Introduction à la Biologie PDF

3 CHAPITRE 1 INTRODUCTION À LA BIOLOGIE. LES ETRES VIVANTS 1. Qu’est ce que la biologie ? Le terme biologie est composé des deux mots grecs : bios qui veut dire « vie » et logos qui signifie « discours, parole ». La biologie est donc la...

3 CHAPITRE 1 INTRODUCTION À LA BIOLOGIE. LES ETRES VIVANTS 1. Qu’est ce que la biologie ? Le terme biologie est composé des deux mots grecs : bios qui veut dire « vie » et logos qui signifie « discours, parole ». La biologie est donc la science de la vie : elle étudie l'ensemble des êtres vivants (actuels ou ayant vécu) ainsi que les manifestations de la vie. L’unité fondamentale de la vie est la cellule ; c'est-à-dire que la vie se retrouve dans des cellules. Autrement dit, il n’y a pas de vie en dehors des cellules. 2. Qu’est ce qui caractérise les êtres vivants ? La vie se caractérise par un certain nombre de fonctions et de propriétés : la complexité, la synthèse de molécules, la nutrition, la digestion, la respiration, l’excrétion, l’échange de matière et d’énergie avec le milieu extérieur, la reproduction, la transmission de l’information génétique de génération en génération, la croissance, la production et la dépense de l’énergie, la réactivité à des stimuli et l’excitabilité, le mouvement et l'adaptabilité, la vie autonome, etc… La vie se présente sous tellement de formes et à des échelles si différentes que la biologie couvre un très large spectre, qui va du niveau moléculaire, en passant par celui de la cellule, puis de l'organisme, jusqu'au niveau de la population et de l'écosystème. 3. Diversité des êtres vivants : quelques classifications → En fonction de leur structure, les organismes vivants sont soit des Procaryotes soit des Eucaryotes. Tous les Procaryotes sont unicellulaires alors qu’il y a des Eucaryotes unicellulaires et des Eucaryotes pluricellulaires. → En fonction du type trophique, les organismes vivants s’adaptent aux biotopes les plus divers et se caractérisent par une grande variété de mécanismes nutritionnels et de métabolismes énergétiques. Ainsi, selon les modes de nutrition ils peuvent être autotrophes ou hétérotrophes. Les organismes autotrophes sont des organismes capables de se développer uniquement à partir d'éléments minéraux : ils élaborent, à partir de ces minéraux, toutes les matières organiques dont ils ont besoin, soit au cours de processus photosynthétiques, soit à l'occasion de réactions chimiques dans des métabolismes.  4 Les organismes hétérotrophes sont des organismes qui ne peuvent pas élaborer leur propre matière organique autrement qu'à partir de matières organiques déjà élaborées par d'autres organismes. → En fonction du besoin en oxygène et en fonction de la nature de leur métabolisme (selon que l’oxygène est nécessaire à la transformation ou non des aliments en ATP), les Eucaryotes sont aérobies alors que certains Procaryotes sont aérobies et d’autres sont anaérobies. 4. L’origine de la vie terrestre (origine des cellules vivantes) Pour aborder le problème de l’origine de la vie il faut avant tout s’affranchir des croyances et des doctrines religieuses et philosophiques. Après l’échec de plusieurs théories notamment la panspermie, la génération spontanée et la théorie vitaliste, l’idée scientifique que la vie résulte d’une évolution chimique pré biotique ou abiotique devient plus ou moins évidente mais elle demeure incertaine et manque de beaucoup de preuves, d’indices, de clarifications et de précisions. La vie serait apparue il y a 3,8 Ga (milliards d’année) dans les océans de la Terre primitive. Des scientifiques notamment le biologiste anglais John Haldane (en 1929) et le biochimiste soviétique Alexander Oparine (en 1922) ont suggéré qu’à cette époque là : ▪ L’atmosphère primitive de la Terre était hautement réductrice et elle était constituée par un mélange de gaz : l’hydrogène sulfuré (H 2 S), le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde de carbone (CO 2 ), le méthane (CH 4 ), l’ammoniac (NH 3 ), l’azote (N) et elle contenait aussi de l’eau sous forme de vapeur, mais elle était dépourvue d’oxygène (O 2 ) et d’ozone (O 3 ). ▪ Ces molécules de l’atmosphère primitive ont réagi ensemble sous l’effet du rayonnement solaire, des décharges électriques, de la pression atmosphérique et de la température ; l’atmosphère est devenue moyennement réductrice et des molécules organiques sont apparues (essentiellement le formaldéhyde HCHO et l’acide cyanhydrique HCN, mais aussi l’urée, le cyanogène, l’acétaldéhyde, le cyanoacétylène, et le propionaldéhyde). ▪ Entraînées par les pluies, ces molécules se seraient accumulées dans les océans de cette Terre primitive et à leur tour, étant hautement réactives, elles auraient réagi spontanément entre elles et auraient permis la synthèse abiotique d’autres molécules organiques (la soupe primitive) considérées comme des ‘‘précurseurs des macromolécules’’ comme les acides aminés, les acides gras, les sucres simples, les bases azotées… Ces évènements ne peuvent pas être reproduits entièrement en laboratoire ; mais certaines expériences menées par Stanley Miller en 1952 ont permis de reproduire et d’expliquer certaines étapes de ce processus. ▪ L’évolution chimique pré biotique se poursuivit par l’apparition de macromolécules : acides nucléiques, protéines, enzymes et phospholipides ; Cette évolution aurait engendré, dans des conditions très particulières, une unité considérée comme la première cellule vivante : cette cellule ancestrale primitive, appelée aussi LUCA (Last Universal Common Ancestor) aurait donné naissance à tous les organismes vivants (actuels ou ayant vécu) sur la Terre.  5 Remarque : malgré le fait que la communauté scientifique admet l’évolution chimique comme origine de LUCA et de la vie terrestre, beaucoup de questions restent sans réponses et beaucoup de notions sont vivement discutées. À titre d’exemples : l’atmosphère primitive était elle vraiment réductrice ou oxydante ? Quelles étaient les conditions physiques, géochimiques et écologiques de l’époque ? L’évolution est-elle le résultat du codage de l’information (gènes) ou d’un métabolisme qui tend à un système équilibré thermodynamiquement ? Les molécules doivent elles être obligatoirement asymétriques et quelles sont les conditions de leur polymérisation ? Le monde ARN a-t-il bien existé avant l’ADN ? Avant LUCA, est ce qu’il y a eu formation spontanée de vésicules ou de protocellules ? Y a t – il eu un ou plusieurs LUCA et quelles étaient leurs caractéristiques ? LUCA était-il hyperthermophile ou mésophile ?...... 5. L’évolution et la diversité biologique et métabolique des cellules vivantes La cellule ancestrale LUCA a commencé une série de divisions qui ont permis l’apparition des premiers organismes sur la Terre. Ceux-ci vivaient dans l’eau des mers et ils étaient des procaryotes, unicellulaires, minuscules, nécessairement anaérobies et probablement hétérotrophes car ils dérivaient leur énergie de certains composés de leur environnement (par fermentation). Leur métabolisme et leurs activités ont profondément modifié leur milieu ambiant favorisant ainsi l’apparition d’autres organismes (énergétiquement ‘‘indépendants’’), les procaryotes autotrophes photosynthétiques, {tels les algues bleu-vert, -3.3 Ga (milliards d’années)}. Grâce à ces nouveaux organismes, la photosynthèse se développa et les nouveaux organismes autotrophes, en produisant de l’oxygène (d’abord dans l’eau), auraient entraîné la disparition de nombreuses espèces anaérobies. Parallèlement, l’accumulation de grandes quantités d’oxygène dans l’atmosphère permit l’apparition de cellules procaryotes aérobies (- 2.2 Ga) utilisant le métabolisme oxydatif (respiration) comme processus producteur d’énergie. La structure de certaines formes de vie fut modifiée et les premiers eucaryotes unicellulaires aérobies apparurent (-1.8 Ga), suivis par d’autres eucaryotes mais pluricellulaires : les métazoaires (-700 millions d’années), et cette vie marine continua son évolution avec les Vertébrés marins (-500 millions d’années). Pendant cette période, la teneur en O 2 de l’atmosphère augmentant, la couche d’ozone s’est formée. Parallèlement la teneur en CO 2 a baissé et une température clémente s’est installée sur la Terre, ce qui a permis le développement de la vie terrestre. L’extraordinaire prolifération et la diversification des êtres vivants continuèrent dans les océans et sur les continents : les arthropodes (-570 millions d’années), les poissons et les proto-amphibiens (-500 millions d’années), les végétaux terrestres (-475 millions d’années), les amphibiens (-360 millions d’années), les reptiles (-300 millions d’années), les premiers mammifères (-230 millions d’années), les oiseaux (-150 millions d’années), les plantes à fleur (-120 millions d’années), les hominidés et les ancêtres directs de l’Homme (-5,5 millions d’années), l’Australopithèque (-4 millions d’années), le genre Homo, Homo habilis (-2,8 millions  6 d’années), Homo erectus (-2 millions d’années), l’Homme de Néandertal (-250 mille ans) Homo sapiens (-200 mille ans), l’Homme de CroMagnon (-40 mille ans) et l’Homme moderne Homo sapiens sapiens. LUCA et ses descendants  7 CHAPITRE 2 INTRODUCTION À LA BIOLOGIE CELLULAIRE. LES CELLULES VIVANTES 1. Qu’est ce que la biologie cellulaire ? La biologie cellulaire, ou cytologie, est la science qui étudie les cellules vivantes d’un point de vue structural et fonctionnel : leur structure, leur architecture, leur composition chimique, leurs propriétés, leurs fonctions, leur métabolisme, leur fonctionnement, etc… 2. Qu’est ce qu’une cellule vivante ? La cellule est l’unité élémentaire structurale, fonctionnelle et reproductrice de tous les êtres vivants. Elle est la plus petite unité capable de présenter et de manifester les propriétés et les caractéristiques fondamentales de la vie. La cellule (cellula signifie petite chambre) est donc une entité représentée par un compartiment minuscule (invisible à l’œil nu mais visible au microscope) appelé cytoplasme, limité par une membrane cytoplasmique et renfermant de l’eau concentrée d’éléments chimiques, notamment un matériel héréditaire. La cellule est vivante car elle est le lieu de réactions chimiques et de processus vitaux ; l’ensemble de ces mécanismes permettent sa survie. D’un autre côté, la cellule vivante est programmée génétiquement pour mourir normalement par apoptose ; alors que les cellules qui meurent accidentellement subissent une nécrose. Les constituants de la cellule vivante  8 3. La théorie cellulaire Elle est basée sur plusieurs principes parmi lesquels : (1) tout être vivant est soit une cellule isolée (être unicellulaire), soit une association de plusieurs cellules (être pluricellulaire) ; (2) la cellule est l’unité de structure fondamentale de la vie ; (3) toute cellule vivante naît par division d’une cellule préexistante. 4. Cellules procaryotes et cellules eucaryotes Les techniques d’études des cellules ont montré que tous les organismes vivants (actuels ou ayant vécu) de la biosphère sont classés en deux types : les Procaryotes et les Eucaryotes. Les cellules de ces deux types présentent des propriétés communes : organisation complexe, mécanismes des réactions métaboliques, stockage et transmission de l’information génétique, synthèse de macromolécules spécifiques, acquisition et utilisation de l’énergie, adaptation aux conditions extérieures, réponse aux stimuli, croissance et pouvoir de reproduction… Cependant, plusieurs critères les distinguent les unes des autres (leur taille, leur forme, leur spécialité, leur structure interne, l’information génétique etc…), et deux différences sont essentielles : ▪ La première concerne le matériel héréditaire : dans la cellule procaryote, l'information génétique est portée par une seule molécule d'ADN qui baigne dans le cytoplasme ; alors que dans la cellule eucaryote, elle est portée par plusieurs molécules d'ADN [associées à des protéines notamment les histones, et formant des structures complexes, les chromosomes, situés dans le noyau, compartiment cellulaire séparé du reste de la cellule par une enveloppe nucléaire]. ▪ La deuxième porte sur le cytoplasme qui est compartimenté dans la cellule eucaryote pour former les organites limités par les cytomembranes. → Définition d’un organite : élément toujours présent dans le cytoplasme de la cellule eukaryote ; il a une structure bien définie, une fonction précise, et il est limité par une ou (deux) cytomembrane(s). essins schématiques et microphotograp hies pour montrer la structure eucaryote et procaryote  9 5. Les techniques d’études des cellules Diverses techniques (simples, artisanales ou complexes) utilisant des procédés et des équipements divers permettent d’observer et d’étudier les cellules ou bien les éléments cellulaires (ADN, ARN, protéine, complexe protéique, métabolite, structure, organite, membrane…), ou même les fonctions et les propriétés cellulaires (déplacement, métabolisme, morphologie, activité enzymatique, voie de signalisation, reproduction, échange, sécrétion, transmission, synthèse, santé cellulaire…). Les études les plus utilisées sont : Les études morphologiques : les cellules ne peuvent pas être observées à l'œil nu en raison de leur taille minuscule. L'histoire de biologie cellulaire est étroitement liée au perfectionnement d'un appareil optique agrandissant : le microscope. Deux types de microscopie sont décrits : - La microscopie optique MO qui permet des grossissements de l'ordre de 2000 fois de cellules vivantes ou mortes et/ou colorées (résolution 0,2 à 0,5 µm) : microscopie photonique, microscopie à contraste de phase, microscopie en lumière polarisée, microscopie à contraste interférentiel, microscopie à fluorescence, microscopie à fond noir, microscopie confocale, etc… → Analyse d'images et morphologie quantitative : à l'aide de programmes informatiques de reconnaissance des formes, un comptage des cellules ou des structures est possible sans l'astreinte d'un comptage visuel. - La microscopie électronique ME permet des grossissements plus importants de l'ordre de 200000 à 2000000 fois (résolution 0,2 nm) : microscopie électronique à transmission (MET) et microscopie électronique à balayage (MEB). Les études fonctionnelles et de constitution physico-chimique : - Étude cytochimique : Utilisation de colorants vitaux sur des cellules vivantes et observation au microscope photonique. Utilisation sur une coupe provenant d'une cellule fixée : - de colorants ayant des affinités différentes avec les composés chimiques (organites ou structures), et ensuite visualisation au microscope optique. - ou bien d'anticorps spécifiques puis révélation du complexe immun (réactions antigène anticorps, immunocytochimie) par un colorant et ensuite visualisation au microscope optique, - ou bien de substances fluorescentes, et ensuite visualisation au microscope à fluorescence, - ou bien des lectines et ensuite visualisation au microscope optique. - Fractionnement cellulaire : broyage puis centrifugation pour isoler les différents organites cellulaires ce qui permet leur étude biochimique et fonctionnelle. - Fractionnement chimique : techniques qui permettent de séparer les petites molécules des grandes molécules d'un échantillon biologique. - Cytofluorimétrie ou cytométrie de flux : dispositif qui permet l'analyse de cellules individuelles et marquées au niveau de leur membrane. Les cellules émettent de la lumière, alors elles peuvent être dénombrées et étudiées.  10 - Méthodes de séparation (chromatographie et électrophorèse) : utilisation de solvants spécifiques pour doser les différents composés d'un mélange, ou bien pour séparer entre elles les différentes molécules chimiques. - Culture cellulaire : technique qui consiste à prélever des cellules pour les faire croître en dehors de leur organisme ou de leur milieu d'origine (ex vivo ou bien in vitro) dans un but expérimental ou de fécondation in vitro. - Marquage des molécules : techniques qui permettent d'incorporer dans la cellule et de fixer, sur une molécule, un élément facilement reconnaissable et identifiable : soit des substances fluorescentes et ou des anticorps marqués (révélation par immunofluorescence ou immunocytochimie), soit des isotopes radioactifs (révélation par autoradiographie). Le marquage permet de localiser l'emplacement des molécules recherchées dans la cellule. Il permet également de suivre la trace de leur mouvement à l'intérieur de la cellule et d'étudier ainsi leur cinétique grâce à des prélèvements sériés dans le temps. - Microchirurgie : technique qui consiste en l'ablation ou à la greffe d'organites (ou de cellules) en vue d'une étude thérapeutique, expérimentale ou fonctionnelle. La dimension de la matière  45 CHAPITRE 4 LES CELLULES VIVANTES : LES PROCARYOTES ET LES EUCARYOTES I. LES PROCARYOTES 1. Généralités Les procaryotes (du latin pro, «avant» et du grec caryon, «noyau») sont des êtres vivants unicellulaires. Ce sont des organismes minuscules représentés par des cellules de très petite taille (microscopique) ayant une structure relativement simple avec les caractéristiques essentielles suivantes : ▪ Un cytoplasme contenant de l’eau, des substances chimiques parmi lesquels un matériel génétique représenté par un seul chromosome circulaire, bicaténaire, libre dans le cytosol et en contact avec ses éléments. Dans le cytoplasme il n’y a ni organites ni compartiments ; ▪ Une membrane cytoplasmique entourée par une paroi. 2. Classification Selon les classifications courantes, on distingue deux grands groupes évolutifs de procaryotes : Les Archaebactéries (ou Archaea ou Archées) : elles sont considérées comme le groupe vivant le plus proche des premières cellules qui ont évolué sur Terre. Elles vivent pour la plupart dans des milieux inhospitaliers et ont des modes de vie très particuliers (extrêmophiles). Elles sont toutes chimiotrophes, et sur la base de critères uniquement métaboliques, elles ont été divisées en trois grands groupes : les méthanogènes (anaérobies strictes, vivent dans les marrais et dans le tube digestif des ruminants ou des humains, capables de convertir les gaz CO 2 et H 2 en méthane), les halophiles (aérobies, ne vivent que dans des environnements extrêmement salés ; une seule espèce est phototrophe et donne la couleur aux marais salants) et les thermophiles et notamment les thermoacidophiles (anaérobies, vivent dans des sources chaudes très acides, utilisent le soufre comme substrat et libèrent de l’acide sulfurique). Aucune souche d’archaebactéries n’a été démontrée pathogène ou parasite pour l’espèce humaine. Les Eubactéries : elles regroupent toutes les formes courantes de bactéries qui vivent dans le sol, l’eau, l’atmosphère et comme commensales des organismes vivants. Cependant certaines sont aussi extrêmophiles. Les eubactéries se divisent en deux grands groupes : les bactéries phototrophes et les bactéries chimiotrophes.  46 Malgré la structure procaryotique de ces deux groupes notamment leur morphologie, leur métabolisme énergétique et leur mode de division, ils diffèrent cependant par leur constitution génétique, la structure de certains de leurs composants cellulaires et par certains aspects de leurs métabolismes. LES BACTÉRIES Généralités Les bactéries sont les êtres vivants les plus simples qu’on retrouve dans l’environnement naturel. Ce sont des organismes unicellulaires observables en microscopie optique, mais dont la structure interne ne peut être discernée qu’en microscopie électronique. Leur taille est comprise entre 1 et 10 µm (cependant des exceptions existent : les critispires ont une longueur de 30 μm ; le diamètre des rickettsies est de 0,3 μm). Les bactéries les plus communes ont deux formes : celles qui ont une forme sphérique sont appelées coques ou cocci et celles qui ont une forme de bâtonnet sont appelées bacilles (courts ou allongés, fusiformes ou incurvés). Les spirilles ont une forme hélicoïdale ou spiralée rigide et les spirochètes ont une forme hélicoïdale ou spiralée flexible. Les bactéries peuvent également subir des changements de forme, selon la composition des milieux qui leur sont offerts. La différence entre la taille et la forme des bactéries est le résultat des gènes qui sont différents : on parle alors de bactéries polymorphes. La multiplication de la plupart des bactéries est asexuée : elle s’effectue par scissiparité (division ou fission binaire) après avoir dupliqué le matériel génétique. Chez l’Homme, plusieurs maladies sont des infections bactériennes : le choléra, la diphtérie, le tétanos, la tuberculose, la peste, la lèpre, l’ulcère gastrique, la syphilis, etc.…. Les toxines sont des substances toxiques sécrétées par certaines variétés de bactéries. Classification et diversité métabolique Selon le type trophique : les bactéries occupent des biotopes variés. De ce fait elles ont des métabolismes très différents. On distingue ainsi : - Les bactéries chimiotrophes ou chimiosynthétisantes ; leur énergie provient de l'oxydation de composés chimiques : composés minéraux pour les chimio-lithotrophes, et composés organiques pour les chimio-organotrophes. Les bactéries chimio-lithotrophes sont autotrophes car elles fixent le CO 2 ; alors que les bactéries chimio-organotrophes sont hétérotrophes car elles ne fixent pas le CO 2. - Les bactéries phototrophes ou photosynthétisantes qui utilisent la lumière solaire comme source d’énergie. Certaines sont autotrophes (elles fixent le CO 2 ) et se divisent en 2 groupes : celles qui font une photosynthèse oxygénique aérobie (les végétaux supérieurs  47 chlorophylliens et les cyanophycées) ; et celles qui vivent en milieu anaérobie et qui font une photosynthèse anoxygénique (les bactéries vertes et pourpres sulfureuses). D'autres, comme les bactéries pourpres non sulfureuses, vivent en milieu anaérobie, sont phototrophes et hétérotrophes. Selon les besoins en oxygène on distingue : - Les bactéries qui ne peuvent se passer d'oxygène sont dites aérobies «stricts» ou «obligatoires». - Les bacteries microaérophiles sont lésées par les concentrations atmosphériques d’oxygène, et ont une croissance optimale à des concentrations en oxygène (habituellement beaucoup) plus basses que celle de l'air. - Les bactéries qui croissent normalement en présence d'oxygène mais peuvent quand même se développer en anaérobiose (c'est-à-dire en l'absence d'oxygène) s'appellent les anaérobies facultatifs. - Les anaérobies stricts ou obligatoires ne croissent qu’en absence presque totale d'oxygène et ce gaz leur est le plus souvent toxique. Structure d’une bactérie Une cellule bactérienne est constituée d’un cytoplasme limité par une membrane cytoplasmique et une paroi. 1. Le cytoplasme : c’est une masse amorphe assez dense aux électrons qui ne présente aucune structure organisée mais qui est riche en eau (70 % du poids de la bactérie), en sels minéraux, en ions et en d’autres molécules variées : des protéines, des enzymes, des phospholipides, des polysaccharides, des acides gras, des acides aminés, de l’ATP, des nucléotides, des granules de réserve, de l’ARNt, de l’ARNm, des ARNr (associés à des protéines spécifiques pour former des ribosomes), un chromosome (c'est-à-dire une seule molécule d’ADN bi caténaire associée à des protéines) circulaire et renfermant, selon les espèces, entre 750 000 et 5.106 p.d.b. (les gènes sont sans introns).Ce chromosome occupe un très grand volume dans le cytoplasme : cet emplacement est le nucléoïde. (Exceptions : bactérie avec un chromosome linéaire, bactérie avec deux chromosomes). Dans certaines variétés de bactéries, le cytoplasme contient également des pigments, des vacuoles à gaz, des substances de réserve ou d’autres éléments. Le cytoplasme est le lieu de beaucoup de réactions chimiques. Il est aussi l’endroit où se font la duplication de l’ADN, sa transcription et la traduction.  48 2. La membrane cytoplasmique : elle limite et entoure directement le cytoplasme bactérien et lui assure un milieu intérieur particulier. Elle constitue une barrière moléculaire sélective qui contrôle l’entrée et la sortie des petites molécules et des ions. De point de vue structure, elle se présente, comme les biomembranes, comme une double couche phospholipidique renfermant des protéines (30 à 40 % de lipides et 60 à 70 % de protéines) sans cholestérol. Son épaisseur est de 7 à 8 nm. Cependant, la membrane plasmique bactérienne se distingue de la membrane plasmique des cellules eucaryotes par plusieurs caractéristiques, en particulier : ▪ Elle renferme des enzymes spécifiques pour différentes synthèses : synthèse des lipides membranaires, synthèse des macromolécules de la paroi, synthèse du système de réplication de l’ADN, synthèse d’exo enzymes au niveau du mésosome, etc... ▪ Chez les bactéries aérobies, elle renferme tous les enzymes assurant le métabolisme respiratoire cellulaire. ▪ Chez les bactéries photosynthétiques, elle renferme tous les éléments de l’appareil photosynthétique : pigments, transporteurs d’électrons, systèmes redox, etc…, ▪ Elle est dépourvue de (stérol) cholestérol, sauf celle des mycoplasmes. ▪ Elle est incapable de se déformer pour endocyter des substances du milieu extracellulaire. 3. La paroi : c’est une structure qui entoure et qui repose directement sur la membrane plasmique. Elle représente l’enveloppe externe de la cellule bactérienne et assure son intégrité. Elle a une épaisseur de quelques dizaines de nm. Elle donne leur forme caractéristique aux diverses espèces bactériennes. Elle est rigide et résistante physiquement. Son rôle consiste essentiellement à maintenir une pression osmotique intracellulaire très élevée, et à protéger la bactérie contre les agents extérieurs et contre l’éclatement. Elle assure également un rôle d’adaptation : elle se modifie pour permettre la croissance et la division cellulaire. La structure de la paroi et la coloration de Gram : en microbiologie, la coloration de Hans Christian Gram distingue, en fonction de la composition et de la structure de la paroi, deux grands groupes d’eubactéries : 1) les bactéries qui retiennent ce colorant et qui se colorent en violet : elles sont appelées en conséquence Gram+; et 2) les bactéries quine retiennent pas le colorant et qui se colorent en rose : elles sont appelées bactéries Gram-. + - La paroi des bactéries Gram est une couche unique, homogène, de 15 à 80 nm d’épaisseur. Elle est P P composée de grosses molécules de peptidoglycane (muréine) reliées entre elles par des acides téichoïques, et à la membrane plasmique par des acides lipotéichoïques. - La paroi des bactéries Gram- est plus complexe et hétérogène. Une mince couche de peptidoglycanes associée à des protéines de forme hexagonale, constitue le périplasme de la paroi. Ce périplasme est recouvert d’une seconde membrane dont la structure rappelle celle de la membrane plasmique, et qui contient, en grand nombre, des porines (protéines formant des pores et permettant le passage de grosses molécules) et des lipopolysaccharides.  49 Paroi d’une bactérie – A : Gram+ et B : Gram-  50 Structures caractéristiques de certaines bactéries En plus des structures communes à toutes les bactéries, certains éléments cellulaires caractérisent certaines variétés de bactéries : ▪ La capsule : couche amorphe, d’épaisseur variable, qui est généralement faite de polysaccharides et qui se dépose à l’extérieur de la paroi. Elle permet de résister à la phagocytose, l’adhésion à la surface de cellules animales et végétales, et protège les bactéries contre le dessèchement. Elle constitue aussi une réserve de nutriments. ▪ Les flagelles : appendices solitaires ou très nombreux, ils permettent la mobilité à certaines variétés de bactéries. Un flagelle est constitué d’une seule fibrille hélicoïdale contenant des sous unités protéiques globulaires : les flagellines. ▪ Les mésosomes : chez les bactéries aérobies, invaginations (replis) intra cytoplasmiques de la membrane plasmique servant de site d’attache à la molécule d’ADN et jouant un rôle dans sa duplication. Aussi, ils produisent et libèrent des exo enzymes. ▪ Les plasmides : petites molécules d’ADN bi caténaire circulaire qui existent dans le cytoplasme bactérien en plus de l’ADN principal. Leur réplication est autonome et indépendante du chromosome principal. Ils codent pour des protéines non essentielles à la croissance bactérienne et confèrent à la bactérie la propriété de résister aux antibiotiques. ▪ Les pili et les fimbriae : petites expansions rigides de la membrane plasmique. Ils sont plus courts que les flagelles. Un pilus sert à la conjugaison (pilus sexuel) alors qu’un fimbria est nécessaire à l’adhésion de la bactérie à la surface des objets. ▪ Les chromatophores : chez certaines bactéries photosynthétiques, vésicules attachées à la membrane plasmique et contenant des pigments chlorophylliens. ▪ Les vacuoles gazeuses : permettent à certaines bactéries photosynthétiques de flotter dans un environnement aquatique. ▪ Les nanotubes : un mode de communication entre des bactéries d'une même espèce (Bacillus subtilis) ou bien entre cellules d'espèce différente (B. subtilis et Staphylococcus aureus). Ces bactéries établissent entre elles des nanotubes (de diamètre plus ou moins important de 130 à 30 nm) pour faire passer certaines substances (substances chimiques, protéines, ARN, ADN, plasmides etc…). Ces liaisons intercellulaires confèrent donc une possibilité de communication inter et intraspécifique.  51 Particularités de certaines variétés de bactéries Les spores : certaines espèces bactériennes (Gram+) sont capables de former des endospores pour se maintenir en vie latente. La sporulation est une forme de résistance à des conditions défavorables d’existence (température élevée, absence d'éléments nutritifs, dessiccation). C’est donc un processus de différenciation cellulaire qui conduit de la cellule végétative (capable de se multiplier) à la cellule sporale (métabolisme réduit, incapable de se multiplier). Certaines espèces de bactéries se multiplient par bourgeonnement : c’est une forme de division dans laquelle une cellule fille se développe à partir de la cellule mère sous forme d’une excroissance localisée (bourgeon). La conjugaison chez certaines souches : c’est un transfert unidirectionnel d’ADN d’une cellule ‘’donneuse’’ à une cellule ‘’receveuse’’ à travers un pont cytoplasmique. Elle se fait en plusieurs étapes : synthèse du pilus sexuel par la cellule donatrice, fixation du pilus sur une cellule réceptrice, raccourcissement du pilus et enfin transfert du brin d’ADN de la cellule donatrice vers la cellule réceptrice. Ce brassage des gènes et cette recombinaison augmentent le polymorphisme bactérien. Les bactéries intracellulaires : certaines variétés de bactéries se laissent phagocyter par certaines cellules et s’y multiplient. Deux variétés bactériennes particulières Les mycoplasmes : ce sont les cellules les plus simples que l’on connaisse actuellement. Leur diamètre ne dépasse pas 0,3 µm ; elles ne sont pas visibles en M.O. Ces bactéries sont des parasites des cellules animales et végétales. Leur cytoplasme renferme quelques centaines de ribosomes et un chromosome d’ADN qui ne possède pas plus de 750 gènes ; il est limité par une membrane plasmique contenant du cholestérol. La membrane plasmique n’est pas recouverte d’une paroi. Les cyanophycées (ou algues bleu-vert ou cyanobactéries) : les cyanophycées sont les procaryotes les plus anciens que l’on connaisse ; on les trouve dans des formations géologiques dont l’âge est estimé à près de 3 milliards d’années. Elles vivent en colonie. Structurellement elles se caractérisent par la présence d’un réseau très développé de membranes internes issues de la membrane plasmique (les thylacoïdes). Ces thylacoïdes portent des pigments assimilateurs (dont la chlorophylle) qui donnent à ces organismes leur teinte bleu-vert et leur permettent surtout de réaliser la photosynthèse selon un processus voisin de celui mis en jeu dans les chloroplastes des plantes supérieures (elles sont photosynthétiques, donc autotrophes).  52 Organisation d’une Cyanophycée II. LES EUCARYOTES Structure, généralités et diversité des cellules eucaryotes Un évènement fait date dans le déroulement de l’évolution des êtres vivants : c’est le passage, il y a 1.8 milliards d’années, de petites cellules à structure interne relativement simple - les procaryotes - à des cellules plus grandes et radicalement plus complexes, les eucaryotes (du latin eu, «vrai» et du grec caryon, «noyau»). De point de vue structural la cellule eucaryote est beaucoup plus grande (10à 100 µm) et plus complexe que la cellule procaryote. Elle est essentiellement caractérisée par la présence d’un cytoplasme compartimenté renfermant le cytosol ainsi que de nombreux organites, et l’ensemble de la cellule est entouré par une membrane plasmique. Celle-ci est recouverte extérieurement soit d’un cell-coat soit d’une paroi. Les Eucaryotes représentent la majorité des êtres vivants. De point de vue structure, ils peuvent être rangés en deux groupes principaux : - Les Eucaryotes unicellulaires qui mènent une vie totalement indépendante comme par exemple les algues unicellulaires, les levures, les paramécies ou les amibes. - Les Eucaryotes pluricellulaires qui sont les plus nombreux et qui regroupent les végétaux et les animaux en allant des formes primitives (éponges, etc.) jusqu’aux plus évoluées (l’Homme). Ces organismes pluricellulaires sont constitués soit de cellules identiques (certaines algues), soit de cellules extrêmement diversifiées (organismes supérieurs) qui définissent des types cellulaires différents et qui se regroupent généralement en tissus et en organes, tout en étant inféodées à des systèmes complexes de communication et de régulation.  53 Les cellules eucaryotes sont différenciées : la différenciation cellulaire est le processus par lequel une cellule peu ou pas différenciée acquiert les caractéristiques d'un type cellulaire particulier d'un point de vue morphologique, structural et fonctionnel. De ce fait, les cellules eucaryotes (animales et végétales) présentent des formes, des dimensions et des particularités structurales variables qui correspondent à leur activité et aux fonctions spécifiques qu’elles ont à accomplir au sein des divers tissus et organes ainsi qu’à leur environnement ; le rythme de leur renouvellement est également variable selon les types cellulaires. La cellule eucaryote est aérobie. Les Eucaryotes animaux sont hétérotrophes alors que les Eucaryotes végétaux sont autotrophes. D'une manière générale, les eucaryotes autotrophes sont aussi phototrophes et les eucaryotes hétérotrophes sont aussi chimiotrophes. Organisation d’une cellule eucaryote animale Les cellules eucaryotes animales présentent une taille qui se situe généralement entre 10 et 100 µm (en moyenne 20 à 30 µm). Leur structure interne reflète, dans la majorité des cas, leur niveau d’activité ainsi que la nature de la fonction principale qu’elles assurent. Mais la structure peut également être le reflet de modifications temporaires ou définitives liées à leur cycle d’activité. Cependant, une cellule eucaryote animale comprend les éléments suivants : La membrane plasmique, formée de phospholipides (assemblés en double couche) avec du cholestérol et des protéines ; elle limite la cellule et constitue une frontière physico-chimique et un médiateur des échanges entre le milieu extracellulaire et le compartiment intracellulaire (protoplasme). Elle présente plusieurs différenciations et sur son côté externe on observe le glycocalyx ou cell-coat. Les cellules animales (dans un organisme pluricellulaire) étant le plus souvent associées en tissus, les membranes plasmiques des cellules voisines sont séparées par un espace intercellulaire. Le cytoplasme, est plus complexe que celui des cellules procaryotes. Il contient les organites cytoplasmiques qui sont en suspension dans le cytosol. ▪ Le cytosol : c’est un gel colloïde à viscosité variable. Il est le lieu de la plupart des réactions métaboliques de la cellule. Il renferme de l’eau et des molécules variées. Il possède une organisation structurée reposant sur un réseau complexe de structures protéiques qui constituent le cytosquelette qui joue un rôle dans la motilité intracellulaire et éventuellement cellulaire. Le cytosol contient aussi un grand nombre de ribosomes, particules sphériques sur lesquelles s’effectue la synthèse des protéines. Aussi on y observe des protéasomes, structures spécialisées dans la protéolyse. Dans le cytosol on reconnaît également les centrioles qui se trouvent au voisinage du noyau et qui sont impliqués dans la division cellulaire. Des inclusions cytoplasmiques sont aussi observées : ce sont des granules ou des matériaux divers produits par le métabolisme cellulaire ou bien mis en réserve. ▪ Les organites : - Le noyau, occupe un volume important dans le cytoplasme. Il contient le génome représenté par plusieurs structures complexes qui portent l’information génétique codée, les chromosomes : ce sont des molécules d’ADN bi caténaires et linéaires, associées à des protéines (histones). Le noyau est le site principal de la synthèse de l’ADN et de l’ARN. Il renferme généralement un ou plusieurs nucléoles essentiellement constitués de ribonucléoprotéines. Il est séparé du reste du cytosol par une enveloppe nucléaire qui assure aussi les échanges nucléo cytoplasmiques.  54 - Un système endomembranaire, système de membranes internes limitant des cavités. Il comprend : 1) le réticulum endoplasmique (RE), ensemble de cavités aplaties et constituant un système circulatoire qui assure la synthèse, le transport intracellulaire, la concentration et le stockage de substances diverses ; 2) l’appareil de Golgi,formé d’un empilement ordonné de sacs aplatis (dictyosomes). Il participe à la synthèse, à la maturation, au remaniement et au tri de nombreuses substances, notamment les produits de sécrétion ; 3) les lysosomes, vésicules closes contenant de nombreuses enzymes lytiques ayant pour rôle la digestion intracellulaire et l’élimination des déchets. - Les mitochondries, organites clos et dispersés en grand nombre dans le cytoplasme, sont responsables de la respiration cellulaire et de la synthèse d’ATP. - Les peroxysomes, organites vésiculaires, interviennent dans des réactions d’oxydation et dans la dégradation de certaines molécules toxiques. Enfin, selon le type cellulaire et selon le moment de la différenciation, on reconnaît dans le cytoplasme de la cellule animale, de nombreuses vésicules de sécrétion qui se dirigent vers la surface cellulaire pour l’exportation et des vésicules d’endocytose qui permettent au contraire une internalisation de substances provenant du milieu extracellulaire. Les organites d’une cellule Eucaryote animale  55 Structure d’une cellule Eucaryote animale Structure d’une cellule Eucaryote animale  56 Comparaison entre une cellule eucaryote animale et une cellule eucaryote végétale Organisation d’une cellule eucaryote végétale Habituellement les cellules eucaryotes végétales sont plus grandes que les cellules eucaryotes animales. Mais l’architecture des 2 types de cellules est très semblable avec cependant quelques différences observées dans les cellules végétales : L’absence du centrosome. Le cholestérol de la membrane cytoplasmique est un cholestérol spécifique des végétaux. La présence d’une vacuole, compartiment limité par une cytomembrane, le tonoplaste, et riche en eau et en substances dissoutes. Elle peut occuper dans certaines cellules végétales jusqu’à 80 % du volume cellulaire. La présence de plastes, en particulier les chloroplastes, qui permettent à la cellule végétale de faire la photosynthèse. D’autres plastes, riches en pigments divers, produisent des couleurs très vives de l’environnement végétal ou bien mettent certaines substances en réserve. La présence d’une paroi cellulaire, revêtement extracellulaire qui double la membrane plasmique. Constituée essentiellement de glucides et de protéines, elle est épaisse, rigide et résistante ; elle donne à la cellule végétale sa forme et ses propriétés mécaniques. Au niveau de cette paroi, des plasmodesmes assurent la communication et les échanges intercellulaires.  57 La théorie endosymbiotique On considère actuellement que, dans le cadre de la théorie dite endosymbiotique : -des cyanophycées ont pu être les ancêtres des chloroplastes des cellules eucaryotes, -des bactéries aérobies ont pu être les ancêtres des mitochondries des cellules eucaryotes. Schématisation de la théorie endosymbiotique  58 CHAPITRE 5 LE CAS DES VIRUS ET DES PRIONS I- LES VIRUS Généralités Les virus sont des complexes multimoléculaires ou bien des ''organismes'' acellulaires qui échappent à la classification Procaryotes - Eucaryotes. Leur taille varie entre 15 et 400 nm. Ils sont mobiles. Ce sont des agents infectieux qui ne disposent ni de structures cellulaires ni d’un métabolisme propre, mais qui utilisent une cellule vivante (cellule hôte) pour s'y reproduire sans croissance ni division. Les virus ne sont donc pas des cellules. Ce sont des acaryotes. Structure La structure des virus est simple. Elle comporte : - Une petite molécule d’acide nucléique pour porter l’information génétique. Ce matériel génétique est soit un ADN linéaire ou circulaire, monocaténaire ou bi caténaire, soit un ARN monocaténaire ou bi caténaire. Certains virus ont 3 ou 4 gènes différents alors que d’autres peuvent en avoir quelques centaines. - Une capside constituée de sous unités protéiques appelés capsomères, de petite taille, d’un ou de plusieurs types de protéines. Elle entoure et protège l’acide nucléique pendant la phase extracellulaire et elle permet au virion de se déplacer et de se fixer sur les membranes des cellules. L’ensemble formé par la capside et l’acide nucléique porte le nom de nucléocapside (appelé aussi virus nu). → Chez certains virus la nucléocapside est encore entourée par une enveloppe (virus enveloppé) ayant la structure d’une biomembrane. Cette enveloppe (ou péplos) bourgeonne à partir des membranes de la cellule parasitée. Mode d’assemblage des virus La structure de la capside protéique entraîne la forme des virus, ce qui permet de distinguer deux groupes principaux de virus : - Les virus à symétrie cubique : la capside présente la forme d’un icosaèdre (polyèdre régulier ayant 3 axes de symétrie, 12 sommets, 20 faces qui sont des triangles latéraux et 30 arêtes) qui entraîne une apparence sphérique du virus. Les capsomères, disposés de manières régulières et géométriques, sont  59 de deux types : pentons (5 protomères) et hexons (6 protomères). C’est le cas des adénovirus et du virus de la poliomyélite. - Les virus à symétrie hélicoïdale : un seul type de capsomère est enroulé en une spirale hélicoïdale formant un long cylindre creux. L’acide nucléique est logé à l’intérieur de cette hélice. C’est le cas du virus de la mosaïque du tabac, du virus de la grippe, du virus de la rage. On observe aussi : - Les virus complexes qui présentent un type particulier de symétrie. Exemples : - les bactériophages (le phage T4 d’E. Coli) possèdent une symétrie binaire : une tête icosaédrique liée à une queue hélicoïdale à laquelle sont attachés des poils et des fibres caudales pour le contact avec la bactérie parasitée, - les Provirus : ce sont les plus gros virus animaux connus. - Les virus à symétrie non déterminée : lentivirus, HIV. Structure des virus Classification Les virus peuvent être classés selon leur taille, leur type de symétrie, la nature de leur acide nucléique, la présence ou non d’une enveloppe, la nature de la cellule hôte…..  60 Reproduction (ou cycle infectieux) des virus En dehors des cellules vivantes, les virus sont inertes c’est-à-dire ils n’ont aucune activité métabolique et ne manifestent aucune fonction vitale. Pour se reproduire, les virus pénètrent dans des cellules vivantes hôtes : ils vivent aux dépens de ces cellules hôtes et les parasitent. Les virus sont spécifiques des espèces : certains parasitent les bactéries (appelés bactériophages ou phages), d’autres les Archaea, d’autres encore infectent les Eucaryotes (algues, plantes, champignons, animaux, Homme). À l’intérieur d’une espèce, les virus sont spécifiques des cellules et des tissus. Chez l’Homme, les virus sont responsables de quelques dizaines de maladies (la varicelle, la rubéole, la rougeole, les oreillons, la grippe, le Sida, l’herpès, l’hépatite, la rage, etc…) et de quelques types de cancer. Le cycle infectieux des virus comporte plusieurs étapes : l’adsorption, la pénétration, la décapsidation, la réplication, l’assemblage, la libération. Il se déroule, en fonction de la nature du virus, selon 2 modalités : le cycle lytique ou le cycle lysogénique. Dans le cadre du cycle lytique, la phase initiale commence par l’adsorption (ou adhésion) des protéines de la capside virale sur des récepteurs membranaires de la cellule parasitée. Ensuite, l’acide nucléique viral est injecté dans la cellule hôte, le reste du matériel viral demeure à l’extérieur ou rentre aussi. La pénétration de l’acide nucléique viral modifie le fonctionnement de la cellule hôte : il va se servir de la machinerie biosynthétique de la cellule parasitée (ribosomes, nucléotides, acides aminés, enzymes, ARNt, ATP, etc…) pour diriger sa propre réplication (acides nucléiques viraux) et pour synthétiser des protéines virales dont l’assemblage forme de nouveaux virus. La cellule hôte sera vouée à la mort et sa lyse entraîne la libération brutale des virions qui infecteront les cellules voisines. Il arrive parfois que certains virus infectants ne provoquent pas la mort directe de la cellule hôte. Dans ce cas, ils entrent en état de latence dans une cellule hôte où ils sont appelés pro virus : leur génome s’intègre à l’ADN de la cellule hôte mais il reste inactif. Il se réplique comme partie de l’ADN cellulaire et se perpétue ainsi, de génération en génération. Un pro virus intégré peut agir de plusieurs manières, qui dépendent du type du virus et de la cellule hôte : - La cellule hôte contenant un pro virus se comporte normalement jusqu’à ce qu’elle soit exposée à un certain stimulus (rayonnement UV par exemple). L’ADN ‘‘dormant’’ est alors activé et les évènements décrits dans le cycle lytique interviennent ensuite. - Certaines cellules hôtes qui contiennent un pro virus produisent une nouvelle génération de virions par bourgeonnement de leur membrane plasmique ou de leurs cytomembranes sans lyse de la cellule infectée qui peut rester vivante et fonctionner comme une usine qui produit de nouveaux virions. - Certaines cellules hôtes qui contiennent un pro virus perdent le contrôle de leur croissance et de leur division : elles deviennent malignes.  61 Cycle lytique et cycle lysogénique Et les protéines virales aussi ! Reproduction des virus dans les cellules  62 II- LES PRIONS Les prions sont des protéines anormales qui agissent comme des agents infectieux. Elles altèrent la structure et la forme d’autres protéines normales et les rendent anormales. Elles sont résistantes aux protéases. L’accumulation de protéines anormales aboutit à une toxicité cellulaire. Les prions sont qualifiés d’agents transmissibles non conventionnels. Ils causent des maladies neurodégénératives chez l’Homme et les animaux : ces encéphalopathies spongiformes à incubation longue se traduisent par une atteinte du système nerveux central avec spongiose, perte neuronale et gliose hyperastrocytaire sans réaction inflammatoire associée à des plaques amyloïdes.