Biologie Cellulaire - Chapitre I - Procaryotes - 2024-2025 PDF

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Département de Pharmacie Module : Biologie Cellulaire Faculté de Médecine 1ère année de pharmacie Université de Batna 2 Année universitaire : 2024-2025 Chapitre I. Les éléments de systématique Historique de la biologie cellulaire 17e siècle : Premières découvertes Robert Hooke (1665) : Introduit le terme « cellule » après avoir observé du liège au microscope, notant les structures en forme de boîte. Antonie van Leeuwenhoek (années 1670) : Améliore la conception du microscope ; premier à observer des cellules vivantes, notamment des protozoaires et des bactéries, qu’il appelle « animalcules ». 19e siècle : Formation de la théorie cellulaire Matthias Schleiden (1838) : Propose que tous les tissus végétaux sont composés de cellules. Theodor Schwann (1839) : Étend cette idée aux animaux, ce qui mène à la formulation de la théorie cellulaire : 1. Tous les organismes vivants sont composés de cellules. 2. La cellule est l'unité fondamentale de la vie. 3. Toutes les cellules proviennent de cellules préexistantes (Rudolf Virchow, 1855). Fin du 19e siècle : Progrès en microscopie Le développement des colorants et des lentilles plus performantes permet une observation détaillée des structures cellulaires. Camillo Golgi (1898) : Découvre l'appareil de Golgi. 20e siècle : Émergence de la biologie moléculaire James Watson et Francis Crick (Découverte de l'ADN) (1953) : Décrivent la structure de la double hélice, établissant un lien entre la génétique et la fonction cellulaire. Les progrès de la microscopie électronique permettent des aperçus sur les organelles cellulaires et les structures, offrant une compréhension plus approfondie des processus cellulaires. 1 Dr. ZATOUT Asma  Département de Pharmacie Module : Biologie Cellulaire Faculté de Médecine 1ère année de pharmacie Université de Batna 2 Année universitaire : 2024-2025 Ère Moderne : Techniques et découvertes Le développement de techniques comme la microscopie à fluorescence et le génie génétique a révolutionné la biologie cellulaire. La recherche sur les cellules souches, la signalisation cellulaire et les mécanismes cellulaires continue de dévoiler la complexité de la vie au niveau cellulaire. Définition de la biologie cellulaire Le mot logos dans « biologie » signifie « étude », tandis que bio signifie « vie ». Ainsi, « biologie cellulaire » désigne littéralement l'étude des cellules, en se concentrant sur leur structure, leur fonction, leurs processus et leurs interactions au sein des organismes vivants. Elle explore comment les cellules fonctionnent, communiquent et contribuent au fonctionnement global de la vie. Il existe deux grands groupes d’organismes : les procaryotes et les eucaryotes. Les procaryotes incluent des sous-groupes comme les bactéries et les archées, tandis que les eucaryotes comprennent des sous-groupes comme les protistes, les champignons, les plantes et les animaux. Procaryotes Introduction aux Procaryotes Les procaryotes sont des organismes unicellulaires qui manquent de noyau et d'organites liés à une membrane. Ce sont l'un des deux types principaux de cellules, l'autre étant les eucaryotes. Les procaryotes sont divisés en deux grands domaines : Bactéries et Archées. I. Bactéries I.1. Définition Les bactéries sont des micro-organismes unicellulaires appartenant au groupe des Procaryotes. Elles sont généralement caractérisées par une structure cellulaire simple, sans noyau ni organites liés à une membrane, et sont généralement plus petites que les cellules eucaryotes, mesurant typiquement entre 0,2 et 05 micromètres de diamètre. Les bactéries se retrouvent dans une grande variété d'environnements, allant du sol et de l'eau au corps humain. Elles jouent des rôles essentiels dans divers processus, notamment la décomposition, le recyclage des nutriments, et même la digestion. Bien que de nombreuses bactéries soient 2 Dr. ZATOUT Asma  Département de Pharmacie Module : Biologie Cellulaire Faculté de Médecine 1ère année de pharmacie Université de Batna 2 Année universitaire : 2024-2025 inoffensives ou bénéfiques, certaines peuvent provoquer des maladies chez les humains, les animaux et les plantes. I.2. Classification des Bactéries I.2.1. Hiérarchie taxonomique Domaine : Bactéries Phylums principaux : o Proteobacteria : Groupe diversifié, incluant de nombreux pathogènes. o Firmicutes : Bactéries Gram positif, importantes dans la fermentation. o Actinobacteria : Source d'antibiotiques (ex. : Streptomyces). o Bacteroidetes : Prévalent dans le microbiote intestinal humain. Exemple : Domaine : Bactéries Phylum : Proteobacteria Classe : Gammaproteobacteria Ordre : Enterobacterales Famille : Enterobacteriaceae Genre : Escherichia Espèce : Escherichia coli I.2.2. Classification morphologique a. Formes 1. Cocci : Bactéries sphériques, exemples : Staphylococcus, Streptococcus. 2. Bacilles : Bactéries en forme de bâtonnet, exemples : Bacillus. 3. Spirilles : Bactéries en forme de spirale, exemples : spirilles rigides, spirochètes flexibles. 4. Vibrio : Bactéries en forme de virgule, exemple : Vibrio cholerae (provoque le choléra). 3 Dr. ZATOUT Asma  Département de Pharmacie Module : Biologie Cellulaire Faculté de Médecine 1ère année de pharmacie Université de Batna 2 Année universitaire : 2024-2025 b. Dispositions Isolées : Cellules individuelles. Paires (Diplococci/Diplobacilles) : Deux cellules ensemble. Chaînes (Streptococci/Streptobacilles) : Plusieurs cellules alignées. Gruppes (Staphylococci) : Groupes de cellules. Palissades : Bacilles alignés côte à côte. Figure 1. Schémas de la morphologie des bactéries. I.3. Structure des cellules bactériennes Les cellules bactériennes ont une structure simple mais distincte qui leur permet de fonctionner dans une variété d'environnements. Voici les principaux composants (fig. 2) : I.3.1. Composants essentiels (constants) I.3.1.1. Paroi cellulaire La paroi cellulaire des bactéries est composée de peptidoglycane, une structure en réseau formée d'unités répétées de N-acétylglucosamine (NAG) et de N-acétylmuramique (NAM), reliées entre elles par des chaînes de peptides. Les bactéries sont classées principalement en deux groupes : Gram positif et Gram négatif, selon la méthode de coloration de Gram développée par le chercheur Christian Gram en 1884 (fig. 3 et 4). 4 Dr. ZATOUT Asma  Département de Pharmacie Module : Biologie Cellulaire Faculté de Médecine 1ère année de pharmacie Université de Batna 2 Année universitaire : 2024-2025 Bactéries Gram positif : Elles possèdent une couche épaisse de peptidoglycane (de 20 à 80 nm) et conservent la coloration au cristal violet, apparaissant violettes sous un microscope. Bactéries Gram négatif : Elles ont une couche fine de peptidoglycane (de 2 à 7 nm) située entre une membrane externe et la membrane cellulaire. Elles ne conservent pas la coloration au cristal violet et apparaissent roses. cytoplasme Flagelles Membrane plasmique Plasmide Figure 2. représentation schématique de la structure cellulaire bactérienne. Figure 3. Comparaison des parois cellulaires des bactéries Gram positif et Gram négatif. 5 Dr. ZATOUT Asma  Département de Pharmacie Module : Biologie Cellulaire Faculté de Médecine 1ère année de pharmacie Université de Batna 2 Année universitaire : 2024-2025 Peptidoglycane Membrane plasmique Gram positif Espace périplasmique Membrane externe Peptidoglycane Membrane plasmique Gram négatif Espace périplasmique Figure 4. schéma illustrant la structure de la paroi cellulaire d’une bactérie Gram positif et d’une bactérie Gram négatif. La paroi cellulaire des bactéries remplit plusieurs fonctions essentielles : Fournit l'intégrité structurale et la forme de la cellule. Protège contre la lyse osmotique, permettant aux bactéries de survivre dans divers environnements. Joue un rôle crucial pendant la division cellulaire en fournissant la structure nécessaire à la formation des cellules filles. La paroi cellulaire peut réguler le passage des substances dans et hors de la cellule, jouant ainsi un rôle dans l'absorption des nutriments et l'élimination des déchets. I.3.1.2. Membrane cellulaire La membrane plasmique des bactéries possède une structure cruciale et remplit plusieurs rôles importants : Bicouche de phospholipides avec des protéines intégrées, y compris des protéines intégrales et périphériques. Contient des stérols dans certaines bactéries (comme les Mycoplasma) pour stabiliser la membrane. Rôles : Agit comme une barrière pour protéger l’intérieur de la cellule. Facilite le transport des nutriments et des déchets à travers des canaux et des transporteurs protéiques. 6 Dr. ZATOUT Asma  Département de Pharmacie Module : Biologie Cellulaire Faculté de Médecine 1ère année de pharmacie Université de Batna 2 Année universitaire : 2024-2025 Participe à la production d'énergie à travers la chaîne de transport des électrons. I.3.1.3. Cytoplasme Le cytoplasme est une substance gélatineuse enfermée dans la membrane cellulaire, composée d'eau, de protéines, de lipides, d'acides nucléiques, de sels inorganiques, etc. La plupart des activités métaboliques se déroulent dans le cytoplasme, et des structures sous-cellulaires comme les ribosomes, les plasmides et les granules cytoplasmiques s'y trouvent. Rôles : Site des processus métaboliques et des réactions biochimiques. Sert de milieu pour la diffusion des nutriments et des produits de déchets. I.3.1.4. Matériel génétique (Chromosome) Le chromosome des bactéries est un composant clé de leur matériel génétique. Voici ses principales caractéristiques : Composé généralement d'une seule molécule d'ADN circulaire et double brin. Contient des gènes essentiels pour la fonction cellulaire, la réplication et les voies métaboliques. Rôles : Dirige toutes les activités cellulaires et la reproduction. L'information génétique est transmise lors de la division cellulaire. I.3.1.5. Ribosomes Les ribosomes sont constitués d'ARN ribosomique (ARNr) et de protéines, formant deux sous-unités (30S et 50S) qui se combinent pour former des ribosomes 70S. Rôles : Site de synthèse des protéines ; traduit l'ARN messager (ARNm) en polypeptides. Essentiel pour la production des enzymes et des protéines structurales nécessaires au fonctionnement de la cellule. 7 Dr. ZATOUT Asma  Département de Pharmacie Module : Biologie Cellulaire Faculté de Médecine 1ère année de pharmacie Université de Batna 2 Année universitaire : 2024-2025 I.3.2. Composants facultatifs I.3.2.1. Capsule La capsule est une structure importante présente chez certaines bactéries. Elle est généralement composée de polysaccharides, bien que certaines capsules puissent contenir des protéines. rôles : Protège les bactéries contre les stress physiques et chimiques, ainsi que la déshydratation. Facilite l'adhésion des bactéries aux surfaces, ce qui est crucial pour la colonisation des tissus de l'hôte. Les bactéries avec une capsule sont souvent plus virulentes, car la capsule renforce leur capacité à provoquer des infections en évitant les réponses immunitaires (phagocytose). I.3.2.2. Flagelles Les flagelles sont des appendices longs et fins, en forme de fouet, composés de la protéine flagelline. Le flagelle est une structure cellulaire permettant aux bactéries de se déplacer dans un milieu liquide. Il est composé de trois parties : le filament, le crochet et le corps basal. Les flagelles sont ancrés dans la membrane cellulaire et la paroi par une structure complexe appelée le corps basal. Les flagelles peuvent être classés en monotriches, amphitriches, lofotriches et péritriches selon leur nombre et leur localisation (fig. 5). Fonction : Fournit la motilité, permettant aux bactéries de nager vers les nutriments ou loin des substances nuisibles. Figure 5. Arrangement des flagelles bactériens. 8 Dr. ZATOUT Asma  Département de Pharmacie Module : Biologie Cellulaire Faculté de Médecine 1ère année de pharmacie Université de Batna 2 Année universitaire : 2024-2025 I.3.2.3. Pili et Fimbriae Pili sont des structures plus longues, en forme de poils, qui peuvent être utilisées pour la conjugaison (transfert de gènes) et pour l'adhésion à des surfaces. Ils peuvent aussi être impliqués dans la motilité par secousses (twitching). Fimbriae sont des projections plus courtes et nombreuses qui aident les bactéries à adhérer aux surfaces et aux tissus hôtes. Elles jouent un rôle crucial dans la colonisation et la formation de biofilm, permettant aux bactéries de s'établir dans des environnements spécifiques et de favoriser leur survie. flagelle Figure 6. Structure des Pili et des Fimbriae chez les bactéries. I.3.2.4. Inclusions de réserve Les inclusions sont des granules ou des vésicules situées dans le cytoplasme et servant de sites de stockage pour les nutriments, les réserves d'énergie ou les produits de dégradation métabolique. Exemples : Granules de glycogène : stockage du glucose ; utilisé comme source d'énergie lors de la pénurie de nutriments. I.3.2.5. Plasmides Les plasmides sont de petites molécules d'ADN circulaires qui existent de manière indépendante de l'ADN chromosomique dans les cellules bactériennes(ADN extra chromosomique). Ces plasmides portent souvent des gènes qui confèrent des caractéristiques avantageuses, telles que la résistance aux antibiotiques, permettant aux bactéries de survivre dans des environnements difficiles. Leur capacité à se répliquer de manière indépendante permet une diffusion rapide de ces caractéristiques au sein des populations bactériennes, contribuant ainsi à la diversité génétique et à l'adaptabilité des bactéries. 9 Dr. ZATOUT Asma  Département de Pharmacie Module : Biologie Cellulaire Faculté de Médecine 1ère année de pharmacie Université de Batna 2 Année universitaire : 2024-2025 I.3.2.6. Spore La spore est un petit corps rond ou ovale qui se forme dans les bactéries en raison de la déshydratation cytoplasmique sous des conditions défavorables. Elle est entourée de plusieurs couches membranaires et possède une faible perméabilité. Seules les bactéries Gram positif peuvent former des spores, y compris des espèces comme Bacillus subtilis. Voici un résumé concis du cycle de vie des spores de Bacillus (fig. 7) : 1. Stade végétatif : Les cellules de Bacillus croissent activement et se divisent sous des conditions favorables. 2. Sporulation : ✓ Déclenchée par un stress environnemental (ex. : épuisement des nutriments, température). ✓ La cellule réplique son ADN et se divise de manière asymétrique. ✓ Une forespore se forme et est encapsulée dans une couche protectrice. ✓ La spore se déshydrate et mûrit, devenant dormante. 3. Spore dormante : La spore reste viable pendant de longues périodes, résistant à des conditions extrêmes. 4. Germination : Lorsque les conditions s'améliorent, la spore absorbe de l'eau et gonfle. La couche de spore se dégrade, et la spore revient à un état végétatif. 5. Reproduction (fission binaire) : La cellule végétative active peut croître et se diviser, poursuivant ainsi le cycle de vie. Figure 7. Le cycle de sporulation et de germination chez Bacillus subtilis. 10 Dr. ZATOUT Asma  Département de Pharmacie Module : Biologie Cellulaire Faculté de Médecine 1ère année de pharmacie Université de Batna 2 Année universitaire : 2024-2025 I.4. Métabolisme des bactéries I.4.1. Modes nutritionnels Les bactéries peuvent être classées en fonction de leurs types trophiques comme suit : I.4.1.1. Source d'énergie Phototrophes : Utilisent la lumière comme source d'énergie (ex. : Cyanobacteria). Chimiotrophes : Obtiennent leur énergie à partir de composés chimiques. I.4.1.2. Source d'électrons Lithotrophes : Utilisent des molécules inorganiques comme donneurs d'électrons. Organotrophes : Utilisent des composés organiques comme donneurs d'électrons. I.4.1.3. Source de carbone Autotrophes : Fixent le dioxyde de carbone pour produire des composés organiques (ex. : certaines cyanobactéries). Hétérotrophes : Obtiennent du carbone à partir de sources organiques (ex. : la plupart des bactéries, y compris les décomposeurs). I.4.2. Respiration Les bactéries peuvent être aérobies, anaérobies, ou les deux. Aérobies : Nécessitent de l'oxygène pour survivre (ex. : Mycobacterium). Anaérobies : Peuvent survivre sans oxygène ; incluent la fermentation (ex. : Lactobacillus). I.5. Reproduction La fission binaire est un processus par lequel les bactéries se reproduisent, entraînant la division d'une cellule en deux nouvelles cellules identiques. Cette division est un exemple de reproduction asexuée (fig. 8). 11 Dr. ZATOUT Asma  Département de Pharmacie Module : Biologie Cellulaire Faculté de Médecine 1ère année de pharmacie Université de Batna 2 Année universitaire : 2024-2025 Figure 8. Fission binaire des bactéries. I.6. Variation génétique (types de transfert de gènes chez les bactéries) Les bactéries peuvent acquérir du matériel génétique par plusieurs mécanismes, ce qui conduit à une variation génétique (fig. 9). Les principaux types de transfert de gènes sont les suivants : I.6.1. Conjugaison Le transfert direct d'ADN entre deux bactéries par l'intermédiaire d'un pilus. Ce mécanisme permet le passage de plasmides ou de portions du chromosome d'une bactérie à une autre, favorisant ainsi l'acquisition de nouvelles caractéristiques, telles que la résistance aux antibiotiques. I.6.2. Transformation L'intégration de l'ADN libre provenant de l'environnement. Les bactéries peuvent intégrer cet ADN dans leur propre génome, un processus qui peut avoir lieu naturellement ou être induit par des conditions expérimentales (comme la transformation chimique ou électrique). 12 Dr. ZATOUT Asma  Département de Pharmacie Module : Biologie Cellulaire Faculté de Médecine 1ère année de pharmacie Université de Batna 2 Année universitaire : 2024-2025 I.6.3. Transduction Le transfert d'ADN par l'intermédiaire de bactériophages (virus qui infectent les bactéries). Ces virus peuvent intégrer des fragments d'ADN bactérien dans leur propre génome et les transférer à une autre bactérie lors de l'infection. Figure 9. Conjugaison, transformation et transduction. I.7. Rôles des Bactéries en Pharmacie et en Médecine I.7.1. Bactéries pathogènes Comprendre les mécanismes pathogènes des bactéries est essentiel pour le développement de traitements efficaces. Exemples : Staphylococcus aureus : Cause des infections cutanées et systémiques ; un pathogène important en raison de sa résistance aux antibiotiques. Escherichia coli : Certaines souches sont responsables de maladies d'origine alimentaire (ex. : intoxications alimentaires). I.7.2. Bactéries bénéfiques Probiotiques : Microorganismes vivants qui apportent des bienfaits pour la santé. Un exemple bien connu est le genre Lactobacillus, utilisé dans la fabrication de produits laitiers fermentés et pour améliorer la santé intestinale. 13 Dr. ZATOUT Asma  Département de Pharmacie Module : Biologie Cellulaire Faculté de Médecine 1ère année de pharmacie Université de Batna 2 Année universitaire : 2024-2025 II. Archées II.1. Définition des Archées Les archées sont un domaine de microorganismes unicellulaires distincts des bactéries et des eucaryotes. Elles possèdent des propriétés biochimiques et génétiques uniques qui les différencient des autres formes de vie. II.2. Caractéristiques des Archées II.2.1. Structure cellulaire : Membrane cellulaire : Composée de lipides uniques, qui diffèrent de ceux présents chez les bactéries et les eucaryotes. Paroi cellulaire : Ne contient pas de peptidoglycane ; à la place, elle peut être composée de polymères variés, tels que le pseudomuréine ou des protéines. II.2.2. Matériel génétique : ADN : Circulaire et similaire à celui des bactéries en termes d'organisation, mais les gènes et processus sont plus proches de ceux des eucaryotes. Ribosomes : La synthèse des protéines et l'ARN ribosomique (ARNr) des archées présentent plus de similarités avec ceux des eucaryotes qu'avec les bactéries. Figure 10. Structure des Archées. 14 Dr. ZATOUT Asma  Département de Pharmacie Module : Biologie Cellulaire Faculté de Médecine 1ère année de pharmacie Université de Batna 2 Année universitaire : 2024-2025 II.2.3. Métabolisme Voies métaboliques diversifiées : Les archées peuvent être autotrophes (produisant leur propre nourriture) ou hétérotrophes (obtenant de l'énergie à partir de composés organiques). Extrémophiles : De nombreuses archées prospèrent dans des conditions extrêmes, telles que des températures élevées (thermophiles), une salinité élevée (halophiles), ou des environnements à faible teneur en oxygène (méthanogènes). II.2.4. Reproduction Les archées se reproduisent principalement de manière asexuée par fission binaire, un processus similaire à celui des bactéries. II.2.5. Importance des Archées Rôle écologique : Les archées jouent un rôle crucial dans le cycle des nutriments, comme la fixation de l'azote et la production de méthane, contribuant ainsi à la santé des écosystèmes. Biotechnologie : Elles sont utilisées dans des applications telles que la production de biogaz et dans des enzymes pour divers processus industriels. 15 Dr. ZATOUT Asma