondries:** organites où se font les oxydations cellulaires et la production d'énergie. - **Plastes:** caractéristiques des cellules végétales; certains (les chloroplastes) servent à la photosynthèse; d'autres permettent l'entreposage de diverses substances. - **Appareil de Golgi:** permet le transport, la maturation et l'accumulation des produits de sécrétion de la cellule. - **Centrioles:** caractéristiques des cellules animales; forment les pôles du fuseau achromatique, lors de la division cellulaire. - **Réticulum Endoplasmique:** offre les surfaces nécessaires à un grand nombre de réactions. - **Ribosomes:** se trouvent dans le cytoplasme et à la surface d'une partie du reticulum endoplasmique où ils participent à la synthèse des protéines. - **Lysosomes:** accumulent les enzymes impliquées dans les digestions intracellulaires. **Figure 4: Principaux éléments d'une cellule animale** [Image description: a diagram of an animal cell, showing all its components] **Figure 5: Principaux éléments d'une cellule végétale** [Image description: a diagram of a plant cell, showing all its components] ### D- Virus Un virus est un parasite obligatoire car il n'a pas de métabolisme propre et colonise le milieu intracellulaire de la cellule hôte pour se multiplier. Cette dernière peut être une cellule animale, végétale ou bactérienne (le virus est appelé bacteriophage dans ce cas). Le virus est composé d'une molécule d'acide nucléique entourée d'une coque de protéines appelée la capside et parfois d'une enveloppe. Les virus sont classés selon la nature de l'acide nucléique de leur génome (ADN, ARN, simple ou double brin). - **Les adénovirus** constituent une classe de virus à ADN dans laquelle se trouvent les virus responsables des pharyngites, de certaines conjonctivites ou de pneumopathies. - **Les rétrovirus** forment une classe de virus à ARN spécifique des eucaryotes dont la propagation nécessite la conversion de l'ARN en ADN double brin qui s'intègre dans le génome de la cellule hôte. La capside est constituée d'un ensemble de sous-unités protéiques appelées **protomères**. L'ensemble capside et acide nucléique est nommé **nucléocapside.** La forme du virus est définie selon la façon dont les protomères s'organisent pour former la capside. Trois classes sont définies : les virus à symétrie icosaédrique, les virus à symétrie hélicoïdale et les virus à symétrie mixte.