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Notions de biologie cellulaire Unité d’Enseignement N°2.1 : Notions de biologie cellulaire, biologie moléculaire et génétique Dr. Thibaut Eguether, MCU-PH Cursus d’ORTHOPHONIE Cursus d’ORTHOPTIE Passer...

Notions de biologie cellulaire Unité d’Enseignement N°2.1 : Notions de biologie cellulaire, biologie moléculaire et génétique Dr. Thibaut Eguether, MCU-PH Cursus d’ORTHOPHONIE Cursus d’ORTHOPTIE Passerelle DFGSM2 Licence 1  Objectifs Comprendre l’organisation des être vivants Connaître les bases de l’organisation et du fonctionnement des cellules Connaître les bases de la transmission des caractères génétiques  Sommaire 1. INTRODUCTION AU MONDE VIVANT Les grandeurs en biologie L’organisation du vivant et la démarche en recherche biomédicale Qu’est-ce que le vivant Phylogénie cellulaire 2. STRUCTURES ET FONCTIONS DE LA CELLULE Fonctions essentielles des organites : unicité de la cellule Diversité des cellules : Taille, structure, fonction Les grandes fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Respirer et produire de l’énergie Transformer : biosynthèse, dégradation, enzymes, lysosomes Transporter et se déplacer Informer et signaler Reproduire et traduire l’information génétique : la biologie moléculaire 3. DIVISIONS DE LA CELLULE Cycle cellulaire Mitose Destins cellulaires : apoptose et différentiation Méïose 4. TRANSMISSION DES CARACTÈRES HÉRÉDITAIRES : LA GÉNÉTIQUE Gènes, génomes, génotype, phénotype Les chromosomes Les mutations Modalités de transmission des caractères à la descendance 3 1. Introduction Espace (mètre) ATOMES MOLECULES MACROMOLECULES CELLULES ORGANISMES UNIVERS Grandeurs et dimensions Glucose Hémoglobine Ribosome Bactéries Souris Eléphant Limite de résolution Distance Liaison C-C Virus Hématies Homme Terre Soleil du microscope optique A 1 10 102 103 104 105 1010 1021 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 1 1011 m 1 nm 1 µm 1m Temps (seconde) Mouvements internes dans les Réaction Formation Age de protéines enzymatique d’une bactérie la Terre Réaction chimique pigments- Déroulement de Synthèse d’une Durée de vie photons dans l’œil l’hélice d’ADN protéine d’un homme s 10-12 10-9 10-6 10-3 1 103 109 1015 (env. 3,7 ps ns µs ms s (env. 17 min) (env. 80 ans) milliards d’années) Masse (kilogramme) Molécule d’eau bactérie moustique Nouveau-né La Terre Hydrogène (1 Dalton) Hémoglobine cellule Œuf de poule Homme adulte Le Soleil kg 10-27 10-21 10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 1 103 1024 1030 yg (yocto) ag (atto) pg ng µg mg g kg Tonne Énergie (Joules ou kcal/mole) Besoin nutritionnel électron liaison non covalente* liaison C-C* quotidien d’un adulte proton ATP* Glucose* La Terre J 10-15 10-12 10-1 1 10 102 103 106 1039 1 10 100 1000 (env. 1800 Kcal fJ (femto) pJ Kcal/mole* soit 7500 KJ) 1. INTRODUCTION Le corps humain : notions d’échelle Organe Tissu Atome Cellule Molécule Organite Recours à de très nombreuses disciplines pour aborder cet ensemble : physique, chimie, biologie, informatique, médecine, sociologie, psychologie, philosophie... 1. Introduction Qu’est-ce que le vivant ? 1. Définition : Vivant 1. Qui a les caractéristiques de la vie, par opposition à ce qui est inanimé, inerte. (Larousse) 2. Où se manifestent les fonctions de la vie, par opposition à mort. (Larousse) Qui vit, qui est en vie; dont les fonctions de la vie se manifestent de manière perceptible (TLF) Vie 1. Fait de vivre; ensemble des phénomènes et des fonctions essentielles se manifestant de la naissance à la mort et caractérisant les êtres vivants. (TLF) 2. Caractère propre aux êtres possédant des structures complexes (macromolécules, cellules, organes, tissus), capables de résister aux diverses causes de changement, aptes à renouveler, par assimilation, leurs éléments constitutifs (atomes, petites molécules), à croître et à se reproduire (Larousse) 1. Introduction Qu’est-ce que le vivant ? 2. Les biomolécules, assurent la totalité des fonctions du vivant Acides nucléiques Protéines ADN, ARN, fabriqués avec des nucléotides fabriquées avec des acides aminés Lipides Glucides molécules hydrophobes simples ou complexes GlcNAc Gal GalNAc Fuc Groupe sanguin O A B 1. Introduction Qu’est-ce que le vivant ? 3. Des molécules "inanimées" aux structures vivantes Haut degré de complexité et d’organisation des biomolécules par rapport aux molécules chimiques A partir d’un registre limité de molécules simples (4 classes de molécules) Capacité d’auto-réplication et d’auto-assemblage des acides nucléiques C’est la propriété princeps du vivant. Caractéristiques des protéines des lipides des glucides Capacité d’extraire, de transformer et d’utiliser l’énergie de l ’environnement Utilisation de composés chimiques simples (« nutriments »), transformation de l ’énergie solaire... 1. Introduction Qu’est-ce que le vivant ? 4. Les biomolécules (inertes) s’organisent pour créer l’unité de base du vivant : la cellule La cellule est la plus petite unité capable de manifester de manière autonome les propriétés du vivant. Elle synthétise l'ensemble de ses constituants en utilisant les éléments du milieu extracellulaire Elle croît, se multiplie et meurt 1. Introduction Phylogénie cellulaire Phylogénie : étude des liens de parenté entre les êtres vivants et unicellulaires 1. Introduction Phylogénie cellulaire Diversité fonctionnelle, diversité cellulaire, unicité conceptuelle Combien de cellules chez un être humain : 1014 (cent mille milliards) Combien de types cellulaires différents : > 300 Combien de bactéries chez un être humain : > 1015  Sommaire 1. INTRODUCTION AU MONDE VIVANT Les grandeurs en biologie L’organisation du vivant et la démarche en recherche biomédicale Qu’est-ce que le vivant Phylogénie cellulaire 2. STRUCTURES ET FONCTIONS DE LA CELLULE Fonctions essentielles des organites : unicité de la cellule Diversité des cellules : Taille, structure, fonction Les grandes fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Respirer et produire de l’énergie Transformer : biosynthèse, dégradation, enzymes, lysosomes Transporter et se déplacer Informer et signaler Reproduire et traduire l’information génétique : la biologie moléculaire 3. DIVISIONS DE LA CELLULE Cycle cellulaire Mitose Destins cellulaires : apoptose et différentiation Méïose 4. TRANSMISSION DES CARACTÈRES HÉRÉDITAIRES : LA GÉNÉTIQUE Gènes, génomes, génotype, phénotype Les chromosomes Les mutations Modalités de transmission des caractères à la descendance 12 2. Structure et fonctions cellulaires Fonctions essentielles des organites / Unicité de la cellule Plan général d’une cellule eucaryote animale Noyau Reticulum endoplasm. rugeux Nucléole Membrane plasmique Microtubules Centrosome Mitochondrie Reticulum endoplasm. lisse Appareil de Golgi Actine Vésicule Lysosome Cytosol Peroxysome Vésicule de sécrétion 2. Structure et fonctions cellulaires Fonctions essentielles des organites Définition 1. Les organites (parfois nommés organelles par anglicisme) sont les différentes structures spécialisées contenues dans le cytoplasme et délimitées du reste de la cellule par une membrane phospholipidique. 2. Chacun des éléments constituant la cellule, spécialisé dans certaines activités du métabolisme cellulaire» (Lend.–Delav. Biol. 1979) 2. Structure et fonctions cellulaires Fonctions essentielles des organites / Unicité de la cellule Plan général d’une cellule eucaryote animale Noyau Reticulum endoplasm. rugeux Nucléole Membrane plasmique Microtubules Centrosome Mitochondrie Reticulum endoplasm. lisse Appareil de Golgi Actine Vésicule Lysosome Cytosol Peroxysome Vésicule de sécrétion 2. Structure et fonctions cellulaires Fonctions essentielles des organites / Unicité de la cellule Structures Fonctions Membranes Délimitation, protection, transport, reconnaissance Plasmique Avec l'environnement cellulaire Organites A l'intérieur de la cellule Cytoplasme Cytosol Contrôle des caractéristiques physico-chimiques intracellulaires, transports Noyau Réplication, transcription, transports Réticulum endoplasmique rugueux Biosynthèse de protéines, contrôle qualité, transport Ribosomes libres Biosynthèse de protéines cytosoliques Réticulum endoplqsmique lisse Biosynthèse de lipides, contrôle de flux ionique (Ca2+), transports Appareil de Golgi Maturation des protéines, tri moléculaire Lysosome Dégradation des molécules, stockage Système endosomal Transports vers l'intérieur de la cellule Vésicule de sécrétion Transports vers l'extérieur de la cellule Peroxisome Détoxification, dégradation des radicaux libres, biosynthèse de lipides Mitochondrie Production stockage et libération d'énergie, contrôle de l'apoptose Cytosquelette Maintien et adaptation de l'architecture cellulaire, support de la dynamique cellulaire, division cellulaire, communication  2. Structure et fonctions cellulaires Diversité de la cellule : taille Ovocyte primaire Coupe de moëlle osseuse 10 µm Ovocyte mature Cellule animale : 10-30 µm Pour mémoire bactérie (E. coli) à la même échelle 10 µm 50 µm érythrocyte monocyte 10 µm immature Mégacaryocyte neutrophile immature lymphocyte immature immature 2. Structure et fonctions cellulaires Diversité de la cellule : structures Diversité de taille, de structure et de fonctions Cellule photo-receptrice (rétine) Canaux semi-circulaires cochlée Pile de disques membranaires (>1000 batonnets par cellule, contenant la rhodopsine) cil Corps cellulaire noyau Cellule audio-receptrice Signal électrique (cellule ciliée de l’oreille interne) (vers le système nerveux) 2. Structure et fonctions cellulaires Diversité de la cellule : fonctions Les cellules épithéliales Les cellules épithéliales tapissent les surfaces internes et externes des organes Il existe de nombreux types spécialisés de cellules épithéliales Cellules absorbantes matériel microvillosités sécrété Jonction intercellulaire Lame basale Canal ou Cellules ciliées Cellules sécrétrices lumière Cils Cellules sécrétrices noyau les cellules épithéliales peuvent s’organiser en glandes (exocrines ou endocrines) 2. Structure et fonctions cellulaires Grandes fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Transformer Les membranes Biosynthèse et dégradation : Le cytosquelette les enzymes catalysent l’essentiel des réactions chimiques du Reconnaître et se défendre vivant. Les membranes Les lysosomes Transporter et se déplacer Les protéines à fonction motrice Respirer et produire de l’énergie Les protéines de transport Les mitochondries et la Informer-signaler chaîne respiratoire Les récepteurs et leurs ligands Les transporteurs de petites molécules dont l’oxygène Reproduire et traduire l’information génétique Noyau Réplication, transcription, traduction des protéines (biosynthèse), maturation et trafic 2. Structure et fonctions cellulaires Grandes fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Transformer Les membranes Biosynthèse et dégradation : Le cytosquelette les enzymes catalysent l’essentiel des réactions chimiques du Reconnaître et se défendre vivant. Les membranes Les lysosomes Transporter et se déplacer Les protéines à fonction motrice Respirer et produire de l’énergie Les protéines de transport Les mitochondries et la Informer-signaler chaîne respiratoire Les récepteurs et leurs ligands Les transporteurs de petites molécules dont l’oxygène Reproduire et traduire l’information génétique Noyau Réplication, transcription, traduction des protéines (biosynthèse), maturation et trafic 2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Membranes plasmiques et intracellulaires : composition Lipides amphiphiles Tête polaire Queue hydrophobe = 2 chaînes hydrocarbonées Protéines Glucides Les membranes biologiques sont asymétriques (feuillet externe / feuillet interne) 2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Membranes plasmiques et intracellulaires : Fonctions La composition chimique des membranes biologiques explicite leurs fonctions - Délimitation et protection Exocytose - Transports transporteurs ATP canaux Transports passifs Transports actifs Diffusion simple Diffusion Pompes ATP-dépendantes facilitée 2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Membranes plasmiques et intracellulaires : Fonctions - Délimitation et protection - Transports - Reconnaissance bactéries virus Autres cellules Glycoprotéine Membranaire Toxine glycolipide 2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Le cytosquelette FORMES et FONCTIONS… 2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Le cytosquelette : Composition Le cytosquelette est composé de trois types de filaments Microtubules 25 nm Microfilaments 8 nm Filaments intermédiaires 10 nm Chaque type de filament est composé par l’assemblage de monomères spécifiques microfilaments microtubules Filaments intermédiaires actine tubuline kératines, vimentine... 2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Le cytosquelette : Organisation La distribution spatiale et l’organisation de chaque type de réseau de filaments est particulière. Microtubules Filaments intermédiaires Microfilaments d’actine 2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Le cytosquelette : Organisation 2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Le cytosquelette : Organisation M. Bishr Omary, Nam-On Ku, Guo-Zhong Tao, Diana M. Toivola, Jian Liao ‘Heads and tails’ of intermediate filament phosphorylation: multiple sites and functional insights, 2016 2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Le cytosquelette : Propriétés Le cytosquelette est dynamiqiue The inner life of the cell. Harvard University 2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Le cytosquelette : Propriétés Les filaments intermédiaires 2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Le cytosquelette : Propriétés Les microtubules 2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Le cytosquelette : Propriétés Les microfilaments 2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Le cytosquelette : Propriétés Les microfilaments http://cmgm.stanford.edu/theriot/movies/seq1LmPtK2.mov 2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Les interactions cellulaires Les cellules doivent interagir entre elles et avec leur environnement Exemple de l’intestin grèle Feuillet cellule épithélial épithéliale Matrice extracellulaire Tissu conjonctif fibroblaste Couches Cellules musculaires lisses musculaires Tissu conjonctif cellule Feuillet mésothéliale mésothélial  2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Les interactions cellulaires Ces interactions se font principalement par l’intermédiaire de jonctions. Les jonctions sont assurées par des protéines spécifiques et ont des fonctions propres Toutes les jonctions ont des fonctions de signalisation… Type de jonctions Protéines spécifiques Fonctions propres jonctions serrées ou occludine, claudines Assurer jonctions étanches l’imperméabilité Jonctions d’ancrage Jonctions adhérentes cadhérines Assurer l’attachement entre cellules Desmosomes cadhérines Assurer la jonctions communicantes connexines communication Jonctions cellules-matrice Assurer l’attachement extracellulaire des cellules avec leur Plaque d’adhésion focale intégrines support (matrice Hémidesmosomes extra-cellulaire) 2. Structure et fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Les interactions cellulaires Vue d’ensemble des familles de tissus Le corps humain est constitué de quatre famille de tissus… Tissus épithéliaux - Épithélium de revêtement - Epithélium glandulaire Tissus de soutien (conjonctifs) - Cartilagineux - Osseux Tissus musculaires - Squelettique - Myocardique - Lisse Tissus nerveux - Central - Périphérique Un tissu contient généralement plusieurs types de cellules …et de deux familles de cellules “libres“ Cellules sanguines - Lignée rouge - Lignée blanche Cellules germinales - Spermatozoïdes - Ovules 2. Structure et fonctions cellulaires Grandes fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Transformer Les membranes Biosynthèse et dégradation : Le cytosquelette les enzymes catalysent l’essentiel des réactions chimiques du Reconnaître et se défendre vivant. Les membranes Les lysosomes Transporter et se déplacer Les protéines à fonction motrice Respirer et produire de l’énergie Les protéines de transport Les mitochondries et la Informer-signaler chaîne respiratoire Les récepteurs et leurs ligands Les transporteurs de petites molécules dont l’oxygène Reproduire et traduire l’information génétique Noyau Réplication, transcription, traduction des protéines (biosynthèse), maturation et trafic 2. Structure et fonctions cellulaires Respirer et produire de l’énergie La mitochondrie : Structure Membrane interne Matrice Membrane externe Espace intermembranaire Membrane externe Membrane interne invaginations = crêtes →augmentation de la surface membranaire. Siège principal de la respiration cellulaire. Espace inter-membranaire Matrice mitochondriale Contient l’ADN mitochondrial Taille: environ 0,1-0,5 x 1-2 µm Alberts, Molecular Biology of the Cell 2. Structure et fonctions cellulaires Respirer et produire de l’énergie La mitochondrie : la chaine respiratoire Respiration cellulaire et production d’énergie Membrane mitochondriale externe Membrane mitochondriale interne Chaîne respiratoire ATP CO2 Cycle de Krebs Energie contenue Energie utilisée par la dans les aliments cellule ADP pyruvate acides gras O2 pyruvate acides gras NUTRIMENTS VENANT DU CYTOSOL 2. Structure et fonctions cellulaires Respirer et produire de l’énergie La mitochondrie : le transport de l’oxygène L’oxygène sature l’hémoglobine dans La ventilation alimente L’oxygène est très peu soluble dans les les poumons puis va être distribué dans l’organisme en O2 milieux aqueux. Il est principalement les tissus périphériques transporté par une protéine : Tissus O2 dans l’air Poumon CO2 dans l’air l’hémoglobine. périphériques expiré inspiré hème Hb Saturation en O2 CO2 Poumon O2 Sang Sang CO2 O2 veineux artériel hémoglobine Myoglobine hème CO2 Tissus O2 O2 hémoglobine La saturation en O2 est mesurée par oxymétrie (au lit du malade) 2. Structure et fonctions cellulaires Respirer et produire de l’énergie La mitochondrie : autres fonctions Contrôle de l’apoptose : mort cellulaire programmée Synthèse des hormones stéroïdiennes Gonades Glandes surrénales Syndactylie Testostérone Estrogènes… 2. Structure et fonctions cellulaires Grandes fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Transformer Les membranes Biosynthèse et dégradation : Le cytosquelette les enzymes catalysent l’essentiel des réactions chimiques du Reconnaître et se défendre vivant. Les membranes Les lysosomes Transporter et se déplacer Les protéines à fonction motrice Respirer et produire de l’énergie Les protéines de transport Les mitochondries et la Informer-signaler chaîne respiratoire Les récepteurs et leurs ligands Les transporteurs de petites molécules dont l’oxygène Reproduire et traduire l’information génétique Noyau Réplication, transcription, traduction des protéines (biosynthèse), maturation et trafic 2. Structure et fonctions cellulaires Transformer Les enzymes : biosynthèse et dégradation Nucléotides, Énergie (ATP) ADN, ARN Cycle de KREBS Lipides Acides Sucre = saccharose = glucose + fructose “Intermédiaires métaboliques“ aminés Biosynthèse (anabolisme) Protéines Substrat(s) Produit (structure primaire) A+B C C+D E etc… Enzyme 1 Enzyme 2 Dégradation (catabolisme) Z Y+X X W+ V etc… Enzyme n 1 Enzyme n 2 2. Structure et fonctions cellulaires Transformer Les enzymes : biosynthèse et dégradation Saccharose Glucose Fructose H2O Site actif Hydrolyse Saccharase 2. Structure et fonctions cellulaires Transformer Les enzymes : biosynthèse et dégradation Biologie fondamentale_Cellule et STRUCTURES ET FONCTIONS DE LA CELLULE tissus 2. Structure et fonctions cellulaires Transformer Les enzymes : biosynthèse et dégradation 2. Structure et fonctions cellulaires Transformer Le lysosome Organite spécialisé dans la dégradation des biomolécules… Membrane du lysosome … et dans la dégradation de certains pathogènes bactéries Lumière du lysosome exocytose phagocytose dégradatio n fusion récupération lysosome phagolysosome 2. Structure et fonctions cellulaires Grandes fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Transformer Les membranes Biosynthèse et dégradation : Le cytosquelette les enzymes catalysent l’essentiel des réactions chimiques du Reconnaître et se défendre vivant. Les membranes Les lysosomes Transporter et se déplacer Les protéines à fonction motrice Respirer et produire de l’énergie Les protéines de transport Les mitochondries et la Informer-signaler chaîne respiratoire Les récepteurs et leurs ligands Les transporteurs de petites molécules dont l’oxygène Reproduire et traduire l’information génétique Noyau Réplication, transcription, traduction des protéines (biosynthèse), maturation et trafic 2. Structure et fonctions cellulaires Transporter et se déplacer Transporter : mouvements internes aux cellules = trafic intracellulaire Se déplacer : mouvements des cellules elles-mêmes Transporter les vésicules et complexes protéiques: les moteurs moléculaires 2. Structure et fonctions cellulaires Transporter et se déplacer Les moteurs moléculaires Principalement le long des microtubules Vers le noyau Vers la membrane Mécanisme consommant de l’énergie Pi ATP ADP Également le long des microfilaments Dynéine Kinésine Myosine I Actine 2. Structure et fonctions cellulaires Transporter et se déplacer Se déplacer dans les tissus La motilité cellulaire La contraction musculaire nerf Influx nerveux muscle Calcium Libération Ca2+ Microfilaments Myosine Interaction actine-myosine Principalement assurée par les microfilaments contraction Mécanisme moléculaire du moteur à Myosine II 2. Structure et fonctions cellulaires Grandes fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Transformer Les membranes Biosynthèse et dégradation : Le cytosquelette les enzymes catalysent l’essentiel des réactions chimiques du Reconnaître et se défendre vivant. Les membranes Les lysosomes Transporter et se déplacer Les protéines à fonction motrice Respirer et produire de l’énergie Les protéines de transport Les mitochondries et la Informer-signaler chaîne respiratoire Les récepteurs et leurs ligands Les transporteurs de petites molécules dont l’oxygène Reproduire et traduire l’information génétique Noyau Réplication, transcription, traduction des protéines (biosynthèse), maturation et trafic 2. Structure et fonctions cellulaires Informer et signaler Circuit de l’information au niveau cellulaire Information entrante Intégration Information sortante cellulaire et tissulaire Hormones hydrophile : Adrénaline... Modification de l’expression hydrophobe : oestrogènes des gènes Facteurs de croissance Facteurs inhibiteurs de croissance Modification de Facteurs de survie l’homéostasie cellulaire Facteurs de mort Ions médicaments Un mécanisme commun : interaction récepteur-ligand Il existe des milliers de récepteurs différents, spécifiques de chaque type de ligand Ligands Récepteurs (protéines) Effecteurs De très nombreux médicaments (protéines et autres molécules) se fixent sur les récepteurs ou les effecteurs et modifient leur Effets Effets Effets Effets comportement A B C D  2. Structure et fonctions cellulaires Informer et signaler Communication cellulaire Cellules Facteurs inhibiteurs de croissance. ex : TGFb E-cadherins TGFbR Matrice extracellulaire integrins Facteurs de croissance ER-Golgi- endosomes ex : TGFa lysosomes RTK membrane hormones hydrophiles 7-TMR hormones lipophiles cytosol noyau RTK Facteurs de survie mitochondrie ex : IGF1 canal ions Fas Pgp Facteurs de mort médicaments ex : FasL Pr G. TRUGNAN, FMPMC, site St-Antoine 2. Structure et fonctions cellulaires Informer et signaler Communication cellulaire Anti-growth Factors Wnt Frizzled ex : TGFb APC TCF TGFbR Cells E-cadherins b-catenin b-catenin:TCF P18 T CyclD:Cdk4 P15 T cdc42 PI3K Rac T Smads ECM integrins FAK Cas Rb Src Crk T P17 E2Fs T PLC CyclE:cdk2-P21 Fyn Growth Factors Shc PKC Mos DNA damage MKKs JNKs Jun ex : TGFa sensor Change in Cell Grb2 Ras p53 RTK SOS Raf MEK MAPK MAPK EIK Fos gene Proliferation T Mad:Max expression (cell cycle) Abl T T hormones Myc:Max ex : cdc42 Rac Rho bombesin Bax 7-TMR G-prot Ad Cycl PKA CREB ex : estrogen NHR Mitochondria PKC NFkB NFkB Bcl2 T Cell death Caspase 9 RTK PI3K Akt Akka IkB apoptosis Caspase 8 T Survival factors Cytochrome C PTE FADD ex : IGF1 N T Bcl2 Bad Mitochondria Bid T Fas Pr G. TRUGNAN Abnormality Bim Death factors sensor ex : FasL 2. Structure et fonctions cellulaires Grandes fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Transformer Les membranes Biosynthèse et dégradation : Le cytosquelette les enzymes catalysent l’essentiel des réactions chimiques du Reconnaître et se défendre vivant. Les membranes Les lysosomes Transporter et se déplacer Les protéines à fonction motrice Respirer et produire de l’énergie Les protéines de transport Les mitochondries et la Informer-signaler chaîne respiratoire Les récepteurs et leurs ligands Les transporteurs de petites molécules dont l’oxygène Reproduire et traduire l’information génétique « La biologie moléculaire » Noyau Réplication, transcription, traduction des protéines (biosynthèse), maturation et trafic 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique Le noyau M.E.T. d’un noyau de cellule en interphase Enveloppe Nucléaire Enveloppe Nucléaire Mb int Mb ext Mb du RE RER ribosomes Saccule de réticulum endoplasmique rugueux (RER) Pore nucléaire Lamina 1 µm Espace inter-membranaire Pore nucléaire Nucléole (production des ARN ribosomaux Nucléoplasme contenant la chromatine (ARNr) - Euchromatine (clair) fonctionnelle - Hétérochromatine (gris foncé) compactée et non fonctionnelle Le noyau est le principal compartiment cellulaire de stockage des molécules d’ADN, support de l’information génétique Le noyau est le compartiment où s’effectue la synthèse de toutes les classes d’acides nucléiques (ADN, ARNt, ARNm, ARNr). 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique L’ADN (Acide DesoxyriboNucléique) 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique L’ADN (Acide DesoxyriboNucléique) L’ADN porte l’information génétique, codée par 4 Lettres 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique Le noyau Chacune de nos cellules contient dans son noyau 2,5 m d’ADN portant la totalité de l’information génétique L’ADN se trouve sous forme plus ou moins compacté dans la chromatine et les chromosomes chromosome cellule noyau chromatide Brin d’ADN Nucléosome super-enroulé Fibre d’ADN avec histones (protéines associées) Double brin d’ADN Double brin d’ADN en hélice 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique Le noyau L’ADN existe sous forme compactée : mettre 2,5 m d’ADN dans une sphère de diamètre 5µm dans chaque cellule 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique Le noyau Chacune de nos cellules contient dans son noyau 2,5 m d’ADN portant la totalité de l’information génétique L’ADN se trouve sous forme plus ou moins compacté dans la chromatine et les chromosomes chromosome cellule noyau Les grandes étapes du transport de l’information génétique réplication chromatide ADN → ADN Brin d’ADN Nucléosome super-enroulé transcription Fibre d’ADN avec histones (protéines associées) ADN → ARN (ARNt, ARNr, ARNm…) traduction Double brin d’ADN Double brin d’ADN ARN → protéines en hélice 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique La réplication BUT : recopier fidèlement l’information génétique pour transmettre à la descendance 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique La réplication Expérience de Meselson et Stahl La réplication est semi-conservative 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique La réplication : vue générale 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique La réplication : polymérisation Brin modèle Brin 5’-3’ Nouveau brin Nouveau brin Brin 3’-5’ ADN double brin parent Brin modèle Nouveau désoxyribonucléoside tri-phosphate entrant Nouveau dés Nouveau brin désoxyribonucléoside tri-phosphate entrant “Pouce“ Brin modèle Brin modèle Croissance de la chaine d’ADN dans le “doigts“ Nouveau brin sens 5’ vers 3’ “paume “ ADN polymérase 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique La réplication : réparation des erreurs ADN polymérase Élongation et édition (3’- 5’- exonucléase) 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique l’ARN (Acide RiboNucléique) L’ARN prend des formes très variées dans la cellule, qui conditionnent ses fonctions ARNm = ARN messager portant l’information ARNr = ARN ribosomal ARNt = ARN de transfert des acides aminés 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique La transcription ADN ARN (archive d’informations) (transport d’informations) 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique La transcription : mécanisme “joues“ en ARN configuration Double hélice polymérase fermée d’ADN ADN 5’ 3’ Déroulement de l’ADN 3’ 5’ Brin modèle 5’ 3’ “clapet“ en configuration Tunnel d’entrée des fermée Canal de Site actif ribonucléotides ARN sortie de tripphosphate l’ARN Transcrit ARN Courte région nouvellement avec hélice synthétisé ADN/ARN 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique La traduction : Le code génétique universel : tous les êtres vivants (sauf quelques exceptions) possèdent le même non ambiguë : à un codon correspond un seul et unique acide aminé dégénéré : à un acide aminé peuvent correspondre plusieurs codons (il existe en effet 64 possibilités de codons, et seulement 20 acides aminés) 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique La traduction : Le cadre de lecture et les mutations 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique La traduction : Le cadre de lecture et les mutations 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique Le Reticulum Endoplasmique : Structure RER RE rugueux : présence de ribosomes “Biosynthèse" des protéines Repliement des chaînes polypeptidiques Modifications précoces des polypeptides Contrôle qualité REL RE lisse : absence de ribosomes Synthèse des lipides Réserve de Ca2+ Détoxification/autophagie 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique Le Reticulum Endoplasmique : Fonctions - Biosynthèse de protéines (Traduction) Les ribosomes : usines pour la traduction de l’information génétique en protéines Coiffe 7-méthylguanosine 80S 60 S 40 S UAA NB : Les ribosomes liés au RE assurent la biosynthèse de protéines de la “voie de sécrétion“ les ribosomes libres assurent la biosynthèse de protéines cytosoliques - Contrôle qualité ribosomes Protéasome 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique L’appareil de Golgi : Structure nombreuses vésicules saccules + dilatés sur la face trans saccules applatis renflés à leurs extrémités nombreuses petites vésicules sur la face cis face du réticulum endoplasmique dépourvue de ribosomes à partir de 1µm laquelle bourgeonnent des vésicules 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique L’appareil de Golgi : Structure Trafic Biosynthèse Maturation Sécrétion Système constitutive endosomal/lysosomal Tri Noyau Membrane plasmique Sécrétion Réticulum Appareil de Golgi régulée endoplasmique Reseau Cis Golgien Reseau Trans Golgien 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique Exemple des vaccins à ARN 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique Exemple des vaccins à ARN 2. Structure et fonctions cellulaires Reproduire et traduire l’information génétique Exemple des vaccins à ARN Lipide cationique Lipide neutre Phospholipide Cholesterol Composants de la vésicule qui entoure l’ARN Tampon assurant un pH et une osmolarité correcte pour la stabilité de l’ARN et l’injection  Sommaire 1. INTRODUCTION AU MONDE VIVANT Les grandeurs en biologie L’organisation du vivant et la démarche en recherche biomédicale Qu’est-ce que le vivant Phylogénie cellulaire 2. STRUCTURES ET FONCTIONS DE LA CELLULE Fonctions essentielles des organites : unicité de la cellule Diversité des cellules : Taille, structure, fonction Les grandes fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Respirer et produire de l’énergie Transformer : biosynthèse, dégradation, enzymes, lysosomes Transporter et se déplacer Informer et signaler Reproduire et traduire l’information génétique : la biologie moléculaire 3. DIVISIONS DE LA CELLULE Cycle cellulaire Mitose Destins cellulaires : apoptose et différentiation Méïose 4. TRANSMISSION DES CARACTÈRES HÉRÉDITAIRES : LA GÉNÉTIQUE Gènes, génomes, génotype, phénotype Les chromosomes Les mutations Modalités de transmission des caractères à la descendance 82 3. Divisions de la cellule Le cycle cellulaire  Cycle cellulaire : série d’événements organisés et contrôlés permettant d’obtenir 2 cellules identiques à la cellule mère 4 phases : G1 (croissance), S (synthèse), G2 (croissance et contrôles), M (mitose) Apoptose Sénescence Facteurs mitogènes G0 Différenciation GO = état quiescent mais actif - cellules différenciées : arrêt en GO (durée variable) + Facteurs mitogènes Durée du cycle variable : 30 minutes ( embryon de xénope), 12h (cellules intestinales) ou 1 an (cellules hépatiques) L’Interphase (22 à 23 H): période comprise entre 2 divisions : elle comprend : une phase G1, une phase S et une phase G2 Durée des phases S et M relativement constantes, G2 et surtout G1, très variables 3. Divisions de la cellule La mitose Cycle cellulaire et importance de la mitose pour le maintien de la ploïdie Interphase quantité d’ADN par cellule (UA) 2 Chromosome simple Chromosome double (= 1 chromatide) (= 2 chromatides) 1 temps Papa Maman Cellule mère (diploïde) Papa Papa Maman 1 Papa 1 Maman Maman Cellules filles Papa Papa 2 2 Maman Maman Papa Maman Papa Maman 4 chromosomes formés 4 chromosomes dupliqués formés d’ 1 chromatide chacun chacun de 2 chromatides associées Dans cet exemple : N (nombre de chromosomes) = 2 2N = 4 (diploïde) Chromosome 1 Chromosome 2 Chez l’homme : N (nombre de chromosomes) = 23 1 paire de chromosomes = 2 chromosomes homologues 2N = 46 (diploïde) = 1 chromosome maternel et un chromosome paternel 3. Divisions de la cellule La mitose 3. Divisions de la cellule La mitose Le déroulement de la mitose 3. Divisions de la cellule La mitose Le déroulement de la mitose PROPHASE PROMETAPHASE METAPHASE ANAPHASE TELOPHASE CYTODIERESE Clichés : Cellules pulmonaires de triton : ADN (bleu), tubuline (vert) C. Rieder 3. Divisions de la cellule La mitose et la proliferation cellulaire Le déroulement de la mitose 3. Divisions de la cellule Destins cellulaires : apoptose et différenciation Apoptose G0 Différenciation (Quiescence) L’apoptose L’apoptose est un suicide cellulaire, une mort cellulaire programmée hautement contrôlée “Corps“ apoptotiques INDUCTION EXECUTION Cellules apoptotiques Une cellule “normale“ reçoit des signaux de mort. Cette cellule enclenche un programme Ces signaux peuvent venir de l’extérieur de la cellule apoptotique qui va conduire à sa propre (ex : TNF, FasL…) ou de l’intérieur de la cellule (ex : destruction sans endommager l’entourage lésions sur l’ADN non réparées…) (pas d’inflammation, contrairement à la nécrose) L’apoptose est un phénomène essentiellement physiologique Contrôle du nombre de cellules Création de nouvelles structures Élimination de cellules anormales Suppression de structures (« sculpture ») 89 3. Divisions de la cellule Destins cellulaires : apoptose et différenciation Apoptose G0 Différenciation (Quiescence) La différenciation La différenciation cellulaire est un processus biologique complexe permettant à une cellule d’acquérir des caractéristiques morphologiques et fonctionnelles spécifiques. Spermato- peau neurones pigments zoïdes ovule La compréhension des mécanismes de différenciation permet de mieux maitriser l’utilisation thérapeutique des cellules souches Cellule ECTODERME Cellules “Réparation“ GERMINALES souche Dédifférenciation Gastrula “iPS“ Zygote Blastocyste Cellule Différenciation malade Cellule (cellules souches !) neurones Cellules pancréatique cardiaques hépatocytes MESODERME ENDODERME patient Restauration des fonctions déficientes Muscle Globules Muscle Thyroïde Cœur Rein Poumon Pancréas strié rouges lisse 90 3. Divisions de la cellule La meïose et les étapes précoces du développement La méiose est une division cellulaire asymétrique spécifique des cellules germinales Principe Rôle essentiel dans la Fertilisation reproduction sexuée Une cellule Deux diploïde se cellules divise pour haploïdes former deux fusionnent cellules pour former haploïdes une cellule diploïde Cellule diploïde = 2N chromosomes Cellule haploïde = 1N chromosomes 3. Divisions de la cellule La meïose et les étapes précoces du développement Les étapes de la méïose 3. Divisions de la cellule La meïose et les étapes précoces du développement Cellules filles Remaniement génétique identiques Réplication de l’ADN Lignées somatiques Mitose Centromère Recombinaison 1 et 3 2 et 3 2 et 4 Crossing-over Chiasmas Brassage génétique Division meïotique II Division Appariement des meïotique I Réplication chromosomes Alignement de l’ADN homologues sur le fuseau Meïose Chromosome paternel Chromosome maternel Lignées germinales GAMETES 3. Divisions de la cellule La meïose et les étapes précoces du développement Les étapes de la méïose dans le cycle de développement Spermatocyte I Ovocyte I Blocage en Prophase I jusqu’à la puberté. Spermatocyte II OvuIation Expulsion du MEIOSE globule polaire I passage à Spermatides l’haploïdie Ovocyte II FECONDATION Blocage en Métaphase II 4 cellules haploïdes (n) = gamètes jusqu’à la fécondation. “Ovotide“ Spermatozoïdes MITOSES Zygote (œuf fécondé) Rétablissement de la diploïdie (2n) 3. Cycle cellulaire, Mitose, Meïose La meïose et les étapes précoces du développement 4. Etapes précoces du développement et destins cellulaires La différenciation consiste en la sélection d’un panel de gènes spécifiques Chaîne d'ADN Les gènes du groupe 1 sont des « gardiens » (house keeper) exprimés dans pratiquement toutes les cellules. gènes Les gènes du groupe 2 sont des gènes impliqués dans la prolifération. Ils s'éteignent dans les cellules différenciées Les gènes du groupe 3 sont des gènes spécifiques des cellules intestinales différenciées ou non. Les gènes du groupe 4 sont des gènes spécifiques des cellules intestinales différenciées (fonctions). Les gènes du groupe 5 sont des gènes spécifiques des cellules cutanées différenciées ou non.  Sommaire 1. INTRODUCTION AU MONDE VIVANT Les grandeurs en biologie L’organisation du vivant et la démarche en recherche biomédicale Qu’est-ce que le vivant Phylogénie cellulaire 2. STRUCTURES ET FONCTIONS DE LA CELLULE Fonctions essentielles des organites : unicité de la cellule Diversité des cellules : Taille, structure, fonction Les grandes fonctions cellulaires Créer et maintenir une structure Respirer et produire de l’énergie Transformer : biosynthèse, dégradation, enzymes, lysosomes Transporter et se déplacer Informer et signaler Reproduire et traduire l’information génétique : la biologie moléculaire 3. DIVISIONS DE LA CELLULE Cycle cellulaire Mitose Destins cellulaires : apoptose et différentiation Méïose 4. TRANSMISSION DES CARACTÈRES HÉRÉDITAIRES : LA GÉNÉTIQUE Gènes, génomes, génotype, phénotype Les chromosomes Les mutations Modalités de transmission des caractères à la descendance 96  4. Eléments de génétique Gènes, génome, génotype, phénotype Un gène est un segment d’ADN contenant une information transmissible. En général il code pour une protéine. Le génome est l’ensemble des gènes d’un organisme donné et des séquences intergéniques non codantes. Le génotype est l’ensemble particulier des allèles du génome d’un individu. Le phénotype est l’ensemble des caractères visibles d’un individu. Phénotype = Locus : position d’un gène dans le génome Génotype + milieu Allèles : formes alternatives d’un gène Génotype Homozygote : A/A, B/B, C/C Hétérozygote : a/A, b/B, c/C Homozygote : a/a, b/b, c/c Phénotype L’allèle A est dominant par rapport à a