Cours de Biologie Cellulaire PDF
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2025
M. Belkhir
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Ce document présente un cours de biologie cellulaire pour les étudiants de première année, couvrant des sujets tels que la définition, l'historique et l'organisation des cellules, ainsi que la composition chimique des cellules et la membrane plasmique. Les principes fondamentaux de la biologie cellulaire y sont abordés.
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DEPARTEMENT DE BIOLOGIE FILIERES « BCG » Module M1 : « Biologie Cellulaire et Histologie » - S1 - BIOLOGIE CELLULAIRE M. BELKHIR Année Universitaire : 2024 - 2025 Table des matiè...
DEPARTEMENT DE BIOLOGIE FILIERES « BCG » Module M1 : « Biologie Cellulaire et Histologie » - S1 - BIOLOGIE CELLULAIRE M. BELKHIR Année Universitaire : 2024 - 2025 Table des matières CHAPITRE 1 : INTRODUCTION À LA BIOLOGIE CELLULAIRE.................................................... - 1 - I. DÉFINITION - HISTORIQUE...............................................................................................................- 1 - II. PRINCIPES DE LA THÉORIE CELLULAIRE..................................................................................- 1 - III. ORGANISATION GÉNÉRALE DE LA CELLULE..........................................................................- 3 - A. LES PROCARYOTES.............................................................................................................................- 3 - B. LES EUCARYOTES................................................................................................................................- 4 - C. VARIATIONS MORPHOLOGIQUES....................................................................................................- 7 - 1. Variation de forme................................................................................................................................... - 7 - 2. Variation de taille..................................................................................................................................... - 7 - 3. Variation de structure............................................................................................................................... - 8 - D. LES VIRUS..............................................................................................................................................- 8 - IV. COMPOSITION CHIMIQUE DE LA CELLULE...........................................................................- 10 - A. LES MOLÉCULES INORGANIQUES..................................................................................................- 10 - B. LES MOLÉCULES ORGANIQUES......................................................................................................- 11 - 1. Les glucides............................................................................................................................................ - 11 - a) Les monosaccharides.............................................................................................................................. - 11 - b) Les polysaccharides............................................................................................................................... - 12 - 2. Les lipides.............................................................................................................................................. - 12 - a) Les acides gras....................................................................................................................................... - 13 - b) Les triglycérides..................................................................................................................................... - 13 - c) Les phospholipides................................................................................................................................. - 13 - a) Les Glycolipides..................................................................................................................................... - 14 - b) Le cholestérol......................................................................................................................................... - 14 - 3. Les protéines.......................................................................................................................................... - 14 - a) Les acides aminés................................................................................................................................... - 14 - b) Les polypeptides.................................................................................................................................... - 15 - c) Structure des protéines........................................................................................................................... - 15 - 4. Les acides nucléiques............................................................................................................................. - 16 - a) Les nucléotides....................................................................................................................................... - 16 - (i) Les bases azotées................................................................................................................................... - 17 - (ii) Le sucre................................................................................................................................................ - 17 - (iii) L'acide phosphorique........................................................................................................................... - 18 - b) Les polynucléotides................................................................................................................................ - 18 - c) Les acides désoxyribonucléiques............................................................................................................ - 19 - d) Les acides ribonucléiques...................................................................................................................... - 19 - ii CHAPITRE 2 : MEMBRANE PLASMIQUE........................................................................................... - 21 - I. DÉFINITION.........................................................................................................................................- 21 - II. STRUCTURE ET COMPOSITION CHIMIQUE.............................................................................- 21 - A. OBSERVATION AU MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE.....................................................................- 21 - B. COMPOSITION CHIMIQUE................................................................................................................- 22 - 1. Les lipides membranaires....................................................................................................................... - 22 - a) Les phospholipides................................................................................................................................. - 22 - b) Le cholestérol......................................................................................................................................... - 23 - c) Les glycolipides..................................................................................................................................... - 23 - 2. Les protéines membranaires................................................................................................................... - 23 - C. ARCHITECTURE MOLÉCULAIRE.....................................................................................................- 23 - D. FLUIDITÉ MEMBRANAIRE................................................................................................................- 25 -.1 Mouvements des lipides membranaires................................................................................................. - 25 - 2. Mouvements des protéines membranaires.............................................................................................. - 25 - III. RÔLE ET ACTIVITÉS DE LA MEMBRANE PLASMIQUE........................................................- 27 - A. PERMÉABILITÉ...................................................................................................................................- 27 - 1. Passage à travers la bicouche lipidique................................................................................................... - 28 - 2. Passage à travers les canaux protéique................................................................................................... - 28 - a) Perméabilité à l’eau................................................................................................................................ - 28 - b) Perméabilité aux ions............................................................................................................................. - 29 - 3. Transport à travers des transporteurs protéiques..................................................................................... - 30 - a) Transport passif...................................................................................................................................... - 30 - b) Transport actif........................................................................................................................................ - 30 - (i) Transport actif primaire......................................................................................................................... - 30 - (ii) Transport actif secondaire..................................................................................................................... - 31 - B. ENDOCYTOSE ET EXOCYTOSE........................................................................................................- 32 - 1. Endocytose............................................................................................................................................. - 32 - 2. Endocytose dépendante de récepteurs.................................................................................................... - 33 - 3. Exocytose............................................................................................................................................... - 34 - C. PROPRIÉTÉS DE LA SURFACE CELLULAIRE.................................................................................- 35 - 1. Spécificité cellulaire............................................................................................................................... - 35 - 2. Transfert d’information.......................................................................................................................... - 35 - a) Transmission humorale.......................................................................................................................... - 35 - b) Transmission nerveuse........................................................................................................................... - 36 - D. SPÉCIALISATION DE LA MEMBRANE PLASMIQUE.....................................................................- 36 - 1. Microvillosités - Invaginations............................................................................................................... - 36 - 2. Contacts intercellulaires......................................................................................................................... - 37 - a) Jonctions serrées..................................................................................................................................... - 38 - iii b) Jonctions d'ancrage................................................................................................................................ - 38 - (i) Jonction adhérente................................................................................................................................. - 38 - (ii) Desmosomes......................................................................................................................................... - 38 - c) Jonctions communicantes....................................................................................................................... - 38 - d) Jonctions cellule-matrice........................................................................................................................ - 38 - IV. BIOGÉNÈSE DE LA MEMBRANE PLASMIQUE.........................................................................- 38 - V. CONTACTS ENTRE CELLULES VÉGÉTALES.............................................................................- 39 - CHAPITRE 3 : CYTOSOL ET ORGANITES CELLULAIRES............................................................ - 41 - I. LE CYTOSOL........................................................................................................................................- 41 - A. COMPOSITION CHIMIQUE................................................................................................................- 41 - B. PROPRIÉTÉS PHYSICO-CHIMIQUES................................................................................................- 41 - C. RÔLE ET ACTIVITÉS DU CYTOSOL.................................................................................................- 41 - 1. Activités métaboliques........................................................................................................................... - 42 - a) Voies de Dégradation du Glucose-6-Phosphate...................................................................................... - 42 - (i) Glycolyse............................................................................................................................................... - 42 - (ii) Fermentation......................................................................................................................................... - 43 - (iii) Voie des pentoses................................................................................................................................ - 44 - b) Synthèse de Glycogène.......................................................................................................................... - 44 - 2. Synthèse et dégradation protéique.......................................................................................................... - 45 - 3. Stockage de graisses et de glycogène..................................................................................................... - 45 - II. MITOCHONDRIE...............................................................................................................................- 46 - A. CARACTÈRES GÉNÉRAUX................................................................................................................- 46 - 1. Morphologie........................................................................................................................................... - 46 - 2. Composition chimique........................................................................................................................... - 46 - 3. Ultrastructure.......................................................................................................................................... - 46 - a) Membranes............................................................................................................................................. - 46 - (i) Membrane externe................................................................................................................................. - 46 - (ii) Membrane interne................................................................................................................................. - 47 - b) Matrice................................................................................................................................................... - 47 - B. RÔLE ET ACTIVITÉS PHYSIOLOGIQUES........................................................................................- 48 - 1. Oxydation des substrats.......................................................................................................................... - 48 - a) Oxydation de l’acide pyruvique............................................................................................................. - 48 - b) Oxydation des acides gras saturés.......................................................................................................... - 49 - 2. Chaîne respiratoire................................................................................................................................. - 49 - 3. Phosphorylation oxydative..................................................................................................................... - 51 - C. MATÉRIEL GÉNÉTIQUE DES MITOCHONDRIES...........................................................................- 52 - D. RÉPARTITION......................................................................................................................................- 52 - iv III. CHLOROPLASTE.............................................................................................................................- 52 - A. INTRODUCTION..................................................................................................................................- 52 - B. STRUCTURE ET COMPOSITION........................................................................................................- 52 - C. RÔLE PHYSIOLOGIQUE : LA PHOTOSYNTHÈSE...........................................................................- 54 - 1. Phase lumineuse de la photosynthèse..................................................................................................... - 55 - a) Chaîne photosynthétique........................................................................................................................ - 55 - (i) Transfert non cyclique d’électrons......................................................................................................... - 56 - (ii) Transfert cyclique d’électrons.............................................................................................................. - 57 - b) Photophosphorylation............................................................................................................................ - 58 - 2. Phase obscure......................................................................................................................................... - 58 - D. ORIGINE DES CHLOROPLASTES......................................................................................................- 59 - IV. LE SYSTÈME ENDOMEMBRANAIRE..........................................................................................- 60 - A. RÉTICULUM ENDOPLASMIQUE......................................................................................................- 60 - 1. Ultrastructure.......................................................................................................................................... - 60 - 2. Isolement et composition chimique........................................................................................................ - 61 - 3. Rôles physiologiques.............................................................................................................................. - 62 - a) Transfert et devenir des chaînes polypeptidiques................................................................................... - 62 - b) Modifications pendant et après la traduction.......................................................................................... - 64 - (i) Glycosylation......................................................................................................................................... - 64 - (ii) Addition de chaînes d'acides gras......................................................................................................... - 64 - (iii) Repliement des protéines..................................................................................................................... - 64 - c) Métabolisme des lipides......................................................................................................................... - 64 - d) Détoxification........................................................................................................................................ - 65 - e) Accumulation de calcium....................................................................................................................... - 65 - 4. Biogénèse............................................................................................................................................... - 65 - B. APPAREIL DE GOLGI..........................................................................................................................- 65 - 1. Ultrastructure.......................................................................................................................................... - 65 - 2. Composition chimique........................................................................................................................... - 67 - 3. Rôles physiologiques.............................................................................................................................. - 67 - a) Transformation des produits provenant du RE....................................................................................... - 67 - (i) Glycosylation......................................................................................................................................... - 67 - (ii) Autres modifications............................................................................................................................ - 68 - b) Transport des produits provenant du RE................................................................................................ - 68 - (i) Transport à partir du RE vers le RCG de l'AG....................................................................................... - 68 - (ii) Transport dans l'AG : du RCG vers le RTG......................................................................................... - 68 - c) Tri et répartition au niveau du RTG....................................................................................................... - 69 - 4. Biogénèse............................................................................................................................................... - 70 - C. ENDOSOMES........................................................................................................................................- 70 - 1. Endosome précoce.................................................................................................................................. - 70 - v 2. Endosome tardif..................................................................................................................................... - 71 - D. LYSOSOMES........................................................................................................................................- 72 - 1. Ultrastructure.......................................................................................................................................... - 72 - 2. Composition chimique........................................................................................................................... - 72 - 3. Rôles physiologiques.............................................................................................................................. - 73 - a) Hétérophagie.......................................................................................................................................... - 73 - b) Autophagie............................................................................................................................................. - 74 - 4. Biogénèse et renouvellement.................................................................................................................. - 74 - V. PEROXYSOMES.................................................................................................................................- 75 - A. ULTRASTRUCTURE ET COMPOSITION CHIMIQUE......................................................................- 75 - B. RÔLES PHYSIOLOGIQUES.................................................................................................................- 75 - 1. Détoxification......................................................................................................................................... - 75 - a) Les oxydases.......................................................................................................................................... - 75 - b) La catalase.............................................................................................................................................. - 76 - 2. Oxydation d'acides gras.......................................................................................................................... - 76 - C. BIOGÉNÈSE..........................................................................................................................................- 76 - CHAPITRE 4 : LE CYTOSQUELETTE.................................................................................................. - 77 - I. MICROFILAMENTS...........................................................................................................................- 77 - A. STRUCTURE.........................................................................................................................................- 77 - B. RÔLES...................................................................................................................................................- 78 - 1. Contraction cellulaire............................................................................................................................. - 78 - 2. Déplacements cellulaires........................................................................................................................ - 78 - 3. Mouvements intracellulaires................................................................................................................... - 79 - 4. Déformation de la membrane plasmique................................................................................................ - 79 - 5. Jonctions intercellulaires........................................................................................................................ - 79 - II. MICROTUBULES...............................................................................................................................- 79 - A. STRUCTURE.........................................................................................................................................- 79 - B. RÔLES...................................................................................................................................................- 81 - 1. Formation du cytosquelette.................................................................................................................... - 81 - 2. Mouvements ciliaires et flagellaires....................................................................................................... - 82 - 3. Déplacements intracellulaires................................................................................................................. - 82 - III. FILAMENTS INTERMÉDIAIRES..................................................................................................- 83 - A. STRUCTURE.........................................................................................................................................- 83 - B. TYPES ET RÔLES DES FILAMENTS INTERMEDIAIRES................................................................- 83 - 1. Filaments intermédiaires de type Kératine............................................................................................. - 84 - 2. Neurofilaments....................................................................................................................................... - 84 - 3. Filaments intermédiaires de type III....................................................................................................... - 84 - vi 4. Lamines.................................................................................................................................................. - 84 - CHAPITRE 5 : LE NOYAU....................................................................................................................... - 85 - I. CARACTÈRES GÉNÉRAUX..............................................................................................................- 85 - II. ULTRASTRUCTURE ET COMPOSITION CHIMIQUE................................................................- 85 - A. ULTRASTRUCTURE............................................................................................................................- 85 - B. COMPOSITION CHIMIQUE................................................................................................................- 86 - 1. L'Acide Désoxyribonucléique : ADN..................................................................................................... - 86 - 2. Les Acides Ribonucléiques : ARN......................................................................................................... - 86 - a) L'ARN messager.................................................................................................................................... - 86 - b) L'ARN de transfert................................................................................................................................. - 86 - c) L'ARN ribosomal................................................................................................................................... - 86 - 3. Les protéines nucléaires......................................................................................................................... - 87 - a) Les Histones........................................................................................................................................... - 87 - b) Les Non-histones................................................................................................................................... - 87 - 4. Autres constituants................................................................................................................................. - 87 - III. PROPRIÉTÉS DES CONSTITUANTS NUCLÉAIRES..................................................................- 87 - A. ENVELOPPE NUCLÉAIRE..................................................................................................................- 87 - 1. Ultrastructure.......................................................................................................................................... - 87 - a) Membranes............................................................................................................................................. - 87 - b) Les pores nucléaires............................................................................................................................... - 88 - 2. Rôle de l'enveloppe nucléaire................................................................................................................. - 89 - a) Echanges nucléocytoplasmiques............................................................................................................ - 89 - b) Rôle comme constituant du réticulum endoplasmique........................................................................... - 89 - B. LE NUCLÉOPLASME ET LE NUCLÉOSQUELETTE........................................................................- 90 - C. LA CHROMATINE................................................................................................................................- 90 - 1. Ultrastructure et organisation moléculaire.............................................................................................. - 90 - 2. Activités chromatiniennes...................................................................................................................... - 92 - a) Synthèse d'ADN : Réplication................................................................................................................ - 92 - b) Synthèse d'ARN : Transcription............................................................................................................. - 94 - c) Maturation de l’ARNm.......................................................................................................................... - 95 - D. LE NUCLÉOLE.....................................................................................................................................- 96 - 1. Ultrastructure.......................................................................................................................................... - 97 - 2. Activités physiologiques du nucléole..................................................................................................... - 97 - IV. DIVISION CELLULAIRE.................................................................................................................- 99 - A. CYCLE CELLULAIRE..........................................................................................................................- 99 - 1. L'INTERPHASE.................................................................................................................................... - 99 - a) Phase G1................................................................................................................................................ - 99 - vii b) Phase S................................................................................................................................................. - 100 - c) Phase G2.............................................................................................................................................. - 100 - 2. LA PHASE M...................................................................................................................................... - 100 - a) Prophase............................................................................................................................................... - 100 - b) Prométaphase....................................................................................................................................... - 101 - c) Métaphase............................................................................................................................................ - 101 - d) Anaphase.............................................................................................................................................. - 102 - e) Télophase............................................................................................................................................. - 103 - f) Cytodiérèse........................................................................................................................................... - 103 - B. LA MÉÏOSE......................................................................................................................................... - 103 - 1. LA MEIOSE I - DIVISION RÉDUCTIONNELLE............................................................................. - 104 - 2. LA MEIOSE II - DIVISION ÉQUATIONNELLE.............................................................................. - 104 - CHAPITRE 6 : RIBOSOMES ET SYNTHESE PROTEIQUE............................................................. - 106 - I. STRUCTURE ET COMPOSITION CHIMIQUE DES RIBOSOMES............................................ - 106 - II. BIOSYNTHÈSE DES PROTÉINES : LA TRADUCTION............................................................. - 107 - A. ÉLÉMENTS NÉCESSAIRES À LA SYNTHÈSE................................................................................ - 107 - 1. Ribosomes............................................................................................................................................ - 107 - 2. ARNm.................................................................................................................................................. - 107 - 3. Acides aminés et ARNt........................................................................................................................ - 108 - 4. Facteurs protéiques............................................................................................................................... - 108 - 5. Énergie................................................................................................................................................. - 108 - B. BIOSYNTHÈSE................................................................................................................................... - 109 - 1. Initiation............................................................................................................................................... - 109 - 2. Élongation............................................................................................................................................ - 109 - 3. Terminaison.......................................................................................................................................... - 111 - RÉFÉRENCES:............................................................................................................................................. - 1 - CHAPITRE 1 : INTRODUCTION À LA BIOLOGIE CELLULAIRE I. DÉFINITION - HISTORIQUE La principale caractéristique commune à tous les êtres vivants c’est qu’ils sont tous constitués par une ou plusieurs cellules : de petites unités entourées d'une membrane, remplies d'une solution aqueuse riche en produits chimiques et capables de se reproduire en se divisant en deux. La biologie cellulaire est la science qui étudie la structure, le fonctionnement et le comportement de ces cellules qu’elles soient de type animal, végétal ou bactérien. L'historique de la biologie cellulaire est étroitement lié à celui de la microscopie. La taille des cellules étant trop petite pour être observées à l'œil nu, leur découverte n'a été possible qu'après l’invention de la microscopie au cours du XVIIème Siècle. En observant un fragment de liège au microscope, Robert Hooke (1665) a constaté que ce tissu végétal est criblé de petites cavités auxquelles il donna le nom de " cellules " (cellula = petite chambre). De son côté, van Leeuwenhoek a décrit les premières cellules vivantes en observant des microorganismes à l’aide de son microscope. Mais l'étude des cellules n'a progressé véritablement que vers le début du XIXème Siècle suite à l’utilisation de microscopes de plus en plus perfectionnés. Ainsi, plusieurs chercheurs ont pu décrire des cellules dans des organismes variés, aussi bien animaux que végétaux. En 1838-1839, le botaniste SCHLEIDEN et le zoologiste SCHWANN énoncèrent la « théorie cellulaire » selon laquelle, tous les êtres vivants animaux et végétaux sont constitués de cellules et que la cellule est l'unité structurale de la vie. En 1858, VIRCHOW a complété ce concept en proclamant que toute cellule proviendrait nécessairement d’une cellule préexistante. II. PRINCIPES DE LA THÉORIE CELLULAIRE La théorie cellulaire est basée sur trois principes : 1er) Tous les êtres vivants sont constitués de cellules : La cellule est l’unité fondamentale de tous les organismes vivants. On distingue deux classes principales de cellules, initialement définies selon qu'elles contiennent ou non un noyau : les Procaryotes et les Eucaryotes. Les Procaryotes (Pro = primitif ; caryon = noyau) possèdent une structure très simple et sont généralement unicellulaires. Les Eucaryotes (Eu = vrai) ont une structure cellulaire plus complexe. Ils constituent les êtres unicellulaires (ou protistes) et les êtres pluricellulaires auxquels appartiennent les animaux, les végétaux et les champignons. 2e) Toute cellule provient d’une cellule préexistante : La génération spontanée n’existe pas : La génération spontanée, c'est l'idée que les êtres vivants proviendraient de la matière inerte (non vivante). Cette idée était devenue une théorie qui a été acceptée pendant plusieurs siècles. Il a fallu attendre le milieu du XIXème siècle pour réfuter cette théorie, notamment par Louis Pasteur. Parmi ses expériences (Figure 1-1), Pasteur a fait bouillir des solutions nutritives placées dans des flacons dits à "col-de-cygne". Après refroidissement, la solution reste limpide dans le flacon laissé intact (lot 1 : témoin). Cela signifie qu'il n'y a pas apparition de microorganismes (à partir de la matière inerte). Dans le lot 2, Pasteur a brisé le col du flacon ; le liquide est devenu trouble car il a été infecté par des microorganismes. Ces microorganismes, provenant de l'air, n'ont pas contaminé la solution du lot 1 car ils ont été emprisonnés au niveau de la courbure inférieure du col. Pasteur a montré ainsi que la génération spontanée n'existe pas. Il a confirmé la proposition de Virchow selon laquelle toute cellule provient nécessairement d’une cellule préexistante. Figure 1-1 : Expérience de Louis PASTEUR (1861-62) montrant que la génération spontanée n'existe pas. Toute cellule provient d’une cellule mère : La cellule mère se divise en deux cellules filles qui lui sont identiques. Cette division cellulaire est appelée Bipartition chez les procaryotes et Mitose chez les eucaryotes. Les êtres vivants pluricellulaires proviennent également d’une seule cellule : C’est la cellule-œuf (ou zygote) issue de la fécondation d'un gamète femelle par un gamète mâle. Le zygote se divise pendant le développement embryonnaire pour aboutir à la formation de plusieurs types de cellules différenciées. Cette différenciation permet la formation de tissus et d'organes différents qui ont des fonctions spécialisées. 3e) La cellule est la plus petite unité de vie : Toute cellule, qu’elle soit procaryote ou eucaryote constituant un être unicellulaire ou pluricellulaire, représente la plus petite structure capable de manifester les caractéristiques universelles communes à toute vie sur Terre. Ainsi, toute cellule est entourée par une membrane plasmique qui lui permet de maintenir son intégrité et d’absorber sélectivement de la matière de son environnement. La cellule transforme cette matière première en la métabolisant pour en tirer à la fois les éléments constitutifs de base et l'énergie nécessaires qui lui permettent de s’organiser et de se développer. Elle rejette les matériaux restants comme déchets. La cellule a également la capacité de se reproduire. Pendant la -2- reproduction, elle transmet aux cellules filles l’information génétique spécifique qu'elle contient dans son ADN. La réplication de l’ADN, la transcription de l’ARN et la traduction en protéine se font également de la même manière dans toutes les cellules. III. ORGANISATION GÉNÉRALE DE LA CELLULE Les deux types fondamentaux de l’organisation cellulaire, procaryotes et eucaryotes, ont en commun la présence d’une membrane plasmique qui délimite un cytoplasme dans lequel il y a l’information génétique sous forme d’ADN et des ribosomes. Mais ils comportent des différences essentielles. A. LES PROCARYOTES Les procaryotes sont divisés en deux groupes : les archéobactéries (ou archées) et les eubactéries (ou bactéries). Les archéobactéries sont souvent des extrémophiles qui peuvent vivre dans des milieux extrêmes de salinité (halophiles), d'acidité (acidophiles), de température (thermophiles),... Les eubactéries sont plus nombreuses ; elles comprennent les bactéries et les cyanobactéries (appelées également algues bleues). Les procaryotes sont des cellules de petite taille (0,2 à 10 µm) consistant en un seul compartiment entouré par une membrane plasmique. Ils ne possèdent pas d’organites bien définis tels que mitochondries, chloroplastes, réticulum endoplasmique, appareil de Golgi ou lysosomes (Figure 1-2). Leur cytoplasme contient des ribosomes (70S) plus petits que ceux des eucaryotes (80S). À la place du noyau, ils ont un seul chromosome appelé Nucléoïde formé d’une double hélice d’ADN circulaire. Le nucléoïde est en contact direct avec le cytoplasme ; il n’y a ni membrane nucléaire ni nucléole. Les cellules procaryotes sont généralement entourées d’une paroi cellulaire et n'ont pas de cytosquelette élaboré. Leur division se fait par une simple bipartition. Figure 1-2 : Schéma d’une bactérie. La Figure 1-2 montre la structure de base qui existe dans toutes les cellules procaryotes. Mais ces dernières peuvent avoir des morphologies variables. Ainsi, en fonction des espèces, leur forme peut être sphérique, en bâtonnet, ou en spirale. Pour se déplacer, certains procaryotes possèdent un ou -3- plusieurs flagelles (de structure différente de celle des flagelles des eucaryotes). D’autres bactéries contiennent plusieurs prolongements sous forme de cils appelés pili (pluriel de pilus) qui sont souvent impliquées dans l'adhérence à la surface d'autres cellules. À noter également que, en plus de leur chromosome principal, de nombreuses bactéries possèdent des molécules d’ADN circulaires plus petites appelées plasmides qui se répliquent indépendamment du chromosome principal. Les plasmides contiennent quelques dizaines de gènes importants comme les gènes de résistance aux antibiotiques. Les procaryotes les plus grands et les plus complexes sont les cyanobactéries (Figure 1-3). Elles sont autotrophes grâce au phénomène de photosynthèse qui se déroule au niveau de leurs membranes intracytoplasmiques contenant des pigments chlorophylliens. Ces membranes ressemblent beaucoup aux membranes thylakoïdales des chloroplastes des cellules végétales eucaryotes (voir Chloroplastes). paroi bactérienne membrane plasmique Gouttelettes lipidiques membranes intracytoplasmiques (pigments chlorophylliens) cytoplasme Nucléoïde ribosomes Figure 1-3 : Schéma d’une cyanobactérie. B. LES EUCARYOTES Ils comprennent les protistes, les animaux, les végétaux et les champignons. Les eucaryotes sont généralement beaucoup plus grands que les bactéries (environ 10-100 μm de diamètre). Les cellules eucaryotes, comme les cellules procaryotes, sont entourées d’une membrane plasmatique. Cependant, elles contiennent également des membranes internes qui délimitent des compartiments spécifiques appelés organites qui baignent dans une solution aqueuse, appelée cytosol. Certains organites sont entourés de deux membranes (noyau, mitochondrie et chloroplaste). Certains organites sont communs aux différents types de cellules eucaryotes. D’autres sont spécifiques aux cellules animales ou végétales (Figure 1-4). -4- Organites communs : Le noyau, l’organite le plus grand (dans les cellules animales), contient le matériel génétique sous forme de chromosomes linéaires. Chaque chromosome comprend une seule molécule d’ADN associée à de nombreuses histones et autres protéines. Dans le noyau, il y a un ou plusieurs nucléoles où se déroule la transcription de l’ARN ribosomal (ARNr) et l’assemblage des ribosomes. Les cellules eucaryotes contiennent de nombreuses mitochondries qui sont les principaux sites de production d’ATP suite à la dégradation de molécules organiques par oxydation. Les eucaryotes possèdent un large système membranaire interne constitué par le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi. Le réticulum endoplasmique est important dans la synthèse de lipides et de protéines destinées à la sécrétion ou à différentes membranes. Il les libère d’abord à l’appareil de Golgi où elles subissent une maturation avant d’être transportées à leur destination. Les peroxysomes sont des organites spécialisés dans des réactions oxydatives de certaines substances organiques. Le cytosol contient également un cytosquelette formé de filaments protéiques qui donne à la cellule eucaryote sa force et sa rigidité et contrôle sa motilité. Il est responsable de la formation des cils et des flagelles. Différence entre cellules animales et végétales : Les cellules animales possèdent des lysosomes qui sont des organites spécialisés dans la digestion des macromolécules. À noter également la présence de centrioles dans les cellules animales, et qui sont absents chez les végétaux supérieurs. Les cellules végétales sont entourées d’une paroi pectocellulosique qui leur donne une forme rigide. Elles contiennent des chloroplastes qui leur donnent la capacité de convertir l’énergie lumineuse en énergie chimique grâce au phénomène de photosynthèse. De plus, la plupart des cellules végétales renferment une ou quelques grandes vacuoles. La vacuole, qui peut atteindre 80% du volume cellulaire, est limitée par une membrane appelée tonoplaste. Elle accumule et stocke l’eau, les ions et de petites molécules nutritives (comme les sucres et les acides aminés) transportées, à partir du cytosol, par des protéines membranaires dans le tonoplaste. Les vacuoles jouent également un rôle digestif semblable à celui des lysosomes des cellules animales. Toutes les cellules eucaryotes utilisent le même cycle cellulaire et se divisent par mitose. Cependant, la cytodiérèse (division du cytoplasme pour séparer les deux cellules filles) en fin de mitose est différente. Elle se fait par constriction de la cellule animale. Mais, à cause de la présence d'une paroi rigide dans la cellule végétale, la cytodiérèse se fait par formation d’une cloison appelée phragmoplaste. -5- Figure 1-4 : Organisation générale de la cellule eucaryote. -6- C. VARIATIONS MORPHOLOGIQUES Même si les cellules ont la même structure de base, elles n'ont pas la même morphologie. Ainsi par exemple chez un animal pluricellulaire, la morphologie de ses cellules varie à plusieurs niveaux. 1. Variation de forme La forme des cellules est très variable (Figure 1-5) ; elle est généralement adaptée à la fonction de la cellule ou imposée par la présence de cellules voisines. microvillosités. granules de glycogène noyau mitochondries invaginations Cellule Rénale Cellule Hépatique dendrites disques membranaires axone gaine de myéline flagelle Photorécepteur fibrilles Spermatozoïde Cellule de muscle strié Neurone Figure 1-5 : Exemples de variations morphologiques de cellules eucaryotes (les schémas ne sont pas à la même échelle). 2. Variation de taille La taille des cellules est extrêmement variable (exemple : bactérie de 1µm, jaune d’œuf d’autruche de 7 cm de diamètre !). Le diamètre de la plupart des cellules est compris entre quelques µm et quelques dizaines de µm. Exemple : les cellules animales entre 10 et 30 µm. Cependant, certaines cellules sont -7- spécialement grandes ; c'est le cas de certains neurones qui peuvent atteindre 1 m de long au niveau du nerf sciatique chez l'homme. 3. Variation de structure Une même cellule peut avoir une structure variable au cours de sa différenciation (modification structurale ou morphologique de la cellule). C’est le cas des globules sanguins pendant leur maturation au cours de leur passage de la moelle osseuse vers le sang. D’autres cellules comme celles de la glande mammaire, changent de structure selon qu’elles soient en activité ou au repos. D. LES VIRUS Les virus ne sont généralement pas considérés comme des êtres vivants. Ce sont des particules inanimées constituées par assemblage de macromolécules. Leur taille est plus petite que celle des bactéries (1µm) dans des vacuoles d’endocytose ou phagosomes (Figure 2-14). Bactérie pseudopodes.................................................................. vacuole de phagocytose Figure 2-14 : Phagocytose chez un polynucléaire. 2. Endocytose dépendante de récepteurs L’endocytose dépendante de récepteurs (Figure 2-15) permet la capture de macromolécules spécifiques de l’environnement. Ces macromolécules s’associent à des protéines réceptrices situées sur des sites particuliers de la membrane plasmique appelés puits recouverts. Au niveau de la face cytosolique de ces puits, il y a un assemblage de protéines notamment la clathrine et des protéines adaptatrices. Le puits recouvert s’invagine et forme une vésicule recouverte autour de la macromolécule. Le manteau formé de clathrine et de protéines adaptatrices est démantelé rapidement après la libération de la vésicule (nue) qui va fusionner ensuite avec un endosome (voir plus loin). - 33 - Récepteur spécifique MILIEU EXTRACELLULAIRE à la macromolécule Macromolécule Membrane plasmique CYTOSOL Protéines Puits recouvert adaptatrices Vésicule nue Clathrine Vésicule recouverte Figure 2-15 : endocytose dépendante de récepteurs. L’endocytose joue un rôle dans la digestion cellulaire, dans le stockage des réserves dans la cellule et dans le transit de molécules à travers des cellules épithéliales. Le transit permet le transfert des particules d’un pôle de la cellule (par endocytose) vers le pôle opposé où les particules sont libérées par exocytose. Ce phénomène est appelé transcytose. 3. Exocytose Elle permet à des substances enfermées à l’intérieur de vésicules, d’être transférées vers le milieu extracellulaire sans traverser la membrane plasmique. Les vésicules migrent d’abord vers la membrane plasmique à l’aide de microfilaments contractiles du cytosol. Les deux membranes vont s’accoler pendant la phase d’apposition puis fusionnement entre elles. Le contenu des vésicules est ensuite déchargé directement à l’extérieur de la cellule (Figure 2-16). MILIEU EXTRACELLULAIRE membrane plasmique décharge fusion apposition migration CYTOSOL membrane de la vésicule Figure 2-16 : Etapes de l’exocytose. - 34 - C. PROPRIÉTÉS DE LA SURFACE CELLULAIRE 1. Spécificité cellulaire Les cellules d’un même type ont le pouvoir de " se reconnaître " grâce à l’arrangement moléculaire spécifique de leur surface. Ainsi par exemple, si des cellules d’organes embryonnaires tels que le foie ou le rein sont mis in vitro dans un milieu pauvre en calcium, elles se dissocient. Si on mélange les cellules des deux organes en rajoutant du calcium dans le milieu, elles vont se regrouper séparément ; les cellules hépatiques entre elles et les cellules rénales entre elles. Ceci est dû à la présence de protéines (cadhérines) spécifiques intégrées dans leurs membranes. 2. Transfert d’information Chez les animaux supérieurs, la membrane plasmique joue un rôle dans les deux mécanismes fondamentaux de transmission de l’information : humorale et nerveuse. a) Transmission humorale Elle se fait par l’intermédiaire de molécules-signal comme les hormones. Ces molécules sont acheminées, à partir des cellules qui les sécrètent vers des cellules plus ou moins éloignées, par l'intermédiaire du sang et du milieu extracellulaire. Les cellules qui répondent à l’action de la molécule-signal sont appelées cellules cibles. Au niveau de la cellule cible, il y a des récepteurs spécifiques à la molécule-signal. La majorité de ces récepteurs sont des protéines intégrées de la membrane plasmique (Figure 2-17). Milieu extracellulaire molécule-signal complexe site de liaison ligand-récepteur domaine du ligand extracellulaire récepteur récepteur domaine activé membranaire domaine intracellulaire effecteur activé site exécutif effecteur Cytosol de la cellule cible réponse de la cellule Figure 2-17 : Schéma général d'un récepteur membranaire. Chaque récepteur transmembranaire contient trois domaines : Un domaine extracellulaire de reconnaissance et de fixation de la molécule-signal. Un domaine membranaire qui intervient dans le transfert du signal vers le milieu intracellulaire. - 35 - Un domaine intracellulaire qui assure la transmission du signal à un effecteur qui déclenche une série de réactions intracellulaires caractéristiques selon le type de ligand et de la cellule cible. b) Transmission nerveuse Dans les cellules nerveuses (neurones), la membrane plasmique intervient dans le transfert d'information à plusieurs niveaux (Figure 2-18). ✓ C'est au niveau de la membrane plasmique que se crée le potentiel électrique qui chemine le long de l'axone. Ce potentiel électrique est causé par l’ouverture et la fermeture de canaux ioniques qui sont des protéines transmembranaires. ✓ L’arrivée du potentiel d’action à la terminaison nerveuse provoque la sécrétion d'un neurotransmetteur par exocytose au niveau de la membrane plasmique de la fibre présynaptique. ✓ Au niveau d'une synapse (zone de contact), pour que l'information soit transmise à une cellule postsynaptique, celle-ci doit posséder des récepteurs spécifiques au neurotransmetteur. Ces récepteurs sont des protéines intégrées de la membrane plasmique. Figure 2-18 : Rôle de la membrane dans la transmission nerveuse. D. SPÉCIALISATION DE LA MEMBRANE PLASMIQUE La spécialisation est une différenciation structurale ou une transformation morphologique qui donne à la cellule une fonction particulière. 1. Microvillosités - Invaginations Les microvillosités et les invaginations permettent l’augmentation de la surface de la membrane plasmique et donc, l’augmentation des échanges avec l’extérieur (Figure 2-19). Elles se trouvent au niveau des cellules qui effectuent des échanges importants avec le milieu extracellulaire comme les entérocytes (microvillosités) et les cellules des tubules rénaux (invaginations). - 36 -............ microvillosités................................................ interdigitations................................................... mitochondries......................................................................................................................... noyau.................................................................... invaginations........................................... A............... B.. 5µ.... Figure 2-19 : Microvillosités dans des entérocytes (A) et invaginations dans des cellules rénales (B). 2. Contacts intercellulaires Dans les tissus épithéliaux d’un organisme animal, les cellules sont étroitement liées entre elles et avec la matrice extracellulaire (lame basale) par des jonctions formées à l’aide de protéines intégrées de la membrane plasmique. Ces protéines diffèrent selon le type de jonctions (Figure 2-20). Claudines jonction serrée ou étanche occludines Actine jonction adhérente Cadhérines Filaments intermédiaires desmosome jonction communicante Connexines Lame basale Hémidesmosome Adhésion focale Intégrines Figure 2-20 : Complexes de jonctions entre cellules épithéliales. - 37 - a) Jonctions serrées Dans ce type de jonctions (appelées également jonctions étanches ou " tight "), des protéines membranaires spécifiques (claudines et occludines) forment des ceintures encerclant les cellules épithéliales du côté apical. L’espace intercellulaire disparaît à ces endroits pour ne pas laisser passer de substances entre les cellules. b) Jonctions d'ancrage Ce type de jonctions assure l'attachement des cellules entre elles. Ces jonctions impliquent des protéines transmembranaires appelées cadhérines. Les cadhérines des deux cellules voisines se lient par leur domaine extracellulaire contenant du calcium. Leur queue intracytoplasmique est connectée au cytosquelette. On distingue deux types : (i) Jonction adhérente Dans ce type de jonction, les cadhérines sont reliées aux microfilaments d'actine qui forment une ceinture d'adhésion juste au-dessous des jonctions serrées. (ii) Desmosomes Au niveau des desmosomes, les cadhérines sont reliées à des faisceaux de filaments intermédiaires. Les desmosomes permettent un fort accrochage entre cellules. c) Jonctions communicantes Ces jonctions sont également appelées jonctions " Gap " ou lacunaires. Il y a formation de canaux protéiques qui permettent des échanges de petites molécules et d'ions entre les cytoplasmes des deux cellules voisines. Chaque canal est formé par des protéines transmembranaires, appelées connexines. d) Jonctions cellule-matrice Les jonctions qui attachent les cellules épithéliales à la lame basale, font intervenir des protéines membranaires intégrées appelées intégrines. Ces intégrines lient la matrice aux filaments intermédiaires dans les hémidesmosomes, et aux microfilaments d’actine dans les adhérences focales (ou jonctions de matrice cellulaire liée à l’actine). IV. BIOGÉNÈSE DE LA MEMBRANE PLASMIQUE La membrane plasmique se renouvelle continuellement (Figure 2-21). Les lipides amphiphiles sont synthétisés au niveau des membranes du réticulum endoplasmique lisse. Les protéines périphériques internes sont synthétisées par les ribosomes libres dans le cytosol. Les protéines périphériques externes et les protéines intégrées sont synthétisées par les ribosomes attachés aux membranes du réticulum endoplasmique rugueux. - 38 - MILIEU EXTRACELLULAIRE membrane plasmique vésicule polysome libre synthétisant des protéines périphériques internes A. de Golgi réticulum endoplasmique polysome attaché au réticulum polysome attaché et synthétisant des protéines au réticulum et synthétisant périphériques externes des protéines intégrées Figure 2-21 : Biogenèse des protéines membranaires. V. CONTACTS ENTRE CELLULES VÉGÉTALES Les cellules végétales sont liées entre elles par une paroi squelettique inerte, rigide et perméable qui entoure la membrane plasmique ; c’est la paroi pectocellulosique (voir Figure 1-4). Elle est composée de cellulose ( 1-4 glucoside), d’hémicellulose (hexoses, pentoses), de substances pectiques et de protéines. Elle comprend plusieurs couches. Entre deux cellules adjacentes, on trouve une lamelle moyenne de nature pectique. Formation de la paroi pectocellulosique : A la fin de la télophase, les deux cellules filles se séparent par cytodiérèse. Le phragmoplaste (matière dense protéique contenant des microtubules et des microfilaments) prend naissance dans le plan équatorial de la cellule en division (Figure 2-22). Des vésicules dérivées de l’appareil de Golgi qui contiennent des substances pectiques viennent s’installer au niveau du phragmoplaste. Celui-ci s’étend vers les parois de la cellule mère et les vésicules fusionnent entre elles et avec la membrane de la cellule mère pour former les membranes plasmiques des deux cellules filles. Leur contenu pectique se condense entre les deux membranes et constitue la paroi primitive (future lamelle moyenne). Entre les vésicules se trouvent quelquefois des tubules de réticulum endoplasmique. Des travées cytoplasmiques persistent à ces endroits et engendrent des plasmodesmes. Les plasmodesmes - 39 - ont un rôle équivalent à celui des jonctions lacunaires (gap) dans les tissus épithéliaux des cellules animales ; ils permettent aux cytosols des cellules adjacentes de communiquer directement entre eux. De part et d’autre de la lamelle moyenne, les cellules filles élaborent des coques individuelles. Ces coques passent successivement par deux étapes : la paroi primaire constituée par un dépôt de cellulose et d’hémicellulose et la paroi secondaire formée surtout par un dépôt de cellulose. phragmoplaste plasmodesmes paroi pectocellulosique membrane plasmique Figure 2-22 : Cellule végétale en fin de division : Formation de la paroi pectocellulosique et contacts entre cellules. - 40 - CHAPITRE 3 : CYTOSOL ET ORGANITES CELLULAIRES Dans une cellule eucaryote, le cytoplasme est généralement défini comme le compartiment qui existe entre la membrane plasmique et l'enveloppe nucléaire. Il contient les différents organites cellulaires qui baignent dans une phase plus ou moins liquide appelée cytosol. I. LE CYTOSOL Le cytosol est le milieu liquide interne d'une cellule à l'exclusion de tous les organites et du cytosquelette. Il représente environ 55% du volume total de la cellule. Grâce à ses nombreuses enzymes solubles, il assure la plus grande partie de l'activité métabolique de la cellule. A. COMPOSITION CHIMIQUE L’isolement du cytosol se fait par méthode de Fractionnement cellulaire. Son analyse chimique montre qu’il est constitué essentiellement par l’eau (85%) et par des protéines. Il renferme également des acides aminés, des ARN, des nucléosides, des nucléotides, des sucres, des lipides, des ions (K +, Na+, Cl-, Mg2+, …), des gaz (O2, CO2) et d'autres métabolites. Dans certains types de cellules, on peut également observer la présence de particules macromoléculaires inertes, de dimensions variables (150 à 500Å) parmi lesquelles on distingue : les globules lipidiques qui constituent des réserves de lipides (notamment dans les cellules adipeuses), et les particules de glycogène qui constituent des réserves de glucose dans les cellules animales (surtout hépatiques et musculaires). B. PROPRIÉTÉS PHYSICO-CHIMIQUES La fluidité du cytosol est variable ; lorsqu’il est très fluide, c’est un « sol » (ou plasmasol), il est en mouvement. Lorsqu’il est visqueux, c’est un « gel » (ou plasmagel). Généralement, la partie périphérique, ou ectoplasme, est gélifiée (à cause de la présence de microfilaments en réseau) et la partie centrale, ou endoplasme, est fluide. Le cytosol peut passer d’un état à l’autre (sol gel). La polymérisation et la dépolymérisation des macromolécules (notamment les microfilaments et les microtubules) seraient responsables de ces modifications de la fluidité du cytosol. C. RÔLE ET ACTIVITÉS DU CYTOSOL Le cytosol est le carrefour de plusieurs voies métaboliques et c'est le site principal pour la synthèse et la dégradation des protéines. Il est également une réserve de combustibles (glucose, glycogène, lipides...) et de matériaux de construction pour les organites cellulaires. - 41 - 1. Activités métaboliques Le cytosol contient de nombreuses enzymes solubles assurant la plus grande partie de l'activité métabolique de la cellule. Il s'agit de réactions chimiques de dégradation (catabolisme) et de synthèse (anabolisme) de différentes molécules organiques. Ces réactions sont fondamentales pour fournir l'énergie et les matériaux nécessaires au fonctionnement et à la survie de la cellule. Nous allons prendre en exemple le métabolisme du Glucose qui occupe une position centrale chez les plantes, les animaux et de nombreux micro-organismes. Dans le cytosol de la cellule, le glucose se transforme d’abord en Glucose -6- Phosphate qui représente un carrefour commun à plusieurs voies métaboliques (Figure 3-1). En fonction du type et des besoins de la cellule, l'une ou l'autre voie métabolique prédomine. glucose CO2 glucose-1-phosphate glucose-6-phosphate pentose-5-phosphate STOCKAGE VOIE DES PENTOSES fructose-6-phosphate glycogène GLYCOLYSE acide pyruvique O2 RESPIRATION FERMENTATION CO2 + H2O acide lactique mitochondrie Figure 3-1 : Principales voies métaboliques partant du glucose-6-phosphate. a) Voies de Dégradation du Glucose-6-Phosphate (i) Glycolyse Elle se produit dans le cytosol de la plupart des cellules. C’est une séquence de réactions qui permet la dégradation d’une molécule de glucose-6-phosphate pour donner deux molécules d’acide pyruvique (Figure 3-2). La glycolyse peut se faire en anaérobiose (absence d’oxygène). Cette voie est importante car elle permet : la libération d’énergie sous forme d’ATP : Pour une molécule de Glucose-6- dégradée, il y a un gain de 3 molécules d’ATP (4 molécules formées contre une consommée). Certains types de cellules dépendent principalement de la glycolyse pour produire l'ATP. - 42 - L’hydrolyse de l’ATP (Adénosine Triphosphate (Adénine-Ribose-℗℗℗) libère de l’énergie stockée au niveau de la liaison entre les deux derniers groupes phosphate. Cette énergie est utilisée dans différentes activités cellulaires : synthèses de substances, mouvements cellulaires et transport actif. ATP + H2O ADP + H3PO4 + Energie la formation d’acide pyruvique qui est un substrat de la respiration dans la mitochondrie. la formation du coenzyme NADH réduit, qui intervient dans plusieurs synthèses en libérant ses hydrogènes. Un coenzyme est une substance organique, non protéique, qui participe avec l’enzyme à la réaction en jouant un rôle de transporteur vis-à-vis du substrat. Exemples de coenzymes : NAD+ (Nicotinamide Adénine Dinucléotide) ; NADP+ (Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate) ; FAD (Flavine Adénine Dinucléotide). NAD+, NADP+ et FAD sont des coenzymes transporteurs d’Hydrogènes, sous leurs formes oxydées. NADH, NADPH et FADH2 sont les formes réduites. Figure 3-2 : Intermédiaires de la glycolyse. (ii) Fermentation L’acide pyruvique est un substrat dont le devenir dépend de la présence ou non d'oxygène (O2). En présence d'O2 (aérobie), le pyruvate est catabolisé au niveau de la mitochondrie. En absence d'O2 (anaérobie), il subit la fermentation au niveau du cytosol. La fermentation permet à la glycolyse de se poursuivre même en absence d'O2, en régénérant le NAD+. En effet, le NAD+ n’est pas abondant dans la cellule et il est nécessaire pour la glycolyse. Sa régénération se fait à partir de NADH soit au niveau de la mitochondrie en présence d’oxygène (voir II. Mitochondries), soit par la fermentation s’il n’y a pas d’O2. Il y a 2 types de fermentation (Figure 3-3) : - 43 - Fermentation alcoolique (ex : Levures) où l’acide pyruvique donne un alcool (éthanol) et du CO2. Fermentation lactique observée par exemple dans les cellules musculaires en manque d’O2. Dans ce cas, l’acide pyruvique se transforme en acide lactique. Figure 3-3 : Fermentation alcoolique (A) et lactique (B). (iii) Voie des pentoses Elle peut se produire sans oxygène. Il y a 2 voies : voie oxydative (Figure 3-4) et voie non oxydative. NADP + NADPH glucose-6-phosphate acide phospho-6-gluconique NADP+ NADPH CO2 pentose-5-phosphate Figure 3-4 : voie des pentoses. Cette voie est importante car elle permet : la formation d’un agent réducteur (NADPH) nécessaire dans la synthèse des acides gras. la formation de pentoses comme le ribose qui peut être utilisé pour la synthèse des nucléotides, des acides nucléiques (ADN et ARN), ou de coenzymes tels que l’ATP, le NADH, le FADH2 et le coenzyme A. b) Synthèse de Glycogène Dans les cellules animales, le glucose-6- peut entrer dans la synthèse de glycogène appelée glycogénèse (Figure 3-5). C’est une forme de réserve de glucose qui se déroule surtout au niveau des - 44 - cellules du foie (hépatocytes) et du muscle. Cette réserve peut être employée en cas de besoin pour donner à nouveau du glucose-6-. C'est le cas lorsque l’organisme a besoin d’énergie (exemple pendant l’effort musculaire) ; le glycogène est alors dépolymérisé en glucose-1- (glycogénolyse) qui se transforme en glucose-6-. Celui-ci va se dégrader par glycolyse… Figure 3-5 : Synthèse (et dégradation) de glycogène. 2. Synthèse et dégradation protéique Dans le cytosol, les ribosomes libres (non liés aux membranes du réticulum endoplasmique) synthétisent des protéines destinées au cytosol lui-même, ou à des organites comme le noyau, la mitochondrie, le peroxysome et le chloroplaste (dans les cellules végétales). Les protéines cytosoliques, qui ne sont généralement pas dégradées dans les lysosomes, sont dégradées en petits peptides au niveau des protéasomes. Les protéasomes sont de grands complexes protéiques dans le cytosol (et également dans le noyau) qui ont une activité protéolytique. Les protéines destinées à être dégradées sont d'abord marquées par une chaine d'ubiquitines (ubiquitinylation) qui les guide vers le protéasome. 3. Stockage de graisses et de glycogène Les nutriments qui ne sont pas transformés immédiatement en énergie, sont stockés dans le cytosol sous forme de particules de glycogène (polymère de glucose) dans les cellules hépatiques et musculaires) ou de gouttelettes de lipides (triglycérides) dans les adipocytes. Ces gouttelettes lipidiques sont visibles au microscope optique. - 45 - II. MITOCHONDRIE A. CARACTÈRES GÉNÉRAUX 1. Morphologie Les mitochondries existent dans tous les cytoplasmes des cellules eucaryotes à l’exception des hématies de mammifères. Elles peuvent occuper jusqu'à 25% du volume cytoplasmique. Leur nombre est variable selon les types cellulaires et l’activité de la cellule. En général, la forme des mitochondries est sphérique (de 0,5 à 1µm de diamètre), ou allongée sous forme de bâtonnets (de 1 à 4µm de longueur et 0,3 à 0,7µm de largeur). Mais dans les cellules vivantes, les mitochondries sont dynamiques ; elles se déplacent et changent constamment de forme. En fonction des besoins de la cellule, les mitochondries sont capables de se contracter et de se déformer de manière autonome, de se diviser, ou de fusionner entre elles. 2. Composition chimique L’analyse globale d’une fraction mitochondriale isolée par méthode de Fractionnement cellulaire donne la constitution suivante : 66 à 70% d’eau ; 22% de protéines (de structure et enzymatiques) ; 11% de lipides et le reste (environ 1%) correspond à des nucléotides (ATP, ADP), des coenzymes (FAD, NAD+, NADP+, …), des cations (Ca++, Mg++, K+, Na+, Fe, Si, Zn, …), de l’ADN et de l’ARN. Il est à noter qu'on peut dissocier les mitochondries isolées pour obtenir des sous-fractions (membrane externe, membrane interne, matrice et espace intermembranaire) et déterminer leur composition chimique et leur rôle fonctionnel. 3. Ultrastructure Au microscope électronique, les mitochondries apparaissent formées de deux membranes qui délimitent un milieu appelé matrice (Figure 3-6A). a) Membranes Les mitochondries sont limitées par 2 membranes d'environ 60 Å d’épaisseur chacune, séparées par un espace intermembranaire de 80 à 100 Å. Les deux membranes ont des propriétés et des fonctions différentes. (i) Membrane externe La membrane externe constitue une enveloppe de la mitochondrie. Elle est composée d’environ 60% de protéines et 40% de lipides. Elle est librement perméable aux ions et aux petites molécules (jusqu'à 5000 daltons). Par conséquent, l'espace intermembranaire a la même composition ionique que le cytosol. - 46 - (ii) Membrane interne Elle est plus riche en protéines qui représentent 75 à 80% pour seulement 25 à 20% de lipides. Cette membrane forme des replis (invaginations) appelés crêtes mitochondriales qui s’enfoncent à l’intérieur de l’organite, augmentant ainsi la surface de la membrane interne. Les crêtes sont généralement disposées perpendiculairement au grand axe de la mitochondrie. La membrane interne est tapissée par des particules qui correspondent aux enzymes ATPases (ATP synthases) responsables de la synthèse d’ATP. Ces ATPases sont constituées de deux éléments (F0 et F1) constitués chacun de plusieurs sous unités protéiques (Figure 3-6B). F0 est incorporé dans la membrane interne, il permet le passage des protons H+. F1 est dirigé vers la matrice ; il est responsable de la synthèse d'ATP. Contrairement à la membrane externe, la membrane interne constitue une barrière de diffusion contre les ions et les petites molécules. Cependant, certains ions, notamment les protons H+, ainsi que des molécules essentielles comme l'ATP et l'ADP, peuvent la traverser via des protéines de transport spécifiques. b) Matrice C’est la substance fondamentale de la mitochondrie. Elle contient des granules denses (300 à 500 Å de diamètre) qui correspondent à l’accumulation de cations (Ca++, Mg++). On trouve des mitoribosomes plus petits que les ribosomes du cytosol. La matrice contient le matériel génétique propre aux mitochondries qui est l’ADN mitochondrial (ADNmt) sous forme de fibrilles. On trouve également des cristaux protéiques et des inclusions lipoprotéiques. membrane externe espace intermembranaire crêtes membrane interne mitochondriales granules denses matrice cytosol F1 F0 ATPase ADN mitochondrial B mitoribosomes matrice A Figure 3-6 : Schémas montrant l’ultrastructure de la mitochondrie (A) et l’organisation de l’ATPase (B). - 47 - B. RÔLE ET ACTIVITÉS PHYSIOLOGIQUES Le rôle principal des mitochondries est de fournir l’énergie biologique sous forme d’ATP au cours de la respiration cellulaire. Celle-ci comprend plusieurs étapes (Figure 3-7). pyruvate acides gras membrane externe membrane interne pyruvate acides gras acétyl CoA cycle de l'acide citrique CO2 CO 2 O2 O2 ADP + Pi ADP + Pi 2H 2O NADH, FADH2 H+ ATP ATP H+ e- H+ H+ H+ Figure.3-7 : Différentes étapes de la respiration cellulaire. 1. Oxydation des substrats Les principaux substrats pour la respiration cellulaire sont l'acide pyruvique (ou pyruvate) et les acides gras saturés. Leur oxydation, qui se déroule dans la matrice mitochondriale, est couplée à la réduction des coenzymes NAD+ et FAD qui deviennent respectivement NADH et FADH2 porteurs d'électrons très riches en énergie. a) Oxydation de l’acide pyruvique L’acide pyruvique provient du cytosol par glycolyse ou encore à partir de quelques acides aminés. En aérobiose (présence d’O2), l’acide pyruvique entre dans la matrice mitochondriale et se dégrade par oxydation pour donner l’acétyl Coenzyme A (acétyl-CoA). Il y a formation d’1 NADH par molécule d’acide pyruvique dégradée dans cette réaction. L’acétyl-CoA entre dans le cycle de Krebs (ou cycle de l’acide citrique) qui est une voie métabolique permettant la dégradation de petites molécules en CO2 (Figure 3-8). L’acétyl-CoA se lie à un substrat à 4 carbones (l’oxaloacétate) pour donner un substrat à 6 carbones (l’acide citrique). Au cours du cycle de Krebs, ce substrat à 6 carbones est dégradé en plusieurs étapes par une série d’oxydations par perte d’hydrogène (déshydrogénation). Pour chaque molécule d’acétyl-CoA qui entre dans le cycle, il y a formation de 3 NADH, 1 FADH2 et 1 GTP. - 48 - pyruvate 3C NAD+ NADH CO2 acétyl CoA 2C oxaloacétate 4C NADH citrate 6C NAD+ malate 4C isocitrate 6C fumarate 4C Cycle de NAD+ CO2 FADH2 l’acide citrique NADH FAD succinate 4C a -cétoglutarate 5C CO2 Pi NAD+ GTP NADH GDP succinyl CoA 4C Figure 3-8 : Oxydation de l’acide pyruvique : cycle de Krebs. b) Oxydation des acides gras saturés Les acides gras sont riches en hydrogènes (H3C–[CH2]n–COOH). Ils sont dégradés, dans la matrice, suite à une série de déshydrogénations par le FAD et le NAD+ qui deviennent respectivement FADH2 et NADH (Figure 3-9). Pendant la dégradation des acides gras saturés, il y a également formation d’acétyl-CoA qui entre dans le cycle de Krebs pour être oxydé et former plus de NADH et FADH2. Figure 3-9 : oxydation des acides gras saturés : hélice de Lynen. 2. Chaîne respiratoire La chaîne respiratoire se déroule au niveau de la membrane interne de la mitochondrie. C’est une série de réactions d’oxydoréduction qui permet le transport de protons et d’électrons de NADH et de FADH2 formés pendant l'oxydation de l'acide pyruvique ou des acides gras saturés, vers l’oxygène. - 49 - Ce transport va servir à la production d'un gradient électrochimique de protons à travers la membrane mitochondriale interne. Les électrons sont transférés le long d'une série de transporteurs d'électrons qui forment la chaîne respiratoire. Parmi ces transporteurs on distingue quatre complexes protéiques (I, II, III et IV), le cytochrome C et le Coenzyme Q. La plupart de ces transporteurs sont constitués de cytochromes qui possèdent des ions métalliques (Fe ou Cu) leur permettant de capter et libérer facilement un électron. Ils alternent donc entre l'état oxydé et l'état réduit. Les étapes de la chaîne respiratoire sont représentées dans la Figure 3-10 : 1. Le NADH interagit avec le complexe I, alors que FADH2 interagit avec le complexe II. L'hydrogène des deux coenzymes est ionisé pour former des protons et des électrons : NADH → NAD+ + H+ + 2e- FADH2→ FAD + 2H+ + 2e- 2. Les électrons du NADH sont captés par le complexe I, alors que les électrons provenant du FADH2 sont captés par le complexe II. 3. Le Coenzyme Q (CoQ), appelé également ubiquinone, est un accepteur à la fois d'électrons et de protons. C'est une petite molécule hydrophobe qui se déplace dans la bicouche lipidique de la membrane interne. Il va prendre les électrons du complexe I (dans le cas de NADH) ou du complexe II (dans le cas de FADH2) et les transmet au complexe III. 4. Le complexe III libère les électrons au cytochrome C (CytC). 5. Le cytochrome C (CytC) est une petite protéine périphérique attachée à la membrane interne du côté de l'espace intermembranaire. Il transmet les électrons vers le complexe IV. 6. L’oxygène est le dernier accepteur d’électrons libérés par le complexe IV. Il est nécessaire pour cette étape. L’oxygène capte en même temps les protons H+ pour former de l'eau : ½O2 + 2H+ + 2e- H2O. Concomitamment avec le transfert des électrons, les protons (H+) sont transportés vers l'espace intermembranaire à travers les complexes protéiques I, III et IV qui constituent des pompes à protons. Ces pompes utilisent l’énergie libérée par les électrons au cours de leur transport. Au départ, les électrons provenant de NADH et de FADH2 sont très riches en énergie. Au cours de leur transport, à chaque transfert les électrons libèrent une petite quantité d'énergie. Cette énergie est utilisée pour pomper les protons de la matrice vers l'espace intermembranaire via les complexes I, III et IV. Il en résulte la formation d'un fort gradient électrochimique de protons H+ à travers la membrane interne (dû au potentiel membranaire et également à la différence de pH entre les deux côtés de la membrane interne). - 50 - 3. Phosphorylation oxydative Elle est couplée à la chaîne respiratoire (Figure 3-10). C'est l'ADP qui est phosphorylé par addition d'un phosphate inorganique (Pi) pour former l'ATP : ADP + Pi + énergie → ATP + H2O. Cette réaction est catalysée par l’enzyme ATP synthase (ATPase) qui se trouve dans la membrane interne de la mitochondrie. L'énergie nécessaire est fournie par le gradient électrochimique qui exerce une force appelée "force proton-motrice". Cette force va pousser les protons H+ à retourner dans la matrice (dans le sens de leur gradient électrochimique). Ce retour se fait à travers l'unité F0 de l’ATPase qui joue le rôle de canal pour H+. Il s'ensuit l'activation de l'unité F1 de l’ATPase permettant la production de l'ATP (chaque ATP synthase peut produire environ 400 molécules d’ATP par seconde !). Figure 3-10 : Chaîne respiratoire et phosphorylation oxydative. Ainsi, grâce à la respiration cellulaire, l'énergie contenue au départ dans le glucose, les acides gras et autres nutriments, est finalement captée dans les molécules d'ATP. Pour chaque paire d'électrons qui passe de NADH vers l'O2, on estime qu'il y a formation d'environ 2,5 molécules d'ATP. Alors qu'une paire d'électrons provenant de FADH2 ne donne que 1,5 ATP. Remarques : − Echanges gazeux : Au cours de la dégradation de l’acide pyruvique par le cycle de Krebs, le CO2 est dégagé et, à la fin de la chaîne respiratoire, l’O2 est absorbé. L’importance du métabolisme cellulaire peut être connue par l’intensité de ces échanges gazeux. Plus les échanges sont fréquents, plus l’ATP formé au cours de la respiration cellulaire serait important et plus la cellule serait active. - 51 - − En absence d’oxygène, les transferts d’électrons n’ont pas lieu et la phosphorylation s’arrête. Le cycle de Krebs serait arrêté également puisque les coenzymes accepteurs d’H2 resteraient à l’état réduit (NADH et FADH2). C. MATÉRIEL GÉNÉTIQUE DES MITOCHONDRIES La mitochondrie possède plusieurs molécules d’ADNmt dans sa matrice. L’ADN mitochondrial est circulaire et de petite taille. Il est différent de l’ADN (nucléaire) de la même cellule. L'ADNmt porte une information génétique codant pour des ARN mitochondriaux et pour quelques protéines synthétisées au niveau des mitoribosomes. La mitochondrie est considérée comme un organite semi - autonome puisqu’elle synthétise une partie de ses propres protéines. Mais la majorité des protéines mitochondriales est codée par l’ADN nucl?
