Biologie Cellulaire - Cours PDF

BIOLOGIE CELLULAIRE Pr M.SLAOUI EST-Salé Chapitre 1 Généralités sur la cellule Chapitre 2 Constitution chimique des êtres vivants Chapitre 3 Méthodes d’étude de la cellule Pr M.SLAOUI EST-Salé Qu’est ce que la biologie cellulaire...

BIOLOGIE CELLULAIRE Pr M.SLAOUI EST-Salé Chapitre 1 Généralités sur la cellule Chapitre 2 Constitution chimique des êtres vivants Chapitre 3 Méthodes d’étude de la cellule Pr M.SLAOUI EST-Salé Qu’est ce que la biologie cellulaire ? La biologie cellulaire étudie les cellules et leurs organites, les processus vitaux qui s'y déroulent ainsi que les mécanismes permettant leur survie. Pr M.SLAOUI EST-Salé 1. Historique L’histoire de la biologie cellulaire est étroitement liée aux progrès de l’humanité dans le domaine de l’optique et la mise au point de lentilles agrandissantes et par la suite la découverte et le perfectionnement des microscopes. Les premiers microscopes composés ont été mis au point à la fin du XVIe siècle ce qui a activé les recherches sur les objets microscopiques. A partir de cette époque on peut résumer l’histoire de la biologie cellulaire comme suit: Pr M.SLAOUI EST-Salé  L’anglais Robert Hooke (1665) propose, pour la première fois, le terme cellule (petite chambre) en observant des coupes de liège avec un microscope rudimentaire à une seule lentille (en fait des cellules végétales mortes). Le hollandaisAntony Van Leeuwenhoek (1674) décrit plusieurs micro-organismes vivants (protistes, bactéries). Pr M.SLAOUI EST-Salé Les allemands Mathias Schleiden et Theodor Schwann (1838-1839), suite à l’observation de multiples organismes animaux et végétaux, parviennent à la formulation de la théorie cellulaire à travers deux principes: Principe 1:Tous les organismes sont constitués d’une ou de plusieurs cellules. Principe 2: La cellule est l’unité structurale de la vie. Pr. M.SLAOUI EST-Salé  Louis pasteur a par la suite réfuté la génération spontanée (est une notion aristotélicienne faisant la supposition de l’apparition sans ascendants, d’êtres vivants à partir de la matière inanimée), La même année, l’allemand Rudolph Virschow (1855) a énoncé le 3e principe :: ▪Principe 3: Les cellules ne peuvent provenir que de la division d’une cellule préexistante. (omnis cellula ex cellula) Les progrès incessants dans les équipements microscopique s ont permis l’identification des principales structures Cellulaires, Pr M.SLAOUI EST-Salé 2- Définition ▪La cellule est l’unité de base de point de vue structure et fonction des organismes biologiques. ▪Toute cellule dérive d’une cellule préexistante par division. 3-Echelle des dimensions cellulaires Les dimensions cellulaires sont de l’ordre du µm: 0,1 pour les bactéries jusqu’à environ 30 µm pour les cellules animales et végétales. Pr M.SLAOUI EST-Salé  4. Différents types de cellules : Il existe deux types fondamentaux de cellules:  Les cellules procaryotes (pro = primitif; caryon = noyau)  Les cellules eucaryotes (eu = vrai, caryon = noyau) Les cellules procaryotes : Cellules sans vrai noyau c’est-à-dire que le matériel génétique n’est pas enfermé dans une enveloppe nucléaire et sans organites à part des replis de la membrane plasmique dits mesosomes. Pr M.SLAOUI EST-Salé  Procaryotes, eucaryotes … Les cellules procaryotes : ✓ Cellules les moins évoluées ✓ Structure interne très simple ✓ Dimension de l’ordre du micron Les cellules procaryotes correspondent essentiellement à des organismes unicellulaires. Il s’agit essentiellement des bactéries. On trouve parmi les Procaryotes: - les Bactéries, - les Cyanophycées, - les Mycoplasmes. Pr M.SLAOUI EST-Salé Pr M.SLAOUI EST-Salé  Procaryotes, eucaryotes … Elles ne possèdent pas de noyau ! Seul chromosome formé d'ADN. Matériel génétique constitué d’un Aucune enveloppe ne sépare le matériel génétique du cytoplasme. Pr M.SLAOUI EST-Salé  Procaryotes, eucaryotes … Exemple : les bactéries :. Formes : Sphérique ou en bâtonnet. La Paroi : - structure de protection - confère la forme à la bactérie - parfois recouverte d’une capsule délimite le compartiment cytoplasmique. Membrane plasmique :. Division par scissiparité Pr M.SLAOUI EST-Salé  Procaryotes, eucaryotes … Les cellules eucaryotes: (eu =vrai, caryon= noyau): le noyau est délimité par une enveloppe nucléaire.Des membranes internes délimitent des compartiments cytoplasmiques appelés organites. ✓ Le matériel génétique est contenu dans un organite limité par une enveloppe. ✓ Niveau d’organisation complexe ✓ Taille ~ 10 à 100 x celle des procaryotes.. On distingue : Les Protozoaires formés par une seule cellule libre (organismes unicellulaires ), souvent capables de se mouvoir (Amibes, Paramécies….) Les Métazoaires (animaux, plantes) dont les cellules sont groupées en tissus. Pr M.SLAOUI EST-Salé Les cellules eucaryotes peuvent constituer des organismes unicellulaires comme : Pr M.SLAOUI EST-Salé Les cellules eucaryotes constituent la quasi-totalité des organismes multicellulaires animaux et végétaux. Au sein de ces organismes, les cellules présentent une spécialisation structurale et fonctionnelle: elles sont dites différenciées. Pr M.SLAOUI EST-Salé  Procaryotes, eucaryotes … CELLULE : Plus petite unité structurelle et fonctionnelle des êtres vivants. Organites : ▪ Compartiments cellulaires contenus dans le cytoplasme de chaque cellule eucaryote. ▪ Agissent dans la cellule comme les organes agissent dans le corps. ▪ Mesurent entre 1 et 5 µm. Molécules : Une molécule est une entité chimique formée de plusieurs atomes liés entre eux. Atomes : C'est le constituant essentiel de la matière. 1A°(10-10m) ; 1,7. 10-27 kg. Pr M.SLAOUI EST-Salé  Composition chimique de la cellule Les êtres vivants sont composés de trois types de matières qu’on peut découvrir successivement lorsqu’un échantillon vivant est exposé à la chaleur : De la vapeur d’eau se dégage en premier révélant la présence de l’eau. Sa teneur dépasse en général les 60 %. L’échantillon devient noir à cause de la combustion d’une matière riche en carbone: la matière organique. A la fin de la combustion, il persiste des cendres composées d’éléments minéraux, Composition moyenne des cellules vivantes Pr M.SLAOUI EST-Salé  1. Eau : L’eau est une petite molécule (PM = 18). Elle présente un atome d’oxygène lié par liaisons covalentes à deux atomes d’hydrogène. L’oxygène attire le nuage électronique et constitue une charge partielle négative alors que les hydrogènes présentent une charge partielle positive: l’eau est une molécule polaire. L’eau, par sa nature polaire, attire les autres molécules polaires et les ions (hydrophiles) et repousse les molécules apolaires (hydrophobes) L’eau peut aussi se dissocier en H+ et OH-.L’équilibre est mesuré par le pH. Pr M.SLAOUI EST-Salé 1.1. L’eau dans la cellule: L’eau est la molécule la plus abondante dans les cellules vivantes. Elle dépasse les 60 % de la matière vivante. Ses rôles les plus importants sont:  C’est le solvant de beaucoup de substances cellulaires.  C’est le milieu où se déroule la quasi-totalité des réactions biologiques.  Il peut participer comme substrat (réactif) ou se libérer comme produit dans certaines réactions comme l’hydrolyse.  Il contribue, par son interaction avec les molécules hydrophiles et/ou hydrophobes, à stabiliser beaucoup de structures cellulaires comme les membranes. Pr M.SLAOUI EST-Salé 2. Les substances organiques :Ce sont des molécules dont l’atome principal est le carbone. La molécule la plus simple est le méthane qui comprend un atome de carbone associé à 4 atome d’hydrogène. Il existe quatre types de molécules organiques:  Les glucides  Les lipides  Les protéines  Les acides nucléiques 2.1. Les glucides : Les glucides comprennent les sucres et leurs polymères. Les glucides comprennent le carbone, l’oxygène et l’hydrogène. Le nom des glucides se termine par ose. Pr M.SLAOUI EST-Salé Les principaux rôles des glucides sont :  Source d’énergie pour la cellule Entrent dans la composition des acides nucléiques Composent la paroi des cellules végétales et bactériennes Font partie de la membrane plasmique où ils jouent, entre autres, le rôle dans l’adhérence et la reconnaissance cellulaires. Pr M.SLAOUI EST-Salé 2.2. Les lipides: Ce sont des molécules hydrophobes ou amphiphiles(molécules hydrophobes possédant un domaine hydrophile) très diversifiées. Ils Comprennent entre autres les graisses, les cires, les stérols les vitamines liposolubles, les mono-, di- et triglycérides, ou encore les phospholipides. Les rôles des lipides sont multiples. On peut citer entre autres :  Constitution de la bicouche lipidique des membranes.  Source importante d’énergie pour la cellule  Forme de réserves chez les végétaux (graines oléagineuses) et chez les animaux (tissus adipeux)  Constitution des hormones lipophiles Pr M.SLAOUI EST-Salé 2.3. Les protéines : Les protéines sont des chaînes d’acides aminés reliés entre eux par des liaisons peptidiques CO-NH. Un acide aminé est une molécule carbonée comprenant un groupe carboxyle (-COOH), un groupe amine (-NH2) et une chaîne latérale variable (-R) qui diffère entre les 20 acides aminés. Pr M.SLAOUI EST-Salé Les rôles des protéines sont très nombreux. On peut les classer en 2 catégories :  Protéines de structure: beaucoup de protéines participent à différentes structures cellulaires comme les membranes, le cytosquelette et d’autres.  Protéines enzymatiques : les réactions de la cellule vivante sont catalysées par des protéines appelées enzymes. 2.4. Les acides nucléiques ADN et ARN Pr M.SLAOUI EST-Salé 3. Sels minéraux Les sels minéraux sont les constituants qui restent (sous forme de cendres) après calcination des tissus organiques. Chimiquement, ce sont des éléments ionisés chargés soit positivement (cations) ou négativement (anions). Les sels minéraux sont essentiels à l'organisme parce qu'ils : - Contrôlent l'équilibre hydrique (pression osmotique) - Règlent l'équilibre acide-base (pH) - Font partie de certaines structures (os, dents) - Entrent dans la composition des enzymes, des hormones -Catalysent de nombreuses réactions du métabolisme selon les quantités mises en jeu dans l'organisme, les sels minéraux sont couramment divisés en 2 groupes: -les éléments principaux ou macroéléments: Ca, P, K, Cl, Na, Mg -les éléments traces ou oligoéléments: Fe, Zn, Cu, Mn, I, Mo, etc. Pr M.SLAOUI EST-Salé 4. Comment les molécules constituent les cellules ? Les molécules simples issues de l’environnement sont utilisées pour la synthèse de molécules organiques simples lors de processus comme la photosynthèse. Ces molécules sont polymérisées en molécules complexes puis en constructions supramoléculaires pour former des organites et des cellules. Pr M.SLAOUI EST-Salé  Méthodes d’étude de la cellule 1- La microscopie : Le microscope à transmission (photonique ou électronique) permet d’observer. sur une coupe très fine les détails infiniment petits d’un objet (animal, plante, roche). 1-1-Le microscope optique Le microscope optique permet de visualiser des objets très fins, montés dans une goutte d’eau ou de liquide coloré sur une lame porte objet et recouvert d’une lamelle couvre objet très fragile, ou des coupes fixées et colorées selon un protocole donné. La lumière qui traverse l’objet remonte dans les lentilles de verre (objectif et oculaire) ce qui agrandit l’objet. L’observation au microscope passe par les étapes suivantes : Pr M.SLAOUI EST-Salé Préparation de l’observation: la préparation à observer est placée sur la platine et centrée pour que la lumière traverse le tube optique donnant un rond lumineux dans l’oculaire La mise au point: le petit objectif (faible grossissement) est placé dans l’axe du tube optique. Il faut ensuite regarder dans l’oculaire et, à l’aide de la vis macrométrique de mise au point, remonter le tube jusqu’à l’obtention d’une image nette. Exploration de la préparation : la préparation est déplacée délicatement jusqu’à trouver l’objet recherché. Changement de grossissement: il faut placer la zone à agrandir au centre de la platine, puis changer d’objectif en tournant le barillet, sans toucher au réglage précédent. Le changement d’objectif se fait toujours du plus faible au plus fort grossissement. Pr M.SLAOUI EST-Salé La nouvelle mise au point se fait seulement par la petite vis. Que faire pour ne pas endommager les préparations ? Toujours commencer l’observation avec l’objectif le plus faible. N’utiliser la vis macrométrique (la grosse) qu’à faible grossissement. Fixer la lame avec les valets: si l’1 d’eux est manquant, ne pas incliner le microscope! Ne jamais descendre le tube sans surveiller la platine et la lame en regardant sur le côté Aux grossissements supérieurs, n’utiliser que la vis micrométrique. Si la vis semble bloquée, il faut s’assurer que l’objectif n’appuie pas sur la lame. Pr M.SLAOUI EST-Salé 1.2.Microscope électronique à transmission 1.1.Principe du fonctionnement Il est comparable à celui du microscope photonique. La source S est une cathode qui émet des électrons (au lieu des photons) qui sont accélérés par l’application d’une différence de potentiel entre la cathode et l’anode (60 à 100 Kv). Le vide poussé à l’intérieur du ME est nécessaire au déplacement des électrons. Les électrons traversent 3 lentilles électromagnétiques L1, L2, et l’objet AB. - L1 : le condensateur permet de focaliser le flux d’électrons sur l’objet. - L2 et L3 jouent le rôle d’objectif et permettent l’agrandissement de l’objet AB. L’image est observée directement sur l’écran rendu fluorescent par le bombardement électronique ou sur une plaque photographique. Le MET permet des grossissements allant de 2000 à un million. Pr M.SLAOUI EST-Salé 1-Préparation des coupes cellulaires ultrafines Les cellules doivent être coupées en tranches très fines (50 à 100 nm) pour permettre aux électrons de les traverser, pour cela : 2-Comparaison entre microscope électronique à transmission et microscope Photonique: les deux fonctionnent selon les mêmes principes. -Les cellules sont tuées par des fixateurs (glutaraldéhyde, tétroxyde d’osmium)qui préservent les structures cellulaires. -Les échantillons fixés sont lavés dans l’eau, puis déshydratés par des solvants organiques. -Les échantillons sont inclus dans une résine -Les blocs de résine renfermant l’échantillon sont coupés à l’aide d’un ultra microtome muni d’un couteau de verre ou de diamant. -Les coupes cellulaires sont recueillies sur une grille en cuivre. La grille est trempée dans une solution de métaux lourds (uranium, plomb) pour noircir les structures cellulaires et augmenter le contraste. La grille est ensuite introduite dans le MET pour l’observation. Pr M.SLAOUI EST-Salé 3.Comparaison entre MET et microscope photonique Les deux fonctionnent selon les mêmes principes. Les différences résident dans la nature de la source (lampe ou cathode), la nature des lentilles (en verre ou électromagnétiques) et en fin le mode d’observation : l’œil pour le microscope photonique et l’écran ou le cliché pour le microscope électronique. Pr M.SLAOUI EST-Salé 1.4. Autres microscopes 1.4.1. Microscope électronique à balayage C’est le microscope d’observation des surfaces et permet d’obtenir une image en relief de la surface de l’échantillon. La surface cellulaire est recouverte par une mince couche d’or, de platine ou de palladium pour empêcher la traversée des électrons. Un faisceau d’électrons balaye la surface ce qui provoque une émission d’électrons qui sont captés par l’écran. L’angle d’impact du faisceau d’électrons avec la surface cellulaire varie. L’image ainsi reconstituée est tridimensionnelle. 1.4.2. Microscope à épifluorescence Cet appareil permet d’analyser la lumière réémise par fluorescence par un échantillon éclairé par une lumière d’une longueur d’onde donnée. Il est très utile pour analyser aussi bien des substances fluorescentes naturellement (comme la chlorophylle) que des substances fluorescentes fixées artificiellement sur des molécules comme marqueurs. Pr M.SLAOUI EST-Salé 2. Méthodes d'analyse des constituants cellulaires De manière générale, ces méthodes d'analyse ont un double objectif : Etablir un catalogue des molécules constituant un échantillon biologique donné, indépendamment de leur fonction  Repérer dans une fraction, ou localiser dans une structure, une seule espèce moléculaire connue, déjà identifiée, dans le cadre d'une approche plus ciblée, fonctionnelle. 2.1. Fractionnement chimique C’est un ensemble de techniques qui consistent à séparer les petites molécules (organiques ou minérales) des macromolécules. Lorsqu’un extrait biologique brut, tel qu'un homogénat, est traité par un acide fort à froid, les macromolécules (en particulier, les protéines) sont dénaturées et forment des précipités faciles à sédimenter par centrifugation. Le surnageant contient tous les précurseurs organiques solubles dans l’acide : acides aminés, glucides, nucléotides, produits de dégradation..., ainsi que les ions Pr M.SLAOUI EST-Salé minéraux. La méthode de tamisage moléculaire, relativement récente et plus résolutive, permet de séparer aisément les macromolécules natives en solution des composés de faible masse moléculaire (sels minéraux ou précurseurs organiques), par «filtration sur gel». Cette technique consiste en une «chromatographie» sur colonne utilisant un gel poreux formé de microbilles de nature polysaccharidique ; il s'agit d'une filtration par exclusion car les plus grosses molécules sont éluées les premières et donc séparées des autres. Pr M.SLAOUI EST-Salé La cellule Pr M.SLAOUI EST-Salé  LA CELLULE La cellule est la plus petite unité capable de manifester les propriétés du vivant. Elle synthétise l'ensemble de ses constituants en utilisant les éléments du milieu extracellulaire. Elle croît et se multiplie. Pr M.SLAOUI EST-Salé La cellule constitue donc: Une unité de structure : support des activités biologiques Une unité de reproduction : développement ou réparation des organes, des tissus Une unité d’information : contient l’information héréditaire Une unité de fonction : assure la réalisation des activités biologiques nécessaires à la vie. Pr M.SLAOUI EST-Salé La cellule est capable de différentes fonctions : ✓ Nutrition et métabolisme ✓ Respiration ✓ Croissance et reproduction (transmission héréditaire) ✓ Mouvement ✓ Mort cellulaire Pr M.SLAOUI EST-Salé Il existent différents types de cellules mais elles ont toutes une structure commune : La cellule est entourée d’une enveloppe (membrane plasmique) A l’intérieur deux grandes parties: 1. le cytoplasme 2. le noyau Globule blanc Neurone Amibe Pr M.SLAOUI EST-Salé