Microscopie et composants chimiques - Cours PDF

L’étude des cellules - la microscopie  La biologie cellulaire Les cellules sont les unités fondamentales de la vie, et c’est la biologie cellulaire qui nous permettra d’apporter une réponse à la question « qu’est-ce que la vie et comment fonctionne-t-elle? » L...

L’étude des cellules - la microscopie  La biologie cellulaire Les cellules sont les unités fondamentales de la vie, et c’est la biologie cellulaire qui nous permettra d’apporter une réponse à la question « qu’est-ce que la vie et comment fonctionne-t-elle? » Les cellules varient énormément en apparence et en fonction mais elles partagent toutes la même chimie de base. Figure 1-1  Que pouvons-nous voir? En général, les cellules sont très petites, trop petites pour être vues à l’œil nu. Il est difficile de voir la structure interne d’une cellule car les différentes parties sont très petites et pour la plupart, incolores. 0,2 à 0,85 mm Figure 1-6 Figure 1-9  Les origines du microscope Zacharias and Hans Janssen (1595) ▪ formé de 3 tubes glissant l’un dans l’autre ▪ focalisation effectuée par ce glissement ▪ grossissement de 3X à 10X Molecular Expressions Microscopy Primer: Museum of Microscopy - Sixteenth and Seventeenth Century Microscopes (fsu.edu)  Le microscope optique mikros, petit Définition: Instrument d’optique composé de skopein, observer lentilles, qui sert à regarder les objets très petits. Un microscope doit accomplir deux tâches: ▪ produire une image agrandie du spécimen (grossissement) ▪ bien distinguer les détails du spécimen (résolution)  Robert Hooke et son microscope Robert Hooke observe en 1665 un morceau de liège et rapporte devant la Société Royale de Londres que le liège était composé d’une masse de minuscules chambres qu’il appela “cellules”. ▪ grossissement limité ▪ dispositif ingénieux pour illuminer le spécimen ▪ publie ses observations et dessins dans Micrographia Micrographia - Wikipedia  Antonie van Leeuwenhoek Antonie van Leeuwenhoek est connu comme le père de la microscopie. ▪ premier à décrire les protozoaires dans de l’eau d’étang (il les appela Animalcules) ▪ grossissement de 70X à 250X ▪ van Leeuwenhoek fut un des premiers à travailler et polir les lentilles 1674 Animalcules  La théorie cellulaire En 1838 – 1839, Matthias Schleiden et Théodore Schwann démontrent, à l’aide du microscope optique, que les cellules sont le matériel de construction universel de tous les tissus vivants, donnant ainsi naissance à la biologie cellulaire. Théorie cellulaire: toutes les cellules vivantes proviennent de la division de cellules existantes. (A) Dessins de Eduard Strasburger en 1880. (B) Photographies modernes d’une cellule comparable. Figure 1-4 Le microscope optique moderne Parties importantes: Oculaire: sert à voir l’image du spécimen et l’agrandir Objectif: sert à créer une image grossie du spécimen au niveau de l’oculaire Condenseur: sert à concentrer la lumière sur le spécimen à observer Source lumineuse: génère la lumière pour illuminer le spécimen à observer  Anatomie d’un objectif Un objectif est un système optique constitué d’un ensemble de lentilles en verre minéral qui caractérise le premier élément de l’instrument d’optique qui reçoit les rayons lumineux émanant du spécimen. Grossissement Ouverture numérique (ON) Numerical aperture (NA) Facteurs de correction  Correction des lentilles Aberration chromatique Aberration sphérique  Le pouvoir de résolution Pouvoir de résolution: Capacité de distinguer entre deux points, donc de distinguer les détails d’un spécimen. PR (r) = 0,61 x  PR (r) = 1,22 x ______ ON (ON(obj.) + ON(cond.)) = la distance minimale requise entre deux points afin de les distinguer l’un de l’autre. https://www.microscopyu.com/microscopy-basics/resolution  Le pouvoir de résolution Le pouvoir de résolution d’un microscope optique est le facteur le plus important du système microscopique et determine la capacité de distinguer les fins details d’un spécimen particulier.  Types de microscopes pour observer des cellules I. Microscopes optiques – utilisent la lumière visible pour illuminer les objets ▪ Microscopie à fond clair ▪ Microscopie à fond noir ▪ Microscopie en contraste de phase/CID ▪ Microscopie à fluorescence ▪ Microscopie confocale II. Microscopes électroniques – utilisent électrons comme source d’illumination ▪ Microscopie électronique à transmission (TEM) ▪ Microscopie électronique à balayage (SEM)  Microscopie à fond clair La microscopie à fond clair est la plus simple des techniques de microscopie. ▪ Utilise la lumière blanche ▪ Pouvoir de résolution maximum de 0,2 µm ▪ Échantillon doit être mince ▪ Nécessite souvent la coloration du spécimen  Microscopie à fond sombre Le microscope à fond noir permet d’améliorer le contraste d’échantillons transparents mais non teintés. La technique est simple, mais souffre d’une faible intensité lumineuse collectée. ▪ Condenseur possède un anneau qui bloque la lumière directe ▪ Seulement les rayons qui frappent l’échantillon sont réfractés dans l’objectif ▪ Même pouvoir de résolution qu’en fond clair  Microscopie en contraste de phase La microscopie en contraste de phase utilise les différences de trajet de la lumière dans les régions de la cellule qui présentent des indices de réfraction différents. Le contraste est excellent, mais la technique n’est pas très utile avec les objets épais. Microscopie à fond clair Microscopie en contraste de phase Microscopie à contraste interférentiel différentiel (CID)  Microscopie à fluorescence La microscopie à fluorescence permet de voir des composantes cellulaires marquées avec des sondes fluorescentes. Les objets colorés apparaissent en couleur vive sur un fond sombre. ▪ Nécessite le marquage de l’échantillon avec des sondes fluorescentes ▪ Permet de visualiser différents organites ▪ Permet de visualiser la dynamique à l’intérieur d’une cellule vivante (« live-cell imaging ») ▪ Version améliorée utilise un laser pour illuminer les fluorophores (microscopie confocale) Classique Confocale Figure 1-7B https://www.thermofisher.com/ca/en/home/life-science/cell-analysis/cell-analysis-learning-center/molecular- probes-school-of-fluorescence/imaging-basics/fundamentals-of-fluorescence-microscopy.html z x Microscopie confocale y Z-stack is a digital image processing technique that combines multiple images taken at different focus distances to give a resulting image with a greater depth of field (DOF) than any of the individual source images Microscopie électronique à transmission Le microscope électronique à transmission (« TEM ») transmet un faisceau d’électrons à travers un échantillon très fin. ▪ Bobines magnétiques utilisées pour focaliser le faisceau ▪ Échantillon placé dans une résine et coupé en couches très fines ▪ Contraste est obtenu suite à la coloration de l’échantillon avec des métaux lourds ▪ Résolution de 2 nm  Microscopie électronique à balayage Le microscope électronique à balayage (« SEM ») permet de balayer la surface d’un échantillon recouvert de métal lourd avec un faisceau d’électrons. ▪ Obtention d’images exceptionnelles d’objets en 3D ▪ Grande profondeur de champ ▪ Résolution entre 3 et 20 nm Composants chimiques des cellules  Les atomes du monde vivant Les êtres vivants ne sont que de Un atome est constitué d’un noyau simples systèmes chimiques. entouré par un nuage d’électrons. CHONPS ou CHNOPS Figure 2-1 Figure 2-2 « Dans un sens, la chimie dicte toute la biologie. »  Les liaisons chimiques Les électrons représentent la partie accessible d’un atome et déterminent les règles de chimie selon lesquelles les atomes se combinent pour former des molécules. Figure 2-8 (A) Figure 2-8 (C) Figure 2-6  Les liaisons covalentes Dans une liaison covalente, les électrons sont partagés entre les atomes. Les électrons partagés complètent la couche externe des deux atomes à la fois. Figure 2-12 Figure 2-9 Figure 2-10 (A)  Les liaisons hydrogène Une liaison hydrogène est une liaison chimique faible entre un atome électronégatif (O ou N) et un atome d’hydrogène (H) qui est lié à un autre atome électronégatif. Figure 2-12 Les liaisons hydrogène maintiennent la cohésion des molécules d’eau. Figure 5-6 (A) Les deux brins d’un fragment d’ADN sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène.  Les molécules des cellules Une cellule est constituée de composés carbonés, appelés molécules organiques. On retrouve dans les cellules quatre familles de molécules organiques: les glucides (sucres), les acides gras, les acides aminés et les nucléotides. La majorité des molécules organiques existent sous deux formes: la forme monomérique et la forme polymérique (macromolécules). Figure 2-15  Les macromolécules des cellules Les macromolécules sont des polymères construits simplement par des liaisons covalentes entre les petites molécules organiques (appelées monomères) formant de longues chaînes ou polymères. Figure 2-26 Si l’on considère leur poids, les macromolécules Figure 2-27 sont de loin les plus abondantes des molécules organiques dans une cellule vivante.