Cours de Biologie Cellulaire PDF 2020/2021

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Université Echahid Hamma Lakhdar d'El Oued Faculté des Sciences de la nature et de la vie Département de Biologie...

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Université Echahid Hamma Lakhdar d'El Oued Faculté des Sciences de la nature et de la vie Département de Biologie Domaine : Sciences de la nature et de la vie 1ère année tronc-commun Sciences de la nature et de la vie Cours de Biologie Cellulaire Préparé par : Dr. OTMANI Hadjer «MCB » Département de Biologie Faculté des Sciences de la nature et de la vie Université Echahid Hamma Lakhdar d'El Oued Année universitaire: 2020/2021  Programme du module biologie cellulaire 1. Généralités 1.1. Classification et importance relative des règnes 1.2. Cellule et théorie cellulaire 1.3. Origine et évolution 1.4. Types cellulaires (Procaryote, Eucaryote, Acaryote) 2. Méthodes d'étude de la cellule (TD) 2.1. Méthodes de microscopie otique et électronique 2.2. Méthodes histochimiques 2.3. Méthodes immunologiques 2.4. Méthodes enzymologiques 3. Membrane plasmique: structure et fonction 4. Cytosquelette et motilité cellulaire 5. Adhésion cellulaire et matrice extracellulaire 6. Chromatine, chromosomes et noyau cellulaire 7. Ribosome et synthèse des protéines 8. Le système réticulum endoplasmique-appareil de Golgi 9. Le noyau inter phasique 10. Le système endosomal: endocytose 11. Mitochondrie 12. Chloroplastes 13. Peroxysomes 14. Matrice extracellulaire 15. Paroi végétale Introduction général : Les êtres vivants sont différents, très variés et très nombreux. Les biologistes en ont décrits près d’1,7 million et on estime qu’il existe entre 13 et 14 millions d’êtres vivants (visibles) sur Terre. Le plus grand nombre de ces créatures sont des insectes. Certaines estimations chiffrent à 375 000 le nombre des espèces de végétaux (arbres, fruits, légumes, fougères, algues,…), 610 000 espèces de champignons et 1 seule espèce humaine. On parle de biodiversité ‫التنوع البيولوجي‬ : nombre d’espèces vivantes dans un milieu. Le monde du vivant présente une grande richesse de formes de vies, de très nombreuses créatures, très différentes au 1er abord et qui peuvent présenter de nombreux points communs dans leur organisation interne et externe. Les scientifiques, pour se retrouver dans la diversité des formes de vie, ont conçu un classement. Ainsi ils distinguent actuellement six grands règnes : Le règne des archées : appelées archéobactéries ‫انبكخٍشٌا انؼخٍقت‬, sont des microorganismes unicellulaires procaryotes. Le règne des bactéries ou eubactéries ‫ البكتريا الحقيقيت‬: sont des procaryotes Le terme procaryote a longtemps été synonyme de bactérie. Cependant, dans les années 1990, des chercheurs ont découvert un nouveau type cellulaire procaryote différent des bactéries. Il s'agissait des archéobactéries (archées). Depuis, les « vraies » ‫ دقٍقٍت‬bactéries, que l'on surnomme souvent bactéries, ont été renommées eubactéries pour faire la différence avec les archéobactéries. Ces dernières ressemblent visuellement aux eubactéries, mais comportent des caractères très différents. Elles seraient plus proches génétiquement des eucaryotes que des bactéries ! Les archées représentent d'ailleurs un règne à part entière à côté de celui des eucaryotes et des eubactéries. Le règne des Protistes ‫المتعضياث‬: Du grec protos (premier), les protistes étaient considérés comme les premiers eucaryotes et ancêtres des animaux, des plantes, et des champignons. Le règne des Mycètes, ou champignons, ‫ الفطرياث‬qui regroupent les organismes eucaryotes hétérotrophes ‫ غٍش راحٍت انخغزٌت‬et possèdent une paroi. Le règne des Végétaux, ‫ المملكت النباتيت‬regroupent les organismes eucaryotes autotrophes ‫راحٍت‬ ‫انخغزٌت‬ Le règne des Animaux, ‫ المملكت الحيوانيت‬qui regroupent les organismes eucaryotes hétérotrophes et ne possèdent pas de paroi. 1/ Introduction à la biologie cellulaire Les scientifiques étudient les êtres vivants depuis plus de 400 ans. Au début, leurs observations ‫ يالدظخهى‬étaient faites à l’œil nu ‫بانؼٍٍ انًجشدة‬. Plus tard, l’invention ‫ اخخشاع‬du microscope ‫ انًجهش‬leur a permis ‫ سًخ‬d’observer ‫ بًالدظت‬des cellules ‫ انخالٌا‬pour la première fois ‫نهًشة االونى‬. En effet, après avoir observé plusieurs êtres vivants différents au microscope, les scientifiques ont compris que les êtres vivants sont constitués de cellules. Cette conclusion a mené les scientifiques à élaborer ‫ وضغ‬la théorie cellulaire ‫انُظشٌت انخهىٌت‬. La théorie cellulaire ‫ انُظشٌت انخهىٌت‬qui est utilisée pour expliquer les espèces vivantes est décrite en quatre parties :  Tous les êtres vivants sont faits d’au moins une ou plusieurs cellules; ٍ‫كم انكائُاث انذٍت يكىَت ي‬ ‫خهٍت او ػذة خالٌا‬  La cellule est l’unité fonctionnelle de la vie ً‫;انخهٍت هً انىدذة انىظٌفٍت فً انكائٍ انذ‬  Toutes nouvelles cellules sont issues de cellules préexistantes ‫كم انخالٌا انجذٌذة أصهها خالٌا كاَج‬ ‫يخىاجذة يٍ قبم‬.  L’activité d’un organisme, dépend de l’activité de ses cellules…les cellules font les fonctions de la vie "‫ػًم انكائٍ الدً يشحبظ بؼًم خالٌاِ "انخالٌا هً انخً حقىو بأداء انىظائف انذٍىٌت‬. Définition de la cellule La cellule est la plus petite unité de base, de point de vue structurel, métabolique et fonctionnel des organismes biologiques. Entourée d'une membrane plasmique, elle porte toutes les caractéristiques de l'organisme. Elle est capable de croître, se différencier et se reproduire. Toute cellule naît, vieillit et meurt. , ً‫ يخاطت بغشاء سٍخىبالصي‬. ‫ األٌضٍت وانىظٍفٍت فً األجساو انذٍت‬, ‫انخهٍت هً اصغش ودذة أساسٍت يٍ انُادٍت انبٍُىٌت‬.‫ حشٍخ وحًىث‬,‫ كم خهٍت حُشأ‬.‫ انخًاٌض و انخكاثش‬,‫ بًقذوسها انًُى‬,‫اث انجسى‬ ‫انخهٍت حذًم كم يىاصف‬ Les cellules ne peuvent pas être observées à l’œil nu en raison de leur très petite taille. L’histoire de la biologie cellulaire est donc étroitement liée ‫ يشحبطت‬au perfectionnement ‫بخطىٌش‬ d’un appareil optique agrandissant ‫جهاص ضىئً يكبش‬: le microscope ‫انًجهش‬. 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. La taille et la forme des cellules varient chez les êtres vivants, il existe des milliers de formes et de tailles chez un seul être vivant issu d’un zygote « ovocyte fécondé », cette diversité est à l’ origine de plusieurs facteurs comme la fonction la position et l’âge de la cellule, la taille des cellules varient entre 10 et 1000 µm‫ « ٌخشاوح دجى انخالٌا يابٍٍ يٍكشويخش‬Cela peut être beaucoup plus chez les œufs des oiseaux » Figure 1 : différentes formes des cellules animales Figure 2 : différentes formes des cellules végétales 2 / les différents types d'organisation cellulaire Les observations microscopiques électroniques ًَ‫ انًالدظاث بانًجهش االنكخشو‬de la structure d'une cellule mettent en évidence deux types de cellules: Les EUCARYOTES ‫ دقٍقٍت انُىاة‬et les PROCARYOTES ‫بذائٍت انُىاة‬.  Les cellules procaryotes (pro = primitif ‫ ; بذائٍت‬caryon = noyau ‫)َىاة‬  Les cellules eucaryotes (eu =vrai ‫دقٍقٍت‬, caryon= noyau)  Un état dit ACARYOTE (comme les virus) ‫ػذًٌت انُىاة‬ Les cellules procaryotes (pro = primitif; caryon = noyau): cellules sans vrai noyau ‫بذوٌ َىاة‬, c’est-à-dire que le matériel génétique ‫ انًادة انىساثًة‬n’est pas enfermé dans une enveloppe nucléaire ‫ نٍسج فً غالف َىوي‬, et sans organites ‫ بذوٌ ػضٍاث‬à part des replis de la membrane plasmique ‫ اَثُاءاث‬dits ‫ حسًى‬mesosomes ‫يٍضٌضوو‬. Figure 3 : organisation générale d’une cellule bactérienne Chaque espèce se distingue par des caractéristiques métaboliques et morphologiques : les cocci seront plutôt courts et sphériques, les bacilles en forme de bâtonnet, d’autres peuvent être incurvés ou spiralés… Une autre classification, fréquemment utilisée, correspond à leur réaction au contact de la coloration de Gram. Il s’agit d’une méthode permettant de différencier les bactéries en fonction de leur capacité de coloration variant selon la composition de leur paroi.1 Ainsi, les bactéries colorées en bleu-violet seront dites à Gram positif et celles en rose à Gram négatif.2 Les cellules procaryotes, de structure très simple ne se trouvent que chez les bactéries Les bactéries se divisent en deux grands groupes : archéobactéries et eubactéries.  Archéobactéries : comprennent 3 groupes de bactéries primitives ‫بها ثالثت يجًىػاث يٍ انبكخٍشٌا‬ ‫ انبذائٍت‬: - Les méthanogènes : capables de convertir le CO2 et H2 en gaz méthane (CH4); - Les halophile : capables de vivre dans des milieux extrêmement salés ; - Les thermos acidophiles : capables de vivre dans les sources chaudes très acides.  Eubactéries : comprend le groupe de procaryotes le mieux étudié : Escherichia coli, cyanobactéries (capables de faire la photosynthèse ً‫)انخشكٍب انضىئ‬,…etc. Les cellules eucaryotes (eu =vrai, caryon= noyau): le noyau est délimité ‫ انُىاة يذذدة‬par une enveloppe nucléaire ‫غشاء َىوي‬. Des membranes internes ‫ أغشٍت داخهٍت‬délimitent ‫ حذذد‬des compartiments cytoplasmiques ‫ يقصىساث سٍخىبالصيٍت‬appelés organites ‫ػضٍاث‬. Figure 4 : organisation générale d’une cellule eucaryote Parmi les cellules eucaryotes on distingue deux types de cellules: 2.1/ organisation de la cellule Eucaryote a) Cellule animale type La cellule animale comme les autres cellules eucaryotes est caractérisée par le fait que l’ADN se trouve stocké dans un noyau séparé du reste de la cellule par une enveloppe nucléaire percée de pores nucléaires qui assurent le transport (noyau/cytoplasme). Le cytosol présente environ 50 à 60% du volume cellulaire. C’est un gel hydraté et transparent appelé parfois hyaloplasme (plasma transparent). C’est le siège de plusieurs réactions métaboliques. Le cytosol est subdivisé par un système membranaire délimitant des vésicules et des compartiments cellulaires qui forment les organites membranaires (biomembranes), par exp. : RE, AG, les péroxysomes, les mitochondries, les lysosomes,…etc. Figure 5 : organisation générale d’une cellule animale b) Cellule végétale type Elle se distingue de la cellule animale par sa taille plus grande et sa forme généralement géométrique, ainsi que par l’absence de centrioles et de lysosomes. Elle est caractérisée par la présence d’une paroi cellulaire composée de protéines et de polysaccharides, cette paroi protège la cellule, maintien sa forme et sa pression osmotique. Elle contient aussi des chloroplastes qui sont le siège de la photosynthèse, et une vacuole turgescente de grande taille, cette dernière intervient dans le contrôle de la pression osmotique et dans l’accumulation des nutriments.  Figure 6 : organisation générale d’une cellule végétale. 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. La Différenciation cellulaire est le processus par lequel une cellule peu ou pas différenciée acquiert les caractéristiques d’un type cellulaire sur le plan morphologique et fonctionnel. Les cellules différenciées : sont caractérisées par une structure cellulaire particulière (cellule épithéliale, musculaire, neurone..), une production spécifique (hormone, enzymes ; hémoglobine) et une fonction cellulaire spécifique (contraction musculaire, transport de gaz, communication nerveuse…). Les cellules d’un organisme donné sont caractérisées par des états de différenciation différents mais possèdent le même le génome : c’est l’expression de gènes spécifiques qui explique la différence. Une cellule capable de se différencier en:  En tous les types cellulaires d’un organisme si elle est totipotente: (zygote et très jeunes cellules embryonnaires)  En plusieurs types de cellules : cellules pluripotentes ou cellules souches  Peut s’auto-renouveler  Spécialisée : cellules souches hématopoïétiques, de l’épiderme … 2.2/ organisation de la cellule champignon type Les fungi ou champignons se rapprochent de la cellule végétale par la présence d’une paroi cellulaire et d’une vacuole turgescente, et de la cellule animale par la nature de leur métabolisme hétérotrophe, étant donnée l’absence de plastes intervenant dans la photosynthèse. Ils se distinguent par le fait que leurs cellules ne s’organisent jamais en de véritables tissus. En effet, les cellules sont allongées et alignées les unes derrière les autres afin de former des mycéliums. 3/ Les propriétés fondamentales d'une cellule  La cellule est hautement organisée: la complexité de la cellule est très évidente mais difficile à décrire. Si on prend les cellules qui tapissent notre intestin comme exemple, l'extrémité apicale est riche en prolongements cytoplasmiques (les microvillosités) qui facilitent l'absorption des nutriments tandis que l'extrémité basale contient un nombre important de mitochondries qui fournissent l'énergie nécessaire aux mécanismes de transport membranaire.  La cellule possède un programme génétique: les organismes sont construits selon une information génétique codée par un ensemble de gènes.  La cellule se multiplie par elle-même: elle est capable de se diviser par Mitose (division équationnelle) ou par Méiose (division réductionnelle). Mais juste avant la division, la cellule se prépare en dupliquant fidèlement le matériel génétique (Interphase) et chaque cellule fille doit recevoir une part égale et complète de l'information génétique.  La cellule acquit et consomme l'énergie: pour la plupart des cellules animales, l'énergie est stockée sous forme de glucose. Une fois à l'intérieur de la cellule, le glucose subit une dégradation, cette dernière donne une énergie sous forme d'ATP.  La cellule peut faire une grande variété de réactions chimiques: en réalité, elle ressemble à une usine chimique miniature, toutes les modifications chimiques nécessitent des protéines (enzymes) qui augmentent la vitesse de ces réactions.  La cellule met en œuvre des activités mécaniques: on cite le transport des matériaux d'un endroit à l'autre, l'assemblage et le désassemblage des structures, et même le déplacement de la cellule entière.  La cellule peut répondre aux stimuli: certaines cellules possèdent des récepteurs spécifiques qui régissent à certaines substances exemples: hormones, facteurs de croissances,…etc. elle peut aussi répondre aux stimuli particuliers afin de modifier son métabolisme, déclencher sa division ou même se suicider (apoptose).  La cellule est capable d'une autorégulation: l'entretien d'un état complexe et ordonné exige une régulation constante. L'importance du mécanisme de régulation devient claire lorsqu'il fait défaut. Exemple: l'incapacité pour une cellule de corriger une erreur pendant la duplication d'ADN peut engendrer une mutation ou une défaillance dans le contrôle de la croissance cellulaire et peut ainsi transformer la cellule saine en une cellule cancéreuse capable de détruire tout l'organisme. Cas particulier des virus ‫ الفيروساث‬Acaryote ‫عديمت النواة‬ Les virus, de tailles taille plus réduite que celle des bactéries, sont situés à la limite de moléculaire et du vivant. Ils ressemblent aux êtres vivants par la présence du matériel génétique mais s’en distinguent par le fait qu’ils ne sont pas cellulaires, donc incapables de synthétiser les protéines et de produire l’énergie. En plus, ils ne peuvent pas se reproduire par eux-mêmes, mais ils se reproduisent aux dépens des cellules qu’ils infectent, appelées cellules hôtes qui sont, soit des bactéries, soit des cellules animales ou végétales. Ils sont composés principalement d’acide nucléique, ADN (adénovirus) ou ARN (rétrovirus) protégé par une coque ou capside de nature protéique, et est constituée d’éléments protéiques de petite taille et disposés de manière géométrique appelés capsomères. Certains virus possèdent, en plus de la capside, une enveloppe ayant une structure similaire à l’enveloppe plasmique. En effet, cette enveloppe provient de la cellule hôte lors de la formation du virus par bourgeonnement de la cellule infectée. Figure 7 : deux types de virus