Chapitre 1: Résumé du cours sur les Cellules et l'ADN - Notes de cours

Travaux dirigés de Psychobiologie * Notes Licence 1 Semestre 1 * B. La cellule, unité structurale et fonctionnelle de base des êtres vivants 1. Structure fondamentale a. Un noyau, un cytoplasme et une membrane Cellule = unité basale de structure et de fo...

Travaux dirigés de Psychobiologie * Notes Licence 1 Semestre 1 * B. La cellule, unité structurale et fonctionnelle de base des êtres vivants 1. Structure fondamentale a. Un noyau, un cytoplasme et une membrane Cellule = unité basale de structure et de fonctionnement qui compose les êtres vivants. C’est la plus petite unité de vie. Membrane plasmique : délimite la cellule et assure les échanges entre la cellule et l’extérieur de la cellule. Noyau : contient l’IG (information génétique) sous forme d’ADN Cytoplasme : comprend un liquide fondamental très riche en eau et solutés variés (cytosol = hyaloplasme) et de petits organes cellulaires séparés du cytosol par une (ou deux) membrane(s) (organites) b. Une vision plus détaillée d’une cellule animale Schéma de synthèse 2. Diversité structurale et fonctionnelle a. Entre les espèces Une ou plusieurs cellules ? Les organismes vivants peuvent être unicellulaires (une seule cellule) ou pluricellulaires (nombreuses cellules – qui proviennent toutes d’une même cellule d’origine nommée zygote) Exemple 1 : Bactéries Escherichia coli (env. 1 µm) Les Bactéries sont des unicellulaires qui ne possèdent pas d’organites (l’ADN est dans le cytoplasme) et sont renforcés extérieurement par une paroi. Exemple 2 : Élodée du Canada (env. 100 µm) Les cellules végétales présentent une paroi externe et des chloroplastes (petits organites assurant la photosynthèse). b. Au sein d’une espèce : l’exemple de l’homme Fécondation chez l’homme : Le spermatozoïde présente un flagelle lui permettent de se propulser ainsi qu’une petite taille et une forme profilée favorisant sa mobilité. L’ovocyte II est une cellule plus importante (env. 100 µm = 0,1 mm) et statique. Les fibres des muscles striés squelettiques : sont de très longues cellules (jusqu’à 30 cm de longueur pour un diamètre de 100 µm env.) possédant des noyaux rejetés sur le côté et des structures contractiles dans leur cytoplasme. 1 Les globules rouges (MEB) sont des cellules de forme discoïdale et biconcave qui assurent le transport du dioxygène dans le sang (diamètre env. 7 µm). 3. Les organites a. Le noyau = lieu de stockage de l’information génétique (taille env. 5 µm en moyenne) Une cellule sans noyau ne peut pas se reproduire ni synthétiser de protéines Toutes les cellules humaines ont un noyau, sauf les hématies (globules rouges) La majeure partie des cellules ne possèdent qu’un noyau, mais certaines sont plurinucléées. Existence de cellules plurinucléées : cas des fibres musculaires, certaines cellules du foie, certains globules blancs… 3 parties : enveloppe nucléaire + chromatine + nucléole(s) Remarque : le milieu fondamental à l’intérieur du noyau s’appelle nucléoplasme. Enveloppe nucléaire Double membrane percée de pores (trous formés par la fusion locale des deux membranes) qui laissent passer les protéines et les ARN, mais pas l’ADN. Nucléoles Souvent au nombre de un ou deux, ils comprennent beaucoup de protéines (85 %), un peu d’ADN et des ARN : c’est le lieu de synthèse des ribosomes. Chromatine Comprend le reste de l’ADN associé à des protéines (support moléculaire de l’IG). (Sera réexpliquée quand on parlera des chromosomes). b. Les ribosomes = organites faits de protéines et d’ARN qui produisent les protéines Caractéristiques : 1/ les plus petits organites existants ; les seuls « organites » qui ne soient pas délimités par une membrane (certains auteurs considèrent, pour cette raison, que ce ne sont pas des organites) ; 2/ composés de deux sous-unités ; 3/ très présents dans le cytosol et à proximité du REG c. Les mitochondries = lieu de production de l’ATP (adénosine triphosphate) qui est la molécule source d’énergie de la plupart des activités cellulaires. Caractéristiques : 1/ une mitochondrie possède une enveloppe faite de deux membranes ; 2/ la membrane interne présente de nombreux replis (crêtes mitochondriales) et est composée à 75 % d’ATP synthétases (enzymes qui produisent l’ATP) ; 3/ le compartiment le plus interne s’appelle matrice mitochondriale ; 6/ Il y a d’autant plus de mitochondries dans une cellule que celle-ci est active (mobilité, production intense de protéines…). 2  d. Le réticulum endoplasmique granuleux (REG) = ensemble de citernes (consistant en des replis membranaires) possédant à sa surface de nombreux ribosomes (d’où l’aspect rugueux). = lieu de stockage des protéines membranaires et des protéines destinées à la sécrétion Maturation d’une protéine = repliement d’une protéine (acquisition de la structure tertiaire) Sécrétion = éjection d’une substance produite par une cellule ou un ensemble de cellules dans le milieu extracellulaire e. Le réticulum endoplasmique lisse (REL) = ensemble de tubules (tubes membraneux) dépourvus de ribosomes (d’où l’aspect lisse). = lieu de synthèse de nombreux lipides, notamment les constituants de la membrane plasmique. f. L’appareil de Golgi (= les dictyosomes) = ensemble de saccules et vésicules qui permettent d’emballer, isoler et modifier les protéines destinées à la sécrétion ou destinées aux membranes. Lien entre RER et appareil de Golgi Des vésicules se forment à la fin du RER. Celles-ci fusionnent alors avec l’appareil de Golgi. Cela permet aux protéines de passer du RER à l’appareil de Golgi. Le passage d’un saccule d’un dictyosome à un autre se fait par des vésicules également. D’autres vésicules se forment enfin dans la partie terminale de l’appareil de Golgi et leur contenu est sécrété hors de la cellule par exocytose (voir 4). Vésicule = petit compartiment cellulaire séparé du cytosol par une membrane g. Les lysosomes = petits organites au pH acide (env. 5) contenant des enzymes hydrolytiques, c’est-à-dire des protéines capables de dégrader les molécules biologiques. Les lysosomes détruisent certains déchets ainsi que certaines molécules toxiques ou des organites endommagés. 4. La membrane plasmique a. Structure et composition de la membrane plasmique α. Organisation et définition Membrane plasmique : Délimite la cellule et assure les échanges entre l’intérieur de la cellule (milieu intracellulaire) et l’extérieur de la cellule (milieu extracellulaire). β. Composition chimique ◆ Lipides (env. 50 % de la composition) : ° Phospholipides : ils forment une double couche (on parle de bicouche phospholipidique). Les queues hydrophobes (qui fuient l’eau) s’opposent. Les têtes hydrophiles (qui ont une forte affinité pour l’eau) sont en contact avec le milieu extérieur ou le cytosol. ° Cholestérol : molécule qui s’insère entre les phospholipides Le cholestérol a une influence sur la fluidité des membranes (plus il présent, moins la membrane est fluide). ◆ Protéines (env. 45 % de la composition) : 3 ° Protéines intrinsèques = protéines transmembranaires : protéines qui s’intègrent dans la membrane. ° Protéines extrinsèques = protéines périphériques : protéines qui sont situées sur un côté de la membrane ou l’autre, sans la traverser. ◆ Glucides (env. 5 % de la composition) : Accolés à des protéines (glycoprotéines) ou des lipides (glycolipides) sur le feuillet externe de la membrane. Ils forment le glycocalyx ou cell-coat des cellules. Ce sont avant tout des marqueurs cellulaires qui servent à la reconnaissance entre cellules (exemple : les marqueurs des groupes sanguins ABO sont des petits glucides portés par des protéines). γ. Rappel sur le comportement des phospholipides dans l’eau Revoir II.A.1.b δ. Aperçu de la diversité fonctionnelle des protéines membranaires ° Protéines de transport = transporteurs (canaux, transporteurs facilitants, pompes…) : protéines permettant le passage de substances à travers la membrane. ° Enzymes. Les enzymes sont les protéines permettant la réalisation des réactions chimiques dans un organisme, on trouve partout dans et hors des cellules, par exemple au niveau des membranes. ° Récepteurs = protéines réceptrices (à une hormone, à un neurotransmetteur…) : protéines possédant un site de fixation pouvant accueillir une molécule informative. Lors de la fixation de cette molécule signal, le récepteur est activé, ce qui produit une réponse de la part de la cellule (c’est-à-dire une modification de l’activité de la cellule). ° Protéines marqueurs (ou simplement marqueurs) : protéines qui permettent la reconnaissance entre cellules ° Protéines d’adhérence (font la jonction entre cellules adjacentes) : protéines qui permettent d’accrocher des cellules adjacentes. ° Protéines de fixation au cytosquelette* et/ou à la matrice extracellulaire* * Cytosquelette = réseau moléculaire qui constitue une armature conférant sa forme aux cellules animales (il existe d’autres fonctions). Cf. 5. * Matrice extracellulaire = gel hydraté constitué d’un ensemble de molécules formant un réseau plus ou moins élastique situé entre les cellules de certains tissus. ° Etc. ε. Importance dans la cohésion des tissus : les jonctions intercellulaires Jonction intercellulaire = structure protéique qui permet de relier la membrane d’une cellule à la membrane d’une autre cellule ou à la matrice extracellulaire. ζ. Lien avec la matrice extracellulaire Matrice extracellulaire = gel hydraté constitué d’un ensemble de molécules formant un réseau plus ou moins élastique situé entre les cellules de certains tissus. Existence de protéines transmembranaires (intégrines par exemple) liées à la matrice. b. Les échanges transmembranaires α. Définition, intérêt, typologie Échanges transmembranaires = ensemble des flux de matière (eau, solutés…) qui s’effectuent au travers d’une membrane biologique. 4 ◆ Propriétés des membranes et intérêt des échanges transmembranaires ° Les membranes possèdent une perméabilité sélective aux différentes molécules présentes dans les êtres vivants. ° Les membranes sont à la fois une frontière qui permet de contrôler les quantités de solutés présents dans la cellule ou dans un compartiment donné de la cellule, et une interface entre ces compartiments. Les activités cellulaires supposent de contrôler l’apport et l’évacuation des différentes molécules ou ions impliquées dans le fonctionnement des cellules. ◆ Typologie des transports transmembranaires ° Les mouvements de solutés (ou d’eau) au travers d’une membrane qui se font sans apport d’énergie (suivant le gradient de concentration de la substance transportée) portent le nom de transports passifs. ° Les mouvements de solutés au travers d’une membrane qui se font avec apport d’énergie (contre un gradient de concentration) portent le nom de transports actifs. β. L’osmose ◆ Osmose = ensemble des mouvements d’eau au travers d’une membrane (entre la cellule et l’extérieur de la cellule, ou entre les différents compartiments d’une cellule), les déplacements allant du compartiment où les solutés sont les moins concentrés vers le compartiment où les solutés sont les plus concentrés de manière à équilibrer les concentrations de solutés de part et d’autre de la membrane. Concentration = quantité de matière d’une substance dans un volume donné de liquide ° Un principe général : la nature cherche l’équilibre. Dans les transports transmembranaires, cela se traduit par le fait que, spontanément (en l’absence de processus consommateurs d’énergie qui s’opposeraient aux mécanismes spontanés), les substances se déplacent de manière à équilibrer les concentrations. ° Dans le cas d’une membrane hémiperméable (perméable à l’eau, mais pas aux solutés), l’eau se déplace du compartiment où les solutés sont les plus concentrés vers le compartiment où les solutés sont les moins concentrés, tendant à rétablir l’équilibre des concentrations dans les deux compartiments. γ. Les transports passifs de solutés ◆ Transport passif = transport d’une substance au travers d’une membrane sans apport d’énergie, selon son gradient de concentration (= du compartiment où le soluté est le plus concentré vers le compartiment où il est le moins concentré). Gradient de concentration = différentiel de concentration entre deux compartiments. ◆ Typologie des transports passifs de solutés ° Diffusion simple : passage des substances directement au travers de la bicouche lipidique ° Diffusion facilitée : passage des substances au travers de protéines spécifiques à leur transport δ. Les transports actifs ◆ Transport actif = transport d’une substance au travers d’une membrane avec apport d’énergie, contre son gradient de concentration (= du compartiment où le soluté est le moins concentré vers le compartiment où il est le plus concentré). 5  b. Le trafic vésiculaire Trafic vésiculaire = ensemble des processus de formation, déplacement et sécrétion de vésicules. α. Endocytose Endocytose = formation d’une vésicule avec enferment d’une portion de liquide extracellulaire par repliement de la membrane plasmique sur elle-même. Typologie des endocytoses ° Phagocytose : endocytose permettent l’ingestion de particules importantes, par exemple des Bactéries ou des débris cellulaires (cas de certaines cellules seulement, comme les globules blancs du sang). ° Pinocytose : endocytose localisée permettent l’ingestion de petites portions de liquide extracellulaire renfermant des molécules d’intérêt. ° Endocytose par récepteurs interposés : endocytose déclenchée par la fixation de molécules sur des récepteurs spécifiques. β. Exocytose Exocytose = fusion d’une vésicule avec la membrane plasmique, ce qui conduit au déversement de son contenu dans le milieu extracellulaire. 1. 5. Cytosquelette a. Nature et composants du cytosquelette Cytosquelette = réseau de protéines fibreuses qui confère sa forme à la cellule Constituants : microtubules, filaments intermédiaires, microfilaments. b. Principales fonctions du cytosquelette Maintien de la forme des cellules. Maintien de la cohésion des tissus grâce à des liens étroits avec les jonctions intercellulaires et la matrice extracellulaire. Mobilité de la cellule : Les structures impliquées dans la mise en mouvement des cellules flagellées (comme le spermatozoïde) ou les cellules musculaires sont des structures cytosquelettiques. Transport vésiculaire : Les organites et les vésicules qui se déplacent dans la cellule utilisent les microtubules comme des « rails » sur lesquels ils avancent. Intervention dans la division cellulaire (mitose, méiose). 6  C. L’ADN, support universel de l’information génétique 1. Nature et structure moléculaire ◆ ADN (Acide désoxyribonucléique) = polymère de nucléotides qui porte l’information génétique de l’organisme vivant. ◆ Information génétique (IG) = patrimoine génétique = ensemble des informations qui permettent la construction et le fonctionnement d’un être vivant. ◆ Les nucléotides sont donc les monomères de l’ADN. Chacun comprend une base azotée, un sucre (pentose, car 5 atomes de carbone) nommé désoxyribose et un groupement phosphate. (Notez qu’on appelle nucléoside l’ensemble désoxyribose + base azotée). ◆ Il existe quatre types de bases azotées notées par des lettres (A, T, C et G), définissant chacun un des quatre nucléotides possibles dans l’ADN. ◆ Structure en double hélice = une molécule d’ADN est faite de deux brins liés entre eux (par des liaisons H) qui s’enroulent en hélice. ◆ Règles de complémentarité : dans les brins d’une molécule d’ADN, les deux brins s’associent toujours de la même façon, selon des règles de complémentarité entre nucléotides. A avec T C avec G. 2. Une molécule codante et variable a. Codage de l’information génétique et notion de séquence nucléotidique ◆ L’ADN est un hétéropolymère constitué de l’enchaînement de nucléotides variables, de quatre types différents. Cette molécule est donc séquencée, c’est-à-dire définie par la nature et l’ordre des nucléotides qui le composent (= séquence nucléotidique). ◆ Le caractère séquencé de l’ADN permet le codage, dans une sorte d’alphabet à quatre lettres, d’une information qui est l’information génétique de l’individu (ensemble des informations nécessaires au fonctionnement et au développement de l’individu). b. Variabilité de la molécule d’ADN ◆ La molécule d’ADN peut subir naturellement des mutations qui sont des modifications locales de la séquence nucléotidique (ajout, perte ou modification d’une paire de nucléotides). Le taux de mutation peut être augmenté par certains facteurs environnementaux (UV, produits chimiques…) qu’on nomme agents mutagènes. 2. Une molécule universelle : mise en évidence par la transgénèse ◆ Au laboratoire, il est possible d’effectuer le transfert d’un gène (portion d’ADN) d’un organisme donneur à un organisme receveur : c’est la transgénèse. ◆ Le caractère codé par le gène s’exprime alors dans l’organisme receveur, même s’il n’est pas de la même espèce que l’organisme donneur : l’information génétique est donc écrite dans un langage universel, à savoir l’ADN. 7