Polycopié Biologie Cellulaire Cours (Tome 1) PDF 2020-2021

Département des Sciences Fondamentales et Appliquées Unité de Biologie Cellulaire BIOLOGIE CELLULAIRE Cours (Tome 1) La cellule : Unité structurelle et fonctionnelle Pr. L. BELQADI Année 2020 - 2021 Utilisation limitée aux étudiants de l’APESA Remerciements Nous remercions toute personne (collègue, étudiant, autre scientifique œuvrant dans le même domaine…….) ayant contribuée à l’amélioration et à l’enrichissement de ce manuel. Toute suggestion et critique constructive ne fait qu’aider à son amélioration. Professeur Alaoui Hachimi My Hachem est l’une des personnes clé dans l’élaboration de ce polycopié (tome I). Je le remercie énormément. Table des matières I CHAPITRE I : INTRODUCTION.................................................................................................. 1 A- DEFINITIONS ET ORIGINE DE LA VIE.................................................................................................. 1 B- CELLULE.................................................................................................................................... 2 C- PROCARYOTES ET EUCARYOTES....................................................................................................... 3 D- VIRUS....................................................................................................................................... 7 CHAPITRE II : LES METHODES D'ETUDE DE LA CELLULE.......................................................... 10 A- INTRODUCTION......................................................................................................................... 10 B- ETUDE MORPHOLOGIQUE............................................................................................................ 10 C- ETUDE PHYSICO-CHIMIQUE.......................................................................................................... 14 D- PREPARATION DU MATERIEL BIOLOGIQUE POUR L’OBSERVATION MICROSCOPIQUE.................................. 16 CHAPITRE III : RAPPELS SUR LA COMPOSITION CHIMIQUE DE LA CELLULE............................. 20 A- COMPOSITION CHIMIQUE............................................................................................................ 20 B- EAU........................................................................................................................................ 20 C- SOLUBILISATION........................................................................................................................ 21 D- DIFFERENTS TYPES DE LIAISONS CHIMIQUES..................................................................................... 22 E- IMPORTANCE BIOLOGIQUE DU CO2............................................................................................... 22 CHAPITRE IV : EXAMEN DES COMPOSES ORGANIQUES DE LA CELLULE.................................. 24 A- GLUCIDES (SUCRES)................................................................................................................... 24 B- LIPIDES (GRAISSES).................................................................................................................... 30 C- PROTEINES............................................................................................................................... 36 D- ACIDES NUCLEIQUES.................................................................................................................. 44 CHAPITRE I : INTRODUCTION A- Définitions et origine de la vie 1- Biologie : Le mot a été forgé par Lamark et Treviranus en 1802. Il est composé de deux mots : bios = vie et logos = doctrine. L'objet de la biologie est donc par définition l'étude de la vie. La vie n'est pas abstraite, mais elle est toujours liée à une structure organisée et se manifeste par des fonctions de cette structure qu'on appelle : être vivant. 2- Etres vivants : ce sont des structures qui présentent les caractères suivants : 1. Ils ont une plus grande organisation que les choses non vivantes. Par ailleurs, les parties qui composent un être vivant sont disposées de manière à remplir certaines fonctions. 2. Ils se reproduisent et leur reproduction assure la persistance dans le temps de l’espèce. 3. Ils peuvent grandir : ils ont donc une croissance et un développement Croissance = augmentation quantitative. Développement= évolution qualitative. 4. Ils répondent aux changements dans l'environnement. Ils ont tendance à garder leur environnement interne inchangé en dépit des changements dans l'environnement externe. La cellule présentant ces quatre caractéristiques est un être vivant à part entière. 3-Origine de la vie La vie serait apparue il y a plus de 3,5 milliards d’années. Pour la première fois, Oparin a émis les théories d’apparition de la vie : Les hypothèses: Ø il y avait très peu d’oxygène qui flotte librement dans l'atmosphère, Ø l’azote, le carbone, l’oxygène, et l’hydrogène étaient tous présents sur la terre primitive, Ø l’énergie dégagée des éclairs, des volcans, et les rayons ultraviolets ont forgé les premières molécules organiques. Stanley Miller a testé l'hypothèse d'Oparin dans les années 1950. Il a construit un appareil pour simuler les conditions d’origine de l’apparition de la vie sur terre. Les résultats des expériences dans cet appareil sont illustrés dans l’expérience de Smith (Figure 1). 1 Expérience de Smith Décharge électrique Expérience qui simule les conditions primitives sur la terre. L'eau est chauffée dans un système fermé contenant du CH4, NH3, H2, CO2, N2 et H2O. Une décharge électrique est envoyée à travers le mélange. Le résultat est la Vapeur d’eau formation de petites molécules organiques Compartiment telles que le cyanure d'hydrogène (HCN) et le Réfrigérant formaldéhyde (HCHO) qui subissent atmosphérique facilement des réactions en milieu aqueux pour former ultérieurement des molécules organiques se trouvant dans les cellules (acides Compartiment aminés, nucléotides, sucres et acides gras). océanique Chauffage Figure 1 : Expérience de Smith B- Cellule 1- Définition Au 17ème siècle, Robert Hooke (1665) a donné le nom de cellules à des cavités qu'il a pu observer dans un mince fragment de liège grâce au microscope. Cet instrument a fait son apparition à cette même époque. Au 19ème siècle (1824), Dutrochet a montré la généralité de la structure cellulaire chez le monde vivant. Mais c'est en 1939 que Schleiden et Schwann ont énoncé la théorie cellulaire qui stipule que : - Tous les organismes vivants sont constitués de cellules. - Chaque cellule possède en elle-même tous les attributs du vivant. La cellule apparaît donc comme l'unité fondamentale de la matière vivante, elle possède des structures ayant des fonctions bien définies. Il est difficile de dissocier la structure de la cellule de sa fonction. 2- Métabolisme cellulaire C’est l'ensemble des réactions chimiques qui se produisent dans la cellule. Ces réactions ont comme matériaux de base : - L’énergie : Seuls les organismes vivants ont la capacité d'extraire l'énergie de l'environnement pour construire ou maintenir leur structure. La matière inanimée ne possède pas cette capacité. Habituellement, elle se désorganise quand elle absorbe de l'énergie externe (chaleur ou lumière). - Le carbone : Il est extrait soit directement du monde minéral (CO2 de l'air ou de l'eau) ou bien indirectement du monde organique. 2 Les organismes autotrophes : fabriquent leur propre matière organique, en prélevant leur énergie du soleil. La source du carbone étant le CO2 minéral. Les organismes chimio-synthétiques ou semi autotrophes : l'énergie utilisée provient de la dégradation des molécules minérales simples H2S, NH2. Le carbone provient toujours du CO2 minéral. Les organismes hétérotrophes : prélèvent leur énergie de la dégradation des molécules organiques, qui servent en même temps de source pour le carbone. C- Procaryotes et eucaryotes 1- Procaryotes Il existe deux types de cellules : les procaryotes et les eucaryotes. Les procaryotes seraient celles qui ressemblent le plus à la cellule ancestrale. Ce sont les plus simples organismes. Leur structure est simple mais ils sont chimiquement très variés. Les cellules procaryotes ne possèdent pas de vrai noyau. a) Bactéries Les bactéries sont des procaryotes à structure cellulaire très simples. Ce sont des cellules de différentes formes de quelques micromètres. Elles possèdent souvent une coque protectrice résistante appelée "paroi cellulaire" ou mur, sous laquelle se trouve une membrane plasmique qui entoure un compartiment cytoplasmique unique contenant de l'ADN, de l'ARN, des protéines et des petites molécules (Figure 2). Des exemples de bactéries observées au microscope électronique sont présentés dans les figures 3. Mésosome Paroi Membrane plasmique Cytoplasme Ribosome Chromosome circulaire Figure 2 : Représentation schématique d'une bactérie Figures 3 : vue en microscopie électronique d’une bactérie (Escherichia coli) 3 Les bactéries peuvent être classées en trois grandes formes - forme sphérique ou ovale : les cocci (ou coques) - forme allongée (en bâtonnet) : les bacilles - forme spiralée : les spiridilles Les bactéries possèdent un matériel génétique dans un chromosome bactérien occupant le centre de la cellule appelé noyau rudimentaire ou nucléoïde. En outre, elles possèdent de l'ADN hors chromosome organisé en petits cercles appelés plasmides. Ces derniers contiennent souvent des gènes de résistance. Les plasmides s'auto-dupliquent comme le matériel génétique du chromosome lorsque la cellule se multiplie par mitose. Les bactéries peuvent se répliquer rapidement en se divisant simplement en deux cellules identiques à la cellule mère, ce phénomène est appelé Scissiparité ou fission binaire. Les principales caractéristiques de ce mode de reproduction sont : - l’augmentation de la taille de la bactérie, - le dédoublement du matériel génétique, puis séparation de ce matériel en deux parties égales, - la formation d'une paroi transversale avec l'aide du mésosome, - la séparation de la cellule mère en deux cellules filles. Dans les conditions optimales, une seule cellule peut se diviser toutes les 20 mn et donner naissance à 4 milliards de cellules en moins de 11 heures. Cette capacité de se diviser rapidement permet aux bactéries de s'adapter rapidement aux modifications de leur milieu. Deux groupes de bactéries de parenté éloignée sont distingués : Les eubactéries qui sont les formes courantes habitant dans le sol, l'eau et les organismes vivants, c'est actuellement le type qui prédomine : ü Bactéries Gram positif ü Bactéries Gram négatif ü Cyanobactéries (algues bleues) ü Bactéries pourpres photosynthétiques ü Bactéries vertes photosynthétiques (aérobies) Les archéobactéries trouvées dans des environnements inhospitaliers tels que les marais, les fonds océaniques, les eaux salées et les sources chaudes et acides : ü Bactéries anaérobies vivant dans des conditions acides chaudes (bactéries sulfureuses) ü Bactéries des milieux salins (halophiles extrêmes) ü Bactéries anaérobies réduisant le CO2 en méthane (méthanogène) b) Mycoplasmes Les mycoplasmes sont des micro-organismes procaryotes de type bactérien, dépourvus de parois. Ce sont de petits organismes qui mènent une existence de parasite des cellules animales ou végétales. Le diamètre de ces structures est de 0,1 à 0,3 µm. Ils sont constitués par une membrane qui entoure une solution (cytosol) cytoplasmique dans laquelle se trouve l'ADN qui dirige la synthèse des protéines (750 protéines au minimum pour qu'une cellule survive). Ce matériel génétique n'est pas isolé dans le cytosol. 4 2- Eucaryotes On pense que les organismes anaérobies avec lesquels la vie aurait commencé, ont en partie disparu avec l'abondance de l'oxygène sur terre dégagée. Certains organismes ont survécu dans les milieux où l'oxygène est absent. D'autres organismes auraient découvert une stratégie de survie en s'associant en symbiose à des cellules capables d'utiliser l'oxygène (les cellules aérobies). C'est l'explication la plus plausible de l'apparition de la cellule eucaryote actuelle. Les cellules eucaryotes par définition, et contrairement aux procaryotes, possèdent un vrai noyau qui contient presque la totalité du matériel génétique. Ce noyau est entouré par une double membrane qui stocke et isole le matériel génétique dans un compartiment. La cellule eucaryote est théoriquement divisée en deux grands compartiments : a- Le compartiment externe contient tous les organites qui sont (ou peuvent être) en contact avec le milieu extérieur : 1- la membrane plasmique. 3- l'appareil de Golgi 5- les vésicules 2- le réticulum endoplasmique 4- l'enveloppe nucléaire. b- Le compartiment interne comprend les organites qui n'ont pas de contact direct avec le milieu extérieur : 1- les mitochondries 3- les ribosomes 5- les plastes 2- le noyau 4- le cytosquelette 6- l’hyaloplasme Les avantages de la compartimentation sont : 1. La division du travail. 2. La spécialisation des organites. 3. La réalisation des conditions optimales pour les réactions chimiques. Contrairement aux cellules procaryotes, les cellules eucaryotes possèdent des organites qui remplissent différentes fonctions (Figures 4 et 5) : Membrane plasmique : caractérisée par une perméabilité sélective. Elle permet des échanges contrôlés entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire. Paroi cellulosique : caractéristique des cellules végétales. Elle entoure et protège la membrane plasmique. Noyau : dirige la croissance, la multiplication et les fonctions cellulaires. Enveloppe nucléaire : contrôle les échanges entre le noyau et le cytoplasme. Nucléoplasme : contient, entre autres, les précurseurs chimiques des acides nucléiques. Chromosomes : visibles au cours de la division cellulaire. Ils sont porteurs du code génétique et dirigent l'ensemble des processus cellulaires. Nucléoles : sont à l'origine de la synthèse des ribosomes. Cytoplasme : site de la plupart des processus métaboliques, il exécute les instructions émises par le noyau. Hyaloplasme : contient diverses substances chimiques nécessaires à la vie de la cellule et offre le milieu aqueux requis à leurs interactions. Vacuoles : accumulent des réserves ou des produits de déchet. Mitochondries : organites où se font les oxydations cellulaires et la production d'énergie. 5 Plastes : caractéristiques des cellules végétales; certains (les chloroplastes) servent à la photosynthèse; d'autres permettent l'entreposage de diverses substances. Appareil de Golgi : permet le transport, la maturation et l'accumulation des produits de sécrétion de la cellule. Centrioles : caractéristiques des cellules animales ; forment les pôles du fuseau achromatique, lors de la division cellulaire. Réticulum Endoplasmique : offre les surfaces nécessaires à un grand nombre de réactions. Ribosomes : se trouvent dans le cytoplasme et à la surface d'une partie du réticulum endoplasmique où ils participent à la synthèse des protéines. Lysosomes : accumulent les enzymes impliquées dans les digestions intracellulaires. Filaments d’actine Peroxysome Ribosome dans le cytosol Appareil de Golgi Microtubule Filaments intermédiaires Centrosome avec une paire de centrioles Membrane plasmique Chromatine Nucléole Pore nucléaire Noyau Enveloppe nucléaire Réticulum endoplasmique Vésicules Mitochondrie Lysosome Figure 4 : Principaux éléments d’une cellule animale 6 Lysosome Vacuole Filaments d’actine Ribosomes Chloroplaste Peroxysome Vacuole Microtubule Paroi cellulaire Pore nucléaire Chromatine Membrane plasmique Mitochondrie Appareil de Golgi Réticulum endoplasmique Noyau Figure 5 : Principaux éléments d’une cellule végétale D- Virus Un virus est un parasite obligatoire car il n’a pas de métabolisme propre et colonise le milieu intracellulaire de la cellule hôte pour se multiplier. Cette dernière peut être une cellule animale, végétale ou bactérienne (le virus est appelé bactériophage dans ce cas). Le virus est composé d'une molécule d'acide nucléique entourée d'une coque de protéines appelée la capside et parfois d'une enveloppe. Les virus sont classés selon la nature de l’acide nucléique de leur génome (ADN, ARN, simple ou double brin). § Les adénovirus constituent une classe de virus à ADN dans laquelle se trouvent les virus responsables des pharyngites, de certaines conjonctivites ou de pneumopathies. § Les rétrovirus forment une classe de virus à ARN spécifique des eucaryotes dont la propagation nécessite la conversion de l’ARN en ADN double brin qui s’intègre dans le génome de la cellule hôte. La capside est constituée d’un ensemble de sous-unités protéiques appelées protomères. L'ensemble capside et acide nucléique est nommé nucléocapside. La forme du virus est définie selon la façon dont les protomères s’organisent pour former la capside. Trois classes sont définies : les virus à symétrie icosaédrique, les virus à symétrie hélicoïdale et les virus à symétrie mixte. 7 Virus à symétrie icosaédrique (cubique). Ce virus présente les éléments de symétrie de l’icosaèdre : c'est un solide qui comprend 20 faces (chaque face est un triangle équilatéral ayant rigoureusement les mêmes dimensions que les autres) et 12 sommets. Forme icosaédrique Les adénovirus responsables des pharyngites, de certaines conjonctivites ou de pneumopathie, représentent le type même des virus à symétrie cubique. Virus à symétrie hélicoïdale Un exemple des virus à symétrie hélicoïdale est le Virus de la Mosaïque de Tabac (V.M.T.) qui présente une capside faite de sous unités protéiques associées en une hélice simple. L’ARN décrit lui aussi une hélice identique à celle des sous unités (Figure 6). Il est très allongé en forme de baguette creuse ; L = 3.000 Å et D = 170 Å. Ses unités de structure sont disposées en hélice, ce sont des protéines. L'acide nucléique (ARN) est inséré en hélice entre les spires de l'hélice protéique. L'ensemble constitue une nucléocapside hélicoïdale. Les unités de structures sont toutes identiques. Il n'y a qu'une seule protéine dans ce virus. Ce type de virus est un rétrovirus. Figure 6 : Structure du virus de la mosaïque du tabac 8 Virus à symétrie mixte Un exemple de ce virus est le bactériophage dont la tête est icosaédrique et la queue est à symétrie hélicoïdale. Il s’agit d’un adénovirus qui s’attaque aux bactéries. Le diamètre de la capside est de 750 Å. La queue est formée par une gaine hélicoïdale protéique entourant un axe tubulaire, elle se termine par une plaque portant des épines et des fibres caudales (Figure 7). Tête Axe tubulaire Gaine Fibres caudales Plateau Epines caudales Figure 7 : Bactériophage 9 CHAPITRE II : LES METHODES D'ETUDE DE LA CELLULE A- Introduction Les unités de mesure utilisées en biologie cellulaire sont les suivantes : 1mm = 10-3 m 1nm =10-9 m 1µm = 10-6 m 1Å (Angstrôm) = 10-10 m En général, les cellules ont des dimensions qui varient entre 7 et 20 µm. Elles sont de : Ø 7 à 10 cm pour l'acétabulaire (algue marine) et l'oeuf de l'autruche. Ø 0,2 mm pour l'oeuf humain. Ø 100 Å à 1000 Å pour les bactéries. Ø 100 Å pour une grosse molécule ou un petit virus. Ø 5 Å pour une petite molécule (acide aminé). B- Etude morphologique La cytologie utilise des méthodes et des instruments aussi divers que les domaines qu'elle explore. Mais la première préoccupation reste la distinction entre le vivant et l'inerte. A cet égard, l'outil fondamental est le microscope. Dans les conditions normales, et à 25 cm de distance, l'œil humain peut distinguer deux points distants de 0,1 mm. On dit que le pouvoir séparateur de l'œil est de 0,1 mm. La taille d’une cellule est de l'ordre de 0,01 mm donc invisible à l'œil, d'où l'utilisation du microscope. La microscopie utilise deux types d’appareils (voir pages 1 & 2 des planches) : § Le microscope photonique (utilise des photons) ou microscope optique (utilise des lentilles): permet l’observation de la structure cellulaire: tissus; cellules et gros organites. § Le microscope électronique : permet l’étude de l’ultrastructure cellulaire : détails des organites cellulaires et des macromolécules. 1- Microscope photonique a- Constitution de l'appareil Le principe du microscope photonique repose sur l’utilisation de lentilles en verre et d’une source lumineuse (photons) (voir page 1 des planches). Une source lumineuse "S" envoie des rayons sur une lentille "L1" (condensateur) qui concentre les rayons lumineux sur l'objet "O". Une 2ème lentille "L2" (objectif) donne de l'objet une image agrandie I1. Une 3ème lentille "L3 " (oculaire) reprend une partie de l'image I1 et l'agrandit en une image I2 qui est reçue par l'observateur. Cette image doit être nette. Sa netteté dépend du pouvoir séparateur du microscope qui est lui-même fonction de la source lumineuse. La source lumineuse émet des "grains" de lumière (photons) qui ont des longueurs d'ondes de 400 nm à 800 nm pour la lumière naturelle visible. Les limites du pouvoir séparateur (Ps) sont aux alentours de 400 nm = 0,4 µm. En utilisant des schémas optiques spéciaux, on peut atteindre un Ps de l'ordre de 0,2 µm. 10 G = Ps œil/ Ps microscope = 0,2 mm / 0,2 µm = x 1.000 Un grossissement de 2.000 fois peut être atteint avec des appareils perfectionnés mais la netteté de l’image s'altère. 2- différents types de microscopes photoniques a-Microscope à fond clair C'est le plus utilisé pour observer des objets transparents par transmission. Il est appelé "à fond clair" puisque l'image est véhiculée par l'ombre des structures alors que le fond est totalement transparent et apparaît clair. b- Microscope à fond noir Il est utilisé pour observer la morphologie des cellules vivantes. Il met en évidence des structures qui diffractent la lumière. Les rayons diffractés par les structures sont reçus par l'œil, alors que les rayons incidents n'arrivent pas à l'œil. Le fond apparaît donc noir. c- Microscope à contraste de phase Quand les cellules vivantes sont examinées par un microscope à fond clair, il est souvent difficile de voir le contenu cellulaire. Ceci est dû à la transparence des cellules et à l'œil humain qui détecte les contrastes par la différence dans la couleur ou dans l'intensité lumineuse. La méthode commune pour contourner cette difficulté est la coloration des cellules. Cependant, les colorants sont souvent toxiques et tuent les cellules. La technique qui est largement utilisée pour résoudre ce problème est la microscopie à contraste de phase. Le microscope à contraste de phase exploite les propriétés de réfraction de la lumière par les différentes régions des cellules vivantes. Étant donné que celles-ci ont une épaisseur et une densité différentes, leurs indices de réfraction le sont aussi. L’image obtenue au microscope à contraste de phase apparaît contrastée, car les différentes régions de la cellule ont un degré d’obscurité ou de luminosité dépendant de leur indice de réfraction. Ainsi, le noyau de la cellule, zone relativement épaisse et dense, apparaît sombre par rapport à une région voisine, plus mince et moins dense, du cytoplasme. 2- Microscope Électronique Il existe plusieurs types de microscope électronique : § Microscope électronique à transmission. § Microscope électronique à balayage. § Microscope électronique à haut voltage. a-Microscope Électronique à transmission Il a été mis au point en 1931 à la suite des travaux de Louis de Broglie. Son principe est semblable à celui du microscope optique mais la lumière est remplacée par les électrons (e-) qui ont des longueurs d'onde plus faibles. 11 Principe Les électrons, émis par une cathode, sont accélérés par une différence de potentiel de 100.000 à 200.000 V. Le faisceau est focalisé sur l’objet par deux condenseurs électromagnétiques (voir page 1 des planches). L’image de l’objet se forme sur un écran rendu fluorescent par bombardement électronique. Elle peut aussi être enregistrée sur des plaques photographiques situées sous l’écran. Cet appareil permet des grossissements de 1.000 à 300.000 X et son pouvoir séparateur est de 2 à 5 A. Conditions d’observation § Les électrons se déplacent dans le vide ; l’objet ne doit pas contenir de substances volatiles. § Les électrons ont un faible pouvoir de pénétration ; l’objet doit être très mince (0.1 µm) afin de profiter du pouvoir séparateur du microscope électronique qui est de 5 A. § L’objet est bombardé par les électrons ; il doit supporter l’échauffement. § Le contraste des objets biologiques est faible. On intègre aux structures des éléments de numéro atomique élevé (métaux lourd) qui absorbent fortement les électrons (coloration). b-Microscope Électronique à balayage Il permet d’obtenir une vue de la surface de l’échantillon. L’image est formée à partir d’électrons réfléchis par l’objet au lieu d’être absorbés. Pour cela, une tension relativement faible 20.000 à 30.000 V est utilisée. Ce sont les électrons réémis par la surface de l’objet qui sont collectés par un détecteur pour former l’image sur un écran de télévision. L’image apparaît formée de zones brillantes et de zone sombres ce qui lui donne un aspect tridimensionnel (Figure 8). La figure 9 montre une image de la tête d’une drosophile prise au microscopie électronique à balayage. Une comparaison entre les schémas optiques des microscopes photonique, électronique à transmission et électronique à balayage est présentée dans la figure 10. Figure 8 : Microscope électronique à balayage 12 Figure 9 : Vue par microscopie électronique à balayage de la tête d'une drosophile Source Source lumineuse d’électrons Condensateur Lentille Echantillon Objectif Echantillon Visualisation sur un écran Oculaire Détecteur Image observée Image sur un écran directement fluorescent Microscope Microscope électronique à Microscope électronique à photonique transmission balayage Figure 10 : Schémas optiques des microscopes : photonique, électronique à transmission et électronique à balayage c. Microscope électronique à haut voltage Utilisé pour l’observation d’objets biologiques épais (plusieurs µm) et des volumes cellulaires. Dans cet appareil, les électrons sont accélérés par une très forte tension (1 à 3 Millions de Volts) et ont un pouvoir de pénétration élevé. 13 C- Étude physico-chimique 1- Observation des cellules entières La cytochimie regroupe des réactions chimiques qui révèlent des fonctions par la formation d'un produit détectable. Cette technique utilise des réactifs spécifiques qui réagissent avec les constituants biochimiques de la cellule et forment un produit détectable par sa couleur. Elle permet de localiser les constituants chimiques sans les altérer. 2- Observation des organites Si on veut déterminer la composition chimique des organites cellulaires et connaître les réactions biochimiques qui s'y déroulent, un fractionnement (rupture de la membrane plasmique) des cellules doit être effectué. Cette étape doit se dérouler dans un tampon, elle est suivie d’une séparation des organites à partir de l'homogénat par centrifugation. La séparation des constituants cellulaires se fait sans modifier leur forme et sans perturber leur comportement physiologique. Fractionnement cellulaire Il consiste à broyer un tissu ou une culture cellulaire en suspension. Le broyage est assuré par un broyeur à haut vitesse ou un homogénéisateur dans lequel les cellules sont poussées sous pression dans un tube de Potter. Il est aussi possible de faire éclater les cellules par un choc osmotique ou par une sonication. On obtient alors un homogénat (voir page 5 des planches). Le fractionnement cellulaire est réalisé dans les conditions suivantes : Ø L’échantillon doit être mis dans une solution de saccharose isotonique au milieu cellulaire (0.25M) et à un pH tampon 7,2 à 7,4. Ø Le fractionnement doit se faire à basse température (4°C) afin d’éviter des réactions chimiques et de maintenir certains éléments cellulaires en bon état (en particulier les enzymes). Centrifugation Elle permet de séparer, à partir de l'homogénat obtenu, les fractions pures d'organites et de macromolécules en fonction de leur taille (de façon différentielle) et/ou de leur densité (en gradient de densité). La vitesse de sédimentation des particules peut être augmentée en utilisant un appareil dans lequel elles sont soumises à une force centrifuge qui permet de créer un champ gravitationnel. Cet appareil s’appelle la centrifugeuse. La force de centrifugation est exprimée en g. Les centrifugeuses qui permettent des forces supérieures ou égales 100.000 g sont appelées : ultracentrifugeuses (Figure 11). Centrifugation différentielle : les particules sont séparées en fonction de leur volume (taille) : les plus grosses particules se déposent rapidement au fond du tube alors que les petites restent en suspension dans la phase liquide (surnageant). Afin de séparer les différents organites cellulaires, une série de centrifugations est pratiquée en reprenant à chaque fois le surnageant et en le recentrifugeant à des vitesses de plus en plus élevées et pendant des durées de plus en plus longues (voir page 5 des planches). 14 Vitesse de sédimentation Temps Organites déposés 900 g 5 mn Noyaux 10.000 g 10 mn Mitochondries 100.000 g 30 mn Lysosomes Centrifugation sur un gradient de saccharose : Consiste à centrifuger l'homogénat dans un gradient de concentration croissant du haut vers le bas du tube de centrifugation. Au cours de la centrifugation, les particules contenues dans l'homogénat se répartissent tout au long du tube sous forme de bandes distinctes, en fonction de leur densité (voir page 6 des planches). Chaque type de particules se stabilise dans la zone du gradient où la densité est égale à la sienne. Généralement, un gradient de saccharose ou de chlorure de césium est utilisé. Les fractions d’organites obtenues sont isolées et étudiées. Figure 11 : Fractionnement cellulaire par centrifugation A-B A différentes vitesses B-C Par gradient de saccharose 15 3- Autoradiographie Il est possible de faire pénétrer dans la cellule des éléments radioactifs pendant la culture. Ces éléments sont utilisés par la cellule immédiatement. Ces cellules sont fixées soit à des temps variables, soit en une seule fois. Le matériel est ainsi préparé pour l'observation. Sur les préparations, une émulsion photographique (bromure d'argent en suspension dans la gélatine) est déposée. Le rayonnement β (e-) réduit ce bromure. Il en résulte un dépôt d'argent qui correspond à l'emplacement de l'élément radioactif. 4- Diffraction des rayons X (cristallographie) La structure à étudier est exposée à un fin faisceau de rayons X. Ces derniers sont diffractés par les atomes des molécules composant cette structure. Un détecteur permet le comptage des photons X. Par la mesure des angles et de l’intensité des rayons réfractés, il est possible de déterminer la position moyenne des atomes du cristal, leurs liaisons chimiques.........(Figure 12). Figure 12 : Technique de cristallographie D- Préparation du matériel biologique pour l’observation microscopique Il est possible d'observer des cellules vivantes isolées ou en couches minces montées entre lame et lamelle et dans un liquide physiologique. Les cellules sont généralement transparentes ou présentent un contraste très faible. Pour mettre en évidence des structures fines, des colorants vitaux sont utilisés (ce sont des colorants qui ne tuent pas la cellule). Mais le plus souvent, les cellules utilisées sont tuées et colorées au préalable. La préparation du matériel biologique à observer en microscopie se fait en trois étapes : 1- La fixation 2- La confection des coupes 3- La coloration 1. Fixation Elle a pour but de consolider les édifices cellulaires ; en créant de nouvelles liaisons intermoléculaires afin de minimiser les dommages de la structure cellulaire entre le moment de prélèvement du tissu et le moment d’observation. Ces liens figent les structures en place et un état de la cellule est obtenu presque identique à celui qu’elle avait au moment où elle a été fixée. Il existe deux types de fixation : § Fixation physique : consiste à congeler instantanément le matériel biologique dans l’azote liquide à - 190°C. L’objet consolidé peut être finement coupé. 16 § Fixation chimique : consiste à imprégner le tissu biologique par un produit chimique capable de former des liens entre les structures cellulaires. Beaucoup de produits sont utilisés comme fixateurs : l’alcool éthylique, l’acétone, l’acide acétique, l’acide chromique, le permanganate de K, le tétroxyde d’osmium et le glutaraldehyde. Les trois derniers sont les plus largement utilisés en microscope électronique. 2. Confection des coupes L’objet fixé doit être débité en coupes suffisamment minces. L’objet doit être consolidé c’est l’inclusion. Une fois devenu dur, il est coupé en tranches fines grâce à un appareil appelé le microtome. La confection des coupes est réalisée en 3 étapes : § la déshydratation ; § l’inclusion ; § la réalisation des coupes. a) Déshydratation Avant l’inclusion, il est nécessaire de chasser l’eau de l’échantillon. L’objet doit donc passer dans des bains d’alcool de plus en plus anhydres (70 %, 80 %, 95 % et 100 % d’alcool) remplacés par le toluène ou le xylol miscibles à la fois à l’alcool et à la paraffine. Dans le cas du microscope électronique, l’éthanol est utilisé comme substance intermédiaire entre l’alcool et la résine. b) Inclusion L’inclusion consiste à imprégner et à enrober les tissus à couper par une substance homogène pouvant devenir solide et être débitée en coupes minces. Cette substance doit être neutre (résines) ou pouvant être éliminée ultérieurement (paraffine). Dans le cas du microscope photonique, l’inclusion est réalisée avec la paraffine à chaud à 56 -57°C. Après refroidissement, on obtient un bloc qui peut être coupé finement. Ces coupes sont collées à des lames porte objet et sont déparaffinées par immersion dans des bains de xylol ensuite d’alcool et d’eau. L'imprégnation et l'enrobage par la paraffine à chaud se fait dans une étuve à 56-57 °C. Trois bains sont nécessaires et le dernier bain est coulé dans un moule. Dans la paraffine liquide, l'objet est placé et orienté avec des aiguilles chauffées. La paraffine se solidifie à l’intérieur de l'objet et autour de lui, on obtient ainsi un bloc. Ce dernier est taillé puis coupé en coupes minces par un microtome. Les coupes sont recueillies sur des lames porte-objets. Ces coupes sont opaques à la lumière. Pour qu'elles soient observables (transparentes), il faut les déparaffiner. Déparaffinage : Les lames portes objets sont enduites d'une colle neutre pour coller les coupes paraffinées. Ces lames portant les coupes sont immergées successivement dans les bains suivants : - bain de xylol. - bains de xylol + alcool = 70 % - 30 % ; 50 % - 50 % ; 0 - 100 %. - bains d'alcool + eau = 50 % - 50 % ; 0 - 100 %. 17 Dans le cas du microscope électronique, le liquide d’inclusion est à base de matières plastiques très dures à l’état polymérisé et optiquement neutres : c’est le cas des résines telles que l’araldite, l’épon et l’époxy. c) Réalisation des coupes Dans le cas du microscope photonique, les coupes de 5 à 10 µm sont réalisées à l’aide d’un microtome à lame d’acier et recueillies sur une lame porte objet en verre. Dans le cas du microscope électronique, les coupes sont réalisées à l’aide d’un ultra-microtome à couteau de verre ou de diamant. Les coupes de 100 à 1.000 A d’épaisseur sont recueillies sur une grille métallique en cuivre ou en acier (Figure 13, voir page 2 des planches). Figure 13 : Préparation des coupes d) Conservation des coupes Le meilleur conservateur des coupes est la résine. Pour remplacer l'eau des cellules par la résine, la procédure à adopter est la suivante : Les coupes doivent passer par les bains suivants : 1- Alcool + eau 3- Alcool + xylol. 5- Xylol saturé en résine 2- Alco ol 4- Xylol 6- résine liquide Les coupes seront alors conservées dans la résine. Lorsque des structures sont créées par le traitement, l'observation sera mauvaise. Ces structures artificielles sont appelées des artefacts. 18 3. Coloration Les structures ont un contraste insuffisant qui doit être renforcé par la coloration. Cas du microscope photonique : Les coupes déparaffinées sont plongées dans des colorants en solution (lugol, rouge neutre, …). Cas du microscope électronique : Coloration positive : on traite l’objet par des sels de métaux lourds (sel d’uranium ou de plomb) qui se fixent sur les structures et les rendent opaques aux électrons. Les structures paraissent sombres alors que le fond de la grille paraît clair. Coloration négative : les échantillons sont mis dans une solution opaque aux électrons (exemple acide phosphotungstique). Une goutte de la suspension est déposée sur l’échantillon. Après séchage, la substance ne pénètre pas les structures mais se dépose autour de l’objet qui paraît clair sur un fond sombre. Cette technique met en évidence de fins détails, elle est utilisée pour l’observation de petits échantillons, macromolécules, virus et organites isolés (voir page 3 des planches). Ombrage métallique : On vaporise sous vide un métal lourd sur les structures cellulaires en incidence rasante, l’ombrage est obtenu grâce à la présence de reliefs qui retiennent plus les particules métalliques. Cette technique est utilisée pour déterminer les formes et les dimensions des virus et des macromolécules et en cryodécapage (voir page 3 des planches). La technique de cryodécapage est utilisée principalement pour étudier les reliefs des membranes internes des cellules au microscope électronique. Le cryodécapage consiste à congeler instantanément les cellules puis à les fracturer sous vide avec un couteau. Le plan de fracture suit préférentiellement les lignes de moindre résistance. La surface des structures est décapée par sublimation. On effectue ensuite un ombrage métallique en incidence rasante. Les répliques métalliques obtenues sont observées au microscope électronique à transmission ou à balayage (voir page 4 des planches). 19 CHAPITRE III : RAPPELS SUR LA COMPOSITION CHIMIQUE DE LA CELLULE A- Composition chimique 1- Eléments chimiques Seize éléments sont partout présents : H, C, N, O, Na, Mg, P, S, Cl, K, Ca, Mn, Fe, Co, Cu et Zn. Par contre, certains éléments tels que le Bore, le Fluor, le Silicium et le Molybdène ne sont pas toujours présents. L'importance relative des différents éléments dans les cellules dépend de l'organisme et du milieu. 2- Composés chimiques La matière vivante est faite de corps composés d'éléments. Le premier composé est dégagé avec un chauffage de l'ordre de 100 °C : c'est l'eau. Les sels minéraux peuvent être extraits par de l'eau acidifiée. Les autres composés sont des corps comportant du carbone, ce sont des composés organiques (glucides, lipides, protéines etc.). Certains composés ont une masse moléculaire très élevée. Ils sont appelés des macromolécules (protéines et acides nucléiques) (Figure 14). Cellule bactérienne Ions, petites molécules 4 % Phospholipides2% 30% de matière ADN 1% chimique ARN 6% Protéines 15% Polysaccharides 2% Figure14 : Répartitions des composés chez Esherichia coli B- Eau 1- Importance C'est le principal constituant de la cellule. Il conditionne toute vie active, car la vie est un phénomène qui s'effectue essentiellement en milieu aqueux. Son rôle découle de ses propriétés physico-chimiques exceptionnelles : la molécule d'eau est un triangle isocèle dont le sommet est occupé par l'oxygène O et ayant un angle de 104 °. 20 2- Liaisons entre les molécules d'eau a- Forces de Van der Waals (E = 1-3 Kcal/mol) Ce sont des forces intermoléculaires. L'attraction des atomes de deux molécules est équilibrée par la répulsion de leurs électrons. Il en résulte autour de chaque atome un rayon dit de Van der Waals qui résulte de l'équilibre entre les forces d'attraction et de répulsion. Pour l'eau R = 1,2 Å pour l'hydrogène et 1,4 Å pour l'oxygène. 1,4 Å b- Liaison hydrogène (3 à 7 Kcal/mol) L'atome O2 attire plus les e- que les H. L'oxygène O2 se charge plus électronégativement et les atomes H plus électropositivement. Globalement, la molécule est neutre mais en fait elle constitue un "Dipôle" (s'oriente dans un champ électrique). Chaque pôle H positif d'une molécule attire un pôle négatif d'une autre molécule. Cette attraction électrostatique est appelée "Liaison Hydrogène (LH)". Elle est beaucoup moins solide que la liaison covalente. H H O H O (LH) H Une molécule peut se lier au maximum à quatre molécules. C'est le cas de l'eau à l'état de glace. A l'état liquide le nombre de liaisons entre les molécules d'eau varie entre deux et trois. C- Solubilisation 1- des sels minéraux Dans la cellule, les ions sont toujours à l'état hydraté vu leurs charges. Exemple : MgCl2 La cassure de la liaison ionique nécessite 5 Kcal/mole. 2- des molécules organiques Les molécules organiques qui portent un groupement fonctionnel polaire sont solubles dans l'eau étant donné la polarité. Les groupements polaires sont : - OH (alcool) - COOH (acide) - CHO aldéhyde - C=O (cétone) - NH2 (amine) Ces molécules créent des LH avec les molécules d'eau. Par contre les molécules non polaires "apolaires" portent les radicaux : -CH2 ou -CH3. Entre ces molécules et l'eau il ne peut y avoir de 21 LH. Donc, les molécules d'eau vont s'unir par les LH entre elles et repousser la substance non miscible. D- Différents types de liaisons chimiques - les liaisons fortes : sont des liaisons qu'on ne peut rompre qu'avec une énergie très grande. C'est le cas de la liaison covalente. Ces liaisons forment les molécules. C-C: 82 Kcal/mole C-H: 99 Kcal/mole O-H: 110 Kcal/mole C-O: 82 Kcal/mole C=C: 145 Kcal/mole C-N: 65 Kcal/mole N-H: 103 Kcal/mole C=O: 170 Kcal/mole - les liaisons faibles : sont des liaisons qu'on peut rompre facilement (faible énergie). C’est le cas de la : a) Liaison ionique b) liaison H c) liaison de Van der Waals 5 Kcal/mole 3 à 7 Kcal/mole 1 à 3 Kcal/mole Les liaisons fortes ont pour rôle la formation des molécules alors que les liaisons faibles ont pour rôle essentiel la stabilisation des structures moléculaires dans l'espace. Atomes Atomes Partage Transfert d’électrons d’électrons d’électrons d’électrons Liaison covalente Liaison ionique E- Importance biologique du CO2 1- Importance L'importance du CO2 découle de ses propriétés physico-chimiques. O=C=O est une molécule apolaire et pourtant c'est un gaz soluble dans l'eau. Il tend à équilibrer ses concentrations dans l'air et dans l'eau. 22 CO2 (air) 0,03 % CO2 (eau) 1,8 % 2- Rôles C'est la source ultime de carbone chez tous les êtres vivants: CO2 + H2O (CH2O) + O2 CO2 + eau Molécules organiques + O2 La respiration ou la combustion restitue le CO2 à l'atmosphère ou à l’eau : Molécule organique + O2 CO2 + eau Régulation de la concentration en ions [H+] chez les êtres vivants : Dans une cellule la [H+] doit rester plus ou moins constante. Il existe un système de régulation et c'est le CO2 qui va intervenir dans cette régulation. CO2+ H2O H2CO3 [H+] + H CO3 (ion bicarbonate) Le CO2 constitue donc un système tampon. Un système tampon est un système qui résiste au changement du pH provoqué par un apport de H+ ou OH-. 23 CHAPITRE IV : EXAMEN DES COMPOSES ORGANIQUES DE LA CELLULE A- Glucides (sucres) Les glucides ou les sucres ont trois fonctions importantes : 1- source d'énergie pour la cellule 2- constituants des acides nucléiques 3- constituants des parois rigides des cellules végétales (cellulose) et animales (chitine). Les trois types de glucides sont : - Les monosaccharides : molécules simples. - Les oligosaccharides : formés par un petit nombre de molécules. - Les polysaccharides : formés par un grand nombre de molécules. Ce sont des polymères. 1- Monosaccharides (oses) a- Définition Les oses ont pour formule générale (CH2O)n avec n = 3 à 8 (trios à octose). Ce sont des polyalcools porteurs d'une fonction aldéhyde (aldoses) ou cétones (cétoses). Les sucres les plus simples sont les trioses qui dérivent du glycérol CH2OH - CHOH - CH2OH H H O Le glycéraldéhyde (aldose) H C C C OH OH H Le dihydroxyacétone (cétose) H H H C H C C CC C H H b- Enantiomères OH O OH L’énantiomère est une forme d’isomère qui consiste en l’existence pour une même molécule de deux structures, images l’une de l’autre à travers un miroir. Ce type d’isomérie est dû à la présence dans les molécules des sucres d'un carbone asymétrique (un carbone présentant 4 substituants différents). Pour une molécule, il existe deux énantiomères (L et D). D et L sont liés à l’écriture de la molécule en Fisher. Si le OH du carbone de plus grande priorité se trouve à droite, il s’agit de l’énantiomère D. Si le OH du carbone de plus grande priorité se trouve à gauche, il s’agit de l’énantiomère L. Miroir H H C O C O H C.* OH OH C* H H C OH H C OH H H D Glycéraldéhyde L Glycéraldéhyde (L + D = énantiomères) 24 Ceci est valable pour tous les monosaccharides. Il y a une famille de corps D et une autre de corps L. Mais seule la forme D existe dans la nature. c- Epimères L’épimère d’une molécule est un isomère de cette molécule qui diffère d’elle par la position dans l’espace d’un groupement OH sur un seul carbone asymétrique. Exemple, le galactose est l’épimère du glucose en C4 (carbone en 4ème position). Le mannose est l’épimère du glucose en C2 (carbone en 2ème position). d- Isomérie du type α et β (anomères α et β) Le glucose sous forme D en solution a révélé l'existence de deux nouveaux isomères. Tous les hexoses et les pentoses présentent cette isomérie. En effet, ces sucres ne se trouvent que sous forme cyclique dans les cellules (cas du glucose) : Cyclisation en pyranne Cyclisation en furanne Cette cyclisation fait apparaître une asymétrie au niveau du carbone 1 chez le glucose et au niveau du carbone 2 chez le fructose. Le OH de cet atome peut occuper 2 positions: 1. La position α : OH du C1 (aldose) ou C2 (cétose) et le CH2OH sont de part et d'autres du plan du cycle. 2. La position β: OH du C1 (aldose) ou C2 (cétose) et le CH2OH se trouvent du même côté du plan. CH2OH 25 D glucopyranose D glucofuranose On peut avoir une cyclisation en furanne pour les pentoses (ribose et désoxyribose). Dérivés des oses Certains dérivés des oses sont des oses aminés (glucosamine, N-Acétylgalactosamine), d’autres sont des acides (acideglucuronique et acide gluconique). 26 2- Oligosaccharides L'hydrolyse de l'amidon donne des molécules de maltose qui sont formées de deux molécules de D glucose. La liaison se fait entre le carbone 1 de la première molécule et le carbone 4 de la 2ème molécule α(1-4). Cette liaison qui se fait par élimination d'une molécule de H2O est appelée liaison osidique ou glucosidique ≡ C―O―C ≡ Le maltose : ce diholoside est libéré par hydrolyse de l'amylose qui est un polymère de résidus glucose : il s'agit de l' α-D-glucopyrannosyl-(1,4)-D-glucopyrannose. Les résidus de glucose sont libérés par hydrolyse chimique ou par une enzyme : l' α-D-glucosidase. C'est un sucre réducteur puisque l'hydroxyle du carbone anomère du second glucose est libre. Le lactose : c'est le sucre du lait, propre au règne animal, synthétisé dans les glandes mammaires. Il s'agit du β -D-galactopyrannosyl-(1,4)-D-glucopyrannose. C'est le seul diholoside réducteur trouvé à l'état naturel. Le cellobiose: ce sucre provient de la dégradation de la cellulose. Il s'agit du β -D-glucopyrannosyl- (1, 4)-D-glucopyrannose. C'est donc un épimère du lactose (épimère en C4 dupremier résidu de glucose). Le sucrose = saccharose : Ce diholoside provient de la canne à sucre ou de la betterave α-D-glucopyrannosyl-(1, 2)β-D-fructofurannoside. C’est un sucre non réducteur. 27 3- Polysaccharides Ce sont des polymères très grands. Leurs monomères sont des disaccharides. a- Les polysaccharides de structure La cellulose C'est un polymère insoluble rigide et formé de 100 à 10.000 unités de βD-glucose qui sont liées par la liaison glucosidique β(1-4). Il y a alors formation de longues chaînes linéaires qui sont souvent groupées d'une manière antiparallèle et stabilisées par des liaisons hydrogènes (entre hydroxydes adjacents) ce sont des fibres cellulosiques. Rôle: Paroi des cellules végétales La chitine C'est un polymère d'un glucose aminé le (N-acetylglucosamineβ)n. Ces monomères sont liés par une liaison β(1-4). Rôle : Ce polysaccharide constitue la cuticule des arthropodes. Il forme aussi la paroi cellulaire de certains champignons. 28 b- Les polysaccharides de réserve L'amidon Il est formé de molécules de glucose sous forme d'un mélange de deux polymères. l'amylose et l'amylopectine. L'amylose (a)est un polymère de glucose α(1-4). L'amylopectine (b)est un polymère du glucose lié par des liaisons α(1-4) et des liaisons dérivées α(1-6). 29 Le glycogène Il est formé par des chaînes αD-glucose ramifiées mais encore plus ramifiées que l'amylopectine (8 à 10 résidus glucose). Cependant, il ne diffère presque pas de l'amylopectine. Liaison α (1-4) B- Lipides (graisses) C'est une classe de substances très peu soluble dans l'eau mais soluble dans les solvants organiques. Rôles des lipides : - Stockage de l'énergie chez les animaux et chez les végétaux. Pour un même poids, les lipides fournissent deux fois plus d'énergie que les glucides. - Protection mécanique (coupures, brûlures), électrique (ils empêchent le courant de passer) et thermique (ils protègent contre le froid et la chaleur). - Constituants des membranes plasmiques, Certains lipides sont des hormones, des vitamines ou des pigments. Classification : 1- Les lipides simples = Acides gras et graisses. 2- Les phospholipides. 3- Les sphingolipides. 4- Les lipides isoprenoïdes. 5- Les stéroïdes. 30 1- Acides gras et graisses a- Acides gras Propriétés : La formule générale des acides gras : R-COOH. R est une longue chaîne hydrocarbonée ayant la formule : CH3-(CH2)n-COOH (n = 11 à 39). Le groupe carboxyle est très polaire et s'ionise dans l'eau au pH intracellulaire en cédant un proton à l'eau. Alors que le radical R est fortement apolaire donc hydrophobe. Une molécule d'acide gras s'oriente dans l'eau. Le radical R fuit l'eau alors que le groupe fonctionnel carboxyle y reste. Une solution alcoolique d'acide gras ne se mélange pas à l'eau. Mais après agitation forte il se forme des gouttelettes très fines dans l'eau. L'ensemble forme une émulsion. Ces gouttelettes d'acide gras s'appellent des micelles. Agrégats de lipides Un acide gras présente un pôle hydrophile et un pole hydrophobe Si on laisse reposer l'émulsion, les micelles fusionnent et forment une bicouche lipidique semblable à celles des membranes cellulaires. Cette organisation dans l'eau est due à la présence dans la molécule d'un pôle hydrophile et d'un pôle hydrophobe. Ceci entraîne la spontanéité de cette organisation. 31 Classification: Les acides gras saturés : Le radical R ne comporte que des liaisons simples. Acide palmitique Acide stéarique Les acides gras insaturés : Le radical R comporte une ou plusieurs doubles liaisons en plus des liaisons simples Acide oléique Acide linoléique Les acides gras cétoniques : Le radical R comporte une fonction cétone. Les acides gras sont rarement libres. Ils sont combinés à un polyalcool pour former des graisses. b- Graisses (corps gras ou glycérides simples) Ce sont des glycérides dans lesquels les trois fonctions alcool d'un trialcool (le glycérol) sont le plus souvent estérifiées par des acides gras. Lorsque les trois hydroxyles sont estérifiés un triglycéride est obtenu. L’estérification de deux hydroxyles donne un diglycéride et celle d'un hydroxyle donne un monoglycéride. La liaison ester résulte de la réaction entre un alcool (OH) et un acide (COOH) par une élimination d'une molécule d'eau. 32 Dans les graisses de type triglycéride, il n'y a plus de groupe hydrophile. Ce sont donc des molécules hydrophobes. Rôle: Réserve d'énergie chez les animaux. Certaines plantes constituent aussi des réserves lipidiques : Olives, arachides, amandes, fruits et graines. 2- Phospholipides Ces lipides ont une structure voisine des glycérides simples. Deux fonctions alcools du glycérol sont estérifiées par des acides gras et la troisième fonction alcool est estérifiée par l'acide phosphorique ; on obtient un acide phosphatidique. Sigle des phospholipides = Elles sont bipolaires et forment des micelles dans l'eau. Les micelles sont stabilisées par les forces de Van der Waals qui s'établissent entre les pôles hydrophobes. Rôle : Ce sont des constituants des membranes plasmiques. Les acides phosphatidiques sont rarement libres. Ils estérifient à leur tour un amino-alcool (la choline) pour donner les lécithines. Dans tous les cas, il y a réapparition d'un pôle hydrophile (a. phosphorique amino-alcool) et d'un pôle hydrophobe (les chaînes aliphatiques des acides gras). Ces molécules sont dites amphipatiques. Lécithine Glycérol AG CH3 AG (CH2)2 +N CH3 AP Choline CH3 Choline 33 Glycolipides On appelle glycolipides les structures lipidiques contenant une partie glucidique. 3- Sphingolipides Ils diffèrent des phospholipides par l'absence du glycérol (trialcool) qui est remplacé par un amino- alcool, la sphingosine (un amino-dialcool). La sous-classe la plus importante est celle des céramides. Il s'agit de la sphingosine liée à un acide gras par une liaison amide. (24:1 ; 15) 34 Un exemple bien connu de céramide est la sphingomyéline, impliquée dans la transmission nerveuse chez les mammifères. La sphingosine est liée 1) à un acide gras par une liaison amide 2) à l'acide phosphorique par une liaison ester (lui-même estérifié avec la choline). Cette molécule, par la présence de choline est polaire. Sphingomyéline Sphingoglycolipide (cérébroside) Une céramide peut se lier à un ose et donner un glycolipide appelé cérébroside ou à un oligosaccharide pour former un ganglioside. Ces glycolipides sont très importants car ce sont des constituants de la membrane plasmique. Ils marquent l'individualité des cellules et participent à la reconnaissance entre les cellules (greffe, groupes sanguins et immunologie). Les gangliosides sont présents à hautes concentrations dans la substance grise du cerveau. Ils se trouvent aussi dans les membranes des érythrocytes. 4- Lipides isoprenoides Ce sont des dérivés de l’isoprène : Ce produit se polymérise pour donner des substances colorantes ou parfumées 35 Le géraniol, constitué de deux isoprènes, est un produit odorant: CH3 C=CH CH2 CH2 C=CH CH2OH CH3 CH3 Le carotène, un important pigment de photosynthèse végétal est un tétraterpène, de formule C40H64.Les terpènes sont des hydrocarbures résultant de la combinaison de plusieurs unités isoprène. La lutéine est utilisée par l'organisme comme un antioxydant pour protéger l'organisme des radicaux libres issus des rayonnements ultra-violets. 5- Stéroïdes Ce sont des molécules cycliques qui dérivent du cholestérol. Ce sont des hormones comme la progestérone, la testostérone et les oestrogènes, ou bien des vitamines comme la vitamine D. C- Protéines Les protéines sont les molécules les plus importantes de la cellule. Elles constituent plus de 70 % de toutes les molécules de la cellule. Elles ont deux rôles essentiels : Structural : les protéines rentrent dans la structure des organites et des membranes cellulaires. Métabolique : les enzymes, certaines hormones, les anticorps et les transporteurs de substances. Une protéine est un polymère d'acides aminés disposés en séquence bien définie. Ce qui lui confère une spécificité de structure et de fonction. Il y a une infinité de protéines qui peuvent être différentes d'un individu à l'autre et d'une espèce à l'autre. Cette infinité de protéines est construite avec 20 acides aminés dits universels. Ces vingt acides aminés se combinent et le nombre de combinaisons est pratiquement illimité. La variabilité des protéines est donc beaucoup plus grande que celle des sucres et des lipides. 36 1- Les acides aminés (AA) a- Définitions La formule générale est la suivante: NH2 R-αCH-COOH Le carbone porteur du groupement acide porte aussi le groupement amine. Ce carbone est appelé carbone α. La fonction acide carboxylique -COOH donne un proton et accepte un électron, elle se comporte comme un acide : -COOH -COO- + H+ -NH2 + H+ -NH3+ La fonction amine -NH2 donne un électron et accepte un proton, elle se comporte comme une base. Ainsi, une molécule d'acide aminé se comporte à la fois comme une base et comme un acide. C'est alors un ion double ou ion amphotère. Cette forme apparaît au pH isoélectrique (pHi). Le pHi est une caractéristique de l'acide aminé. + NH3-CRH-COO- Les 3 formes d’ionisation d’un acide aminé neutre : pH acide pH basique R– CH – COOH R– CH – COO- R– CH – COO- NH+3 NH+3 NH2 Exemple 37 b- Différents types d'acides aminés La chaîne latérale R peut être acide, basique ou neutre. Dans ce dernier cas, elle peut être hydrophile ou hydrophobe. Elle sert donc à classer les acides aminés en différentes catégories. Les acides aminés neutres: - très hydrophobes : Valine (Val), Leucine (Leu), Isoleucine (Ileu), Méthionine (Met), Phénylalanine (Phe). -faiblement hydrophobes : Glycine (Gly), Alanine (Ala) et Proline (Pro). - peu hydrophiles : Serine (Ser), Thréonine (Thr), Cystéine (Cys), Tyrosine (Tyr), Tryptophane (Try). Les acides aminés acides: Acide Aspartique (Asp), Asparagine (Asn), Acide glutamique (Glu), Glutamine (Gln) Les acides aminés basiques: Lysine (Lys), Arginine (Arg), Histidine (His) 1-Acides aminés hydrophobesnon-polaires 38 2- Acides aminés polaires non chargés 3 -Acides aminés polaires et chargés a)Acides Aminés acides 39 c) Acides aminés basiques c- Isomérie Le carbone α est un carbone asymétrique donc chaque acide aminé possède théoriquement deux isomères L et D. Cependant, seuls les isomères L sont naturels. d-Liaison peptidique Deux acides aminés peuvent se lier par une liaison chimique qui s'établit entre le groupement fonctionnel acide du premier et le groupement fonctionnel amine du second. Cette liaison s'appelle la liaison peptidique (LP). Elle forme un dipeptide. Liaison peptidique Lorsqu'un troisième acide aminé se lie à un dipeptide on obtient un tripeptide. La liaison de 2 tripeptides ou plus donne un polypeptide. 2- Les protéines Toutes les protéines possèdent des structures primaires, secondaires et tertiaires. Certaines possèdent des structures quaternaires. a- Structure primaire C'est une séquence d'acides aminés (chaînes polypeptidiques) disposés dans l'espace d'une manière caractéristique. La configuration spatiale est nécessaire à l'activité biologique. 40 Par accident, un acide aminé peut être remplacé par un autre acide aminé. Ceci produit un changement des propriétés de la protéine. Cas de l’hémoglobine : le changement d'un AA entraîne le dysfonctionnement de cette protéine et l'installation d'une maladie appelée anémie. Exemple d’une protéine à structure primaire : le glucagon est constitué de 29 acides aminés. b- Structure secondaire C'est une organisation dans l'espace. Cette structure des chaînes polypeptidiques est stabilisée par ses liaisons hydrogènes. Il y a deux catégories de structures secondaires Héliceα : C'est une structure qui est stable puisque le 1er et le 4ème AA, le 2ème et le 5ème et ainsi de suite, sont liés par les liaisons hydrogènes -C=O »»» H-N-. Les résidus R émergent du cylindre idéal dans lequel on pourrait inscrire l'hélice. Cette structure est stable puisqu'elle présente entre les groupements -C=O et -NH de chaque tour de spire le plus grand nombre de liaisons hydrogènes. Un seul AA ne participe pas à la construction de ce modèle c'est la proline dont la présence provoque soit des courbures localisées, soit le passage à la structure plissée. 41 Feuillet plissé : C'est le cas de certaines protéines fibreuses comme la fibroïne de la soie et la kératine des ongles. C'est une structure dans laquelle deux polypeptides antiparallèles admettent entre eux le plus grand nombre de liaisons hydrogènes, ils s'inscrivent dans une forme en accordéon. Les résidus R faisant saillie au-dessus ou en dessous des plans alors que les groupements amides (liaisons peptidiques) sont dans les plans. c-Structure tertiaire Les structures secondaires sont groupées ou repliées sur elles-mêmes et orientées d'une manière spécifique. Ceci donne une nouvelle structure, la structure tertiaire. Elle est stabilisée par des liaisons qui apparaissent entre les résidus mis en contact. La stabilité de ces structures est renforcée par l'établissement de deux types de liaisons : - liaisons fortes - disulfure (-S-S-) entre 2 cystéines dont les résidus sont contigus (-SH - HS-). - peptidique entre deux résidus comportant l'un une fonction acide -COOH et l'autre une fonction amine -NH2. - liaisons faibles sont les liaisons hydrogènes, les liaisons ioniques, les liaisons de Van der Waals. Protéines fibreuses La kératine des cheveux est constituée par 7 hélices en torsade. Les hélices sont tenues entre elles par des liaisons fortes et des liaisons qui apparaissent entre les radicaux des acides aminés constitutifs. 42 Protéines globulaires La plupart des protéines sont sous forme globulaire (± sphériques). Ainsi, tous les enzymes, les hormones et l'hémoglobine sont sous forme globulaire. Ces formes sont caractéristiques des protéines. Ces formes sont maintenues par des liaisons faibles et fortes. d- Structure quaternaire Cette structure n'existe que chez certaines protéines. - Cas de la capside du virus de la mosaïque du tabac : chaque sous unité est une protéine de structure globulaire. 43 - Cas de l'hémoglobine formée par quatrev sous unités liées par des liaisons faibles. D- Acides nucléiques Les acides nucléiques sont des macromolécules d’une grande importance biologique. Elles ont été initialement isolées des noyaux des cellules. On en distingue deux grands types : les acides désoxyribonucléiques (ADN) essentiellement localisés dans les noyaux des cellules et les acides ribonucléiques (ARN) dans le cytoplasme de la cellule. Les acides nucléiques comportent des sous unités appelées nucléotides. 1- Nucléotides Les unités monomériques sont appelées désoxyribonucléotides dans le cas de l’ADN et les ribonucléotides dans le cas des ARN. Chaque nucléotide comprend trois composants : l’acide phosphorique, un ose et une base. Au niveau de la structure de l’ADN et de l’ARN, l’acide phosphorique (H3PO4) possède trois fonctions acides dont un est libre et les deux autres sont estérifiées. Acide phosphorique 44 Deux types d’ose sont présents, le ribose et le 2’-désoxyribose. Ces deux sucres sont constitués de cinq atomes de carbone ou pentoses. On les numérote avec des chiffres accompagnés de l’indication ’ pour éviter des confusions avec les numérotations des bases. Le 2’-désoxyribose est un ribose dans lequel il manque un OH en 2’ (remplacé par un H). Ribose 2’ désoxyribose présent dans l’ARN présent dans l’ADN Les bases sont de deux sortes : les bases pyrimidiques (la cytosine C, la thymine T et l’uracile U) et les bases puriques (l’adénine A et la guanine G). L’ADN contient 4 bases (A, C, G et T) et l’ARN en contient aussi quatre (A, C, G et U). Pyrimidine Cytosine (Cyt) Thymine (Thy) Uracile (Ura) dans l’ADN et l’ARN dans l'ADN rarement dans l'ARN dans l'ARN 2-oxy-4-amino-pyrimidine 2,4-dioxy-5-méthyl-pyrimidine 2,4-dioxy-pyrimidine Purine Adénine(Ade) Guanine (Gua) 6-amino-purine 2-amino-6-oxy-purine 45 L’acide phosphorique est lié à l’ose par une liaison ester. Au cours de cette réaction, une molécule d’eau est éliminée entre un OH de l’acide phosphorique et le H de la fonction alcool en 5’de l’ose. L’ose est lié à la base par une liaison glycosidique, appelée b-osidique. Elle se forme par l’élimination d’une molécule d’eau entre la base purique ou pyrimidique et le OH semi acétalique situé en C1 de l’ose. L’association ose-base donne un nucléoside (Figure 15). Exemples de nucléosides exemples de nucléotides Adénosine Adénosine-5'-monophosphate = AMP Thymidine Désoxythymidine-5'-monophosphate = dTMP Figure 15 : Exemples de nucléosides et de nucléotides 2- Nomenclature Dans la nomenclature, dans le cas des nucléotides à base pyrimidique (exemple l’uracile), le nucléoside et le nucléotide correspondants sont appelés respectivement uridine (terminaison idine) et acide uridylique (idylique). Si l’ose est un désoxyribose, l’appellation est complétée en faisant précéder l’abréviation du nucléotide par la lettre « d » (désoxy). Adénosine (A)= ribose + adénine Désoxyriboadénosine (dA)= désoxyribose + adénine Dans la nomenclature des nucléotides à base purique, par exemple avec la base « adénine » le nucléoside et le nucléotide correspondants sont appelés respectivement adénosine (terminaison osine) et acide adénylique (terminaison ylique) (Tableau 1). 46 Tableau 1 : Nomenclature des principaux nucléosides et nucléotides Base Nucléoside Nucléotide Adénine Adénosine Acide adénylique Guanine Guanosine Acide Guanylique Cytosine Cytidine Acide Cytidylique Thymine Thymidine Acide thymidylique Uracile Uridine Acide uridylique 3- Structure des acides nucléiques Dans un acide nucléique, les nucléotides sont assemblés entre eux par des liaisons ester. Une molécule d’eau est donc éliminée entre un OH de l’acide phosphorique et l’H de la fonction alcool située en 3’ de l’ose. Quand l’acide phosphorique présente ses deux fonctions acides bloquées dans la fonction ester, on parle de liaison phosphodiester. Par convention, l’acide nucléique est toujours lu dans le sens de l’extrémité de 5’ (comportant un groupement phosphate) vers l’extrémité 3’ (comportant un OH libre). En comparaison avec les ARN, plusieurs caractéristiques sont propres aux ADN : L’ose : le 2’-désoxyribose est remplacé par le ribose dans le cas de l’ARN Les bases : la base T est remplacée par la base U dans le cas de l’ARN Les polymères des nucléotides : La molécule d’ADN est constituée le plus souvent de deux chaînes de nucléotides. Les ARN sont les plus souvent constitués d’un seul brin. a- Structure primaire Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides. La liaison entre deux nucléotides successifs se fait grâce à des liaisons 3'-5' phosphodiester. Un dinucléotide peut par la même liaison se lier à un autre, d’où la formation d’un polynucléotide. Donc pour connaître la structure d’un polynucléotide, il est important de connaître la séquence des bases azotées. Cette structure caractérise la molécule d’ADN : c’est la structure primaire (Figure 16). Ribos Base e Bases Ribose Liaison 3’ Pont phosphodiester d Liaison 5’ Figure 16 : Représentation d’une partie d’un brin d’ARN 47 b- Structure secondaire d’ADN L'ADN est constitué de deux brins d'acides nucléiques complémentaires et anti-parallèles. Cette double chaîne adopte une structure spatiale en double hélice dont le pas est de 3,4 nm (10 paires de bases complémentaires). Ce model structural de la double chaîne d’ADN a été proposé par Watson et Crick en 1953. L’association entre deux brins d’ADN nécessite une complémentarité stricte témoignant que les deux brins proviennent du même organisme ou de deux organismes différents ayant une parenté (Figure 17). Extrémité 5’ Extrémité 3’ Extrémité 5’ Extrémité 3’ Brin I d’ADN Brin II d’ADN Figure17 : Représentation d’une partie des deux brins d’ADN Les bases des acides nucléiques s'apparient, d’une manière complémentaire, grâce à des liaisons H (hydrogène). Il se forme trois liaisons H entre C et G et deux liaisons H entre A et T. La structure secondaire est la structure la plus stable puisqu’elle présente le plus grand nombre de liaisons hydrogène (Figure 18). Figure18 : Représentation de la structure secondaire de l’ADN 48 Plusieurs formes hélicoïdales sont possibles pour la molécule d’ADN : l’ADN à hélice droite (formes A et B) et l’ADN à hélice gauche (forme Z). La forme B est la forme la plus fréquente. c- Structure secondaire d’ARN L'ARN peut former une hélice identique à celle de l'ADN grâce à trois liaisons H entre C et G et deux liaisons entre A et U. La différence avec l'ADN est la présence d'un seul brin qui peut se replier sur lui-même. La plupart du temps, des liaisons H dites Watson-Crick sont à l'origine des structures en tige boucle. Les structures secondaires de l'ARN permettent d'obtenir des molécules plus stables, ayant une structure tertiaire donnée, donc d'avoir une fonction catalytique donnée. Figure19 : Structure en tige boucle de l’ARN 49 Références bibliographiques Alberts B., Bray D., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. 1998. Introduction à la biologie moléculaire de la cellule. 3ème édition. Médecine-Sciences. Flammarion. Alberts B., Bray D., Lewis J., Raff M., Roberts K., Watson J.D. 1994. Biologie Moléculaire de la Cellule. 3ème édition. Médecine-Sciences. Flammarion. Bolsover S. R., Hyams J.S., Shephard E.A., White H.A., Wiedemann C.G. 2006. Biologie Cellulaire et Moléculaire. 2ème édition. Edition DUNOD. ISBN. 2 10 04 93 10 8. Collection DUNOD. Lehninger A. L. 1977. Biochimie. Bases moléculaires de la structure et des fonctions. Seconde édition. Flammarion Médecine – Sciences. Oufara S. 1996. Précis de Biologie Cellulaire (Cours et exercices corrigés). Gaëtan Morin Éditeur. Maghreb. 50 Département des Sciences Fondamentales et Appliquées Unité de Biologie Cellulaire BIOLOGIE CELLULAIRE Cours (Tome 2) Support et organisation de l’information génétique Pr. L. BELQADI Année 2020 - 2021 Utilisation limitée aux étudiants de l’APESA CHAPITRE V : NOYAU DE LA CELLULE Introduction Le noyau est l’organite le plus remarquable de la cellule eucaryote. Il occupe environ 10 % du volume cellulaire total, contient l’essentiel de l’information génétique et constitue le siège principal de la synthèse de l’ADN et de l’ARN. La composition chimique du noyau dépend de la nature du tissu et de l’organe d’origine. Le noyau est généralement unique mais certaines cellules en possèdent plus (cellules hépatiques, fibres musculaires….). Dans de rares cas, les cellules sont dépourvues de noyaux (hématies des vertébrés supérieurs). Membrane externe Réticulum endoplasmique rugueux (REG) Nucléole Membrane interne Enveloppe nucléaire Communication entre l’espace Nucléoplasme périnucléaire et le REG Pore nucléaire Figure 1: Schéma tridimensionnel du noyau A- Etude des constituants nucléaires 1- Enveloppe nucléaire : le noyau est délimité par une double membrane nucléaire, percée de pores nucléaires (70 nm de diamètre) assurant les échanges nucléocytoplasmiques. Le nombre de pores est proportionnel à l’activité de la cellule. Sous unités Pores nucléaires Figure 2: Enveloppe nucléaire Figure 3 : Ultrastructure d’un pore nucléaire 50 Figure 4 : Schéma d’un pore nucléaire A : Coupe transversale B. Pore vu de face La membrane externe (7,5 nm d’épaisseur) de l’enveloppe nucléaire montre une continuité avec le réticulum endoplasmique rugueux et porte sur sa face externe des ribosomes qui interviennent dans la synthèse des protéines. La membrane interne est tapissée par une fine paroi composée de filaments, la lamina, de nature protéique. L’espace séparant les deux membranes est l’espace périnucléaire. L’épaisseur de la lamina varie de 15 à 60 nm suivant les espèces. Elle est composée de trois protéines : les lamines A, B et C. Lors de la division mitotique, les résidus sérines des lamines subissent une phosphorylation et provoquent un désassemblage de la lamina en tétramère de lamine A, B et C. La lamine C reste associée à l’enveloppe nucléaire qui se dissocie en petites vésicules. A la fin de la télophase, au moment de la reconstitution de l’enveloppe nucléaire, les lamines sont déphosphorylées. Figure 5 : Disposition des filaments de lamine sur la face interne de la membrane interne du noyau 51 Membrane externe Membrane interne Chambre externe Lamines A, B et C Noyau interphasique Télophase Ribosome Mitose Lamines dépolymérisées phosphoylées Petites vésicules de l’enveloppe nucléaire Figure 6 : Evolution de la lamina au cours de la mitose 2- Nucléoplasme : le contenu du noyau est constitué par un gel colloïdal riche en cations (Na+, Ca2+, Mg2+). Il contient des protéines solubles, des enzymes et des métabolites nécessaires à la synthèse des acides nucléiques et des nucléotides fournisseurs d’énergie (ATP, GTP, CTP, UTP). 3- Chromatine : constituée essentiellement d’ADN, de protéines basiques appelées histones, de protéines non basiques et d’ARN. Les protéines non histones et l’ARN y sont intégrés de façon moindre et transitoire. Les histones sont des protéines d’assez petite taille. Elles contiennent cinq types divisés en deux groupes principaux : les histones nucléosomiques et les histones H1. Les histones nucléosomiques (H2A, H2B, H3 et H4) sont responsables de l’enroulement de l’ADN dans les nucléosomes. H3 et H4 forment le noyau interne du nucléosome. Les histones H1 sont plus grosses que les précédents (environ 220 acides aminés au lieu de 102 à 135). Les histones, présentes chez les eucaryotes, sont associées à l’ADN par des liaisons fortes et forment des nucléofilaments ou fibres nucléosomiques. Les protéines non basiques varient selon les tissus et correspondent essentiellement à des enzymes (ADN polymérases, ARN polymérases, …) ou à des protéines régulatrices. Elles peuvent aussi participer à l’organisation de la structure de vastes régions. L’association de l’ADN aux protéines nucléosomiques entraîne l’enroulement de la molécule d’ADN autour d’un core protéique constitué d’un octamère de ces quatre histones (H2A, H2B, H3 et H4) associées deux à deux. 52 Figure 7: Constitution du nucléosome Au microscope électronique, la fibre nucléosomique ressemble à un collier de perles formé d’une succession de sous unités appelées nucléosomes séparées les unes des autres par un segment d’ADN internucléosomique. Pour un nucléosome, un octamère est entouré d’environ 150 paires de bases d’ADN. Les fibres nucléosomiques, dont le diamètre est de 10 nm, se spiralisent pour donner la chromatine condensée. Lors de la spiralisation de la fibre chromatinienne, les nucléosomes s’empilent les uns sur les autres, à l’aide de la protéine histone H1, et donnent des fibres plus condensées ou fibres 30 nm. Plusieurs repliements de ces fibres, en super hélices, aboutissent à la formation de la chromatine condensée qui à son tour après un certain degré de repliements aboutit à la formation du chromosome. 53 Figure 9 : Fibre de 10 nm au microscope électronique Figure 10 : Fibre de 30 nm au microscope électronique Figure 8: Modèle de compaction chromatinienne Il est important de noter que certaines parties de la chromatine sont fonctionnelles et correspondent à des zones d’expression de l’ADN, on les appelle zones de la chromatine active. Cette dernière, caractérisée par une structure moins compacte et faiblement condensée, constitue le siège des gènes actifs. D’autres régions de la chromatine sont inactives parce qu’elles ne correspondent à aucune activité fonctionnelle connue. Cette catégorie de chromatine correspond à une structure très compacte et très condensée de la chromatine. La forme la plus condensée de la chromatine interphasique est appelée hétérochromatine. Elle se présente sous forme de régions distinctes, fortement colorées à l’intérieur de la masse de la chromatine. Elle constitue environ 10 % d’un chromosome interphasique. Au niveau des chromosomes des mammifères, elle est typiquement concentrée autour de la région centromérique et aux extrémités des chromosomes. Le reste de la chromatine interphasique, qui est plus déroulé que l’hétérochromatine, est appelé l’euchromatine. 54 4- Nucléoles Vu au microscope photonique, le nucléole apparaît comme la structure la plus importante du noyau interphasique. Le nombre et la taille des nucléoles varient en fonction des types de cellules et de l’activité cellulaire de synthèse des protéines. Au microscope électronique, le nucléole est formé de zones à structure fibrillaire et de zones à structure granulaire plus ou moins imbriquées l’une dans l’autre. Le nucléole renferme trois composants essentiels : l’ADN, l’ARN et les protéines structurales. L’ADN sous forme de chromatine, se trouve dans la zone fibrillaire sous forme de boucles. Chaque boucle ou organisateur nucléolaire constitue le siège de la synthèse de l’ARNr 45S chez les eucaryotes. B- Rôles du noyau Le noyau contrôle l’ensemble des activités cellulaires par l’intermédiaire de l’ADN. Il est indispensable aux mouvements cellulaires, nutrition, synthèse des protéines…. L’information génétique totale stockée dans les chromosomes d’un organisme constitue son génome. Cette information est transmise au cours des divisions cellulaires, aux générations cellulaires successives. Ceci est possible parce que l’ADN a la possibilité de se répliquer (reproduire une nouvelle molécule d’ADN identique à la première). Cette activité correspond à l’activité autosynthétique du noyau. Les autres activités ou activités hétérosynthétiques prennent départ de la molécule d’ADN et aboutissent à la formation des protéines de structures et de fonctionnement : la transcription et la traduction. 55 CHAPITRE VI : SYNTHESE DE L’ADN : REPLICATION Introduction Quand une cellule mère donne naissance à deux cellules filles, il est essentiel que l’ADN des cellules filles soit identique à celui de la cellule mère. Cette copie d’ADN est donc indispensable à réaliser avant la mitose (ou division cellulaire) : c’est la réplication de l’ADN. Ainsi, en quelques heures, toutes les molécules sont répliquées; chaque "chromosome" possède ainsi son double. La réplication de l'ADN implique des vitesses de polymérisation d'environ 500 nucléotides par seconde chez les bactéries et de 50 nucléotides par seconde chez les mammifères. Les protéines qui catalysent ce processus doivent être à la fois précises et rapides. La vitesse et la précision sont atteintes au moyen d'un complexe multienzymatique qui gouverne le processus. D’autres éléments sont nécessaires à la réplication de l’ADN : la matrice d’ADN constituée par un brin parental, les nucléotides propres à l’ADN et des sels de magnésium. A- Réplication de l’ADN chez les procaryotes On dit que la réplication se fait suivant un mode semi-conservatif. Ce qui veut dire que deux nouvelles molécules d'ADN vont ainsi être construites composées chacune d'un brin de l'ancienne molécule (un des deux brins parentaux) et d'un brin nouvellement formé. A chaque réplication, les deux brins d’ADN parental se séparent et chacun de ces brins sert de matrice pour la synthèse d’un brin complémentaire. La séparation entre les deux brins d’ADN se fait grâce à la séparation des bases azotées des couples Adénine-Thymine et Cytosine-Guanine. La réplication démarre à partir d’une origine de la réplication (ou oeil de réplication), puis progresse dans les deux sens. On compare souvent cette progression de la réplication dans le sens bidirectionnel à un oeil qui s’agrandit jusqu’à ce que la réplication s’achève. L’initiation de la réplication a lieu aussi grâce à l’hélicase qui se fixe sur un site initiateur promoteur pour déspiraliser la double hélice. L’endroit où s’écartent les deux brins parentaux est appelé fourche de réplication. L’unité d’ADN où se produit la réplication est appelée le réplicon. Figure 11 : Schéma d’un œil de réplication De petites protéines (SSB chez les procaryotes) se fixent rapidement sur les brins monocaténaires et leur donnent une rigidité. Des amorces, de 3 à 10 nucléotides, se fixent sur les brins d’ADN. L’ADN polymérase se fixe sur la chaîne du brin d’ADN parental monocaténaire et démarre la synthèse du futur brin complémentaire. La réplication ne se fait pas d’une manière identique chez les deux brins d’ADN. En effet, sur l’un des brins la réplication s’effectue de manière continue, on parle de brin avancé (précoce), alors que sur l’autre brin elle s’effectue de manière discontinue, on parle de brin retardé. 56 Sur le brin avancé, la progression de la réplication se fait dans le sens 5’à3’ en utilisant comme modèle le brin d’ADN orienté dans le sens 3’à5’. Sur le brin retardé, de petits fragments d’ADN sont synthétisés, encore appelés fragments d’OKAZAKI. Les différents fragments formés sont soudés par une enzyme, l’ADN ligase, ce qui donne une chaîne continue correspondant au brin dit «tardif ». La synthèse des différents fragments

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