Généralités sur la cellule PDF

Biologie cellulaire Pr. Sergent GÉNÉRALITÉS SUR LA CELLULE SOMMAIRE I – Introduction...........................................................................................................

Biologie cellulaire Pr. Sergent GÉNÉRALITÉS SUR LA CELLULE SOMMAIRE I – Introduction.............................................................................................................................................. 2 II – Propriétés fondamentales des cellules................................................................................................ 2 A. Les cellules sont les plus petites unités douées de vie................................................................... 2 B. Les cellules présentent une unité de composition........................................................................... 2 C. Les cellules sont entourées d’une membrane plasmique................................................................ 3 D. Les cellules possèdent un programme génétique........................................................................... 3 1. L’information génétique................................................................................................................... 3 2. Code génétique................................................................................................................................ 4 3. Conversion de l’information génétique............................................................................................ 4 E. Les cellules sont capables de se protéger elles-mêmes..................................................................... 5 F. Les cellules acquièrent et consomment de l’énergie.......................................................................... 5 G. Les cellules sont des usines chimiques miniatures......................................................................... 5 H. Les cellules sont le siège de nombreuses activités mécaniques..................................................... 6 III – Classification des cellules.................................................................................................................... 6 A. Domaines......................................................................................................................................... 6 1. La cellule classée en 3 domaines.................................................................................................... 6 B. Les cellules procaryotes.................................................................................................................. 7 1. La structure des cellules bactériennes............................................................................................. 7 C. Les cellules eucaryotes.................................................................................................................... 8 1. Les caractères des cellules eucaryotes absents des cellules procaryotes..................................... 8 2. Organisation des cellules eucaryotes animales............................................................................... 8 3. Le cytosol......................................................................................................................................... 8 D. Différenciation cellulaire................................................................................................................... 9 1. Les animaux sont des organismes pluricellulaires........................................................................... 9 IV – Conclusion............................................................................................................................................. 9 1 Biologie cellulaire Généralités sur la cellule I – Introduction La théorie cellulaire repose sur les notions suivantes. La cellule est l’unité fondamentale de la vie. C’est une : - Unité structurale - Unité fonctionnelle - Unité métabolique Tous les organismes sont composés d’une ou plusieurs cellules. Toute cellule ne peut provenir que de la division d’une cellule préexistante. II – Propriétés fondamentales des cellules Les cellules sont douées de propriétés fondamentales, communes à toutes les cellules. Il existe 8 propriétés fondamentales correspondant aux 8 prochaines parties du cours : 1. Les cellules sont les plus petites unités douées de vie 2. Les cellules présentent une unité de composition 3. Les cellules sont entourées d’une membrane plasmique 4. Les cellules possèdent un programme génétique 5. Les cellules sont capables de se protéger elles-mêmes 6. Les cellules acquièrent et consomment de l’énergie 7. Les cellules sont des usines chimiques miniatures 8. Les cellules sont le siège de nombreuses activités mécaniques A. Les cellules sont les plus petites unités douées de vie Les cellules sont animées de vie : elles peuvent survivre en culture si elles sont cultivées dans des conditions favorables. Dans certains cas, elles peuvent même proliférer. B. Les cellules présentent une unité de composition Les cellules expriment des protéines. Certaines protéines sont systématiquement présentes dans les cellules pour assurer les structures et les fonctions indispensables. D'autres protéines ne sont pas présentées en systématique et seront présentes ou non selon le type cellulaire. Cette différence d'expression entre les cellules assure la diversité des types cellulaires Les acides nucléiques sont détenteurs de l'information génétique. Les phospholipides sont les éléments structuraux de toutes les membranes. 2 Biologie cellulaire Généralités sur la cellule Protéines Phospholipides Acides nucléiques - Rôle structural - Structure des - Porte l’information Rôle - Rôle fonctionnel membranes génétique de la cellule C. Les cellules sont entourées d’une membrane plasmique Une bicouche lipidique est une double couche de phospholipides : - 1 couche en contact avec le milieu extra-cellulaire - 1 couche en contact avec le milieu intra-cellulaire La barrière retient les nutriments et les produits synthétisés. La perméabilité sélective permet de faire : - Rentrer les nutriments dans la cellule - Sortir les déchets de la cellule La membrane plasmique est constituée de 2 feuillets, l'un en contact du milieu extracellulaire et l'autre du milieu intracellulaire. Chaque feuillet présente une couche de phospholipides. D. Les cellules possèdent un programme génétique Les cellules sont construites d’après une information codée par les gènes. Les gènes sont formés d’ADN. - L’ADN est constitué de deux brins enroulés en hélice autour d’un axe commun. - Les brins sont constitués de monomères appelés nucléotides. Un nucléotide est formé d’une base associée à un ose (= un sucre) et un phosphate. - Nucléotide = base + ose + phosphate - Il existe 4 types de nucléotides différents par leurs bases (4 types de base) : o A o T o C o G - Ces bases sont projetées à l’intérieur de l’hélice - Les 2 brins sont liés par les bases 1. L’information génétique L’information génétique réside dans des séquences, c’est-à-dire selon l’ordre linéaire des nucléotides (bases) le long d’un brin d’ADN. Ces séquences spécifiques dans l’ADN forment les gènes. Code génétique : 3 bases de l’ADN à suivre = 1 codon. ð Exemple : A-A-G = le codon AAG Chaque codon (= chaque suite de 3 bases dans une séquence génétique) correspond à 1 acide aminé. ð Exemple : au codon AAG correspond la Lysine (cf. tableau page suivante). On distingue 4 types de bases. Donc 43 possibilités de triplets de bases (codon) : 64 types de codons. Aux séquences spécifiques des nucléotides dans les gènes correspondent des séquences spécifiques d'acides aminés dans les protéines. 3 Biologie cellulaire Généralités sur la cellule Ceci est dû à l'existence d'un code génétique où à 3 bases de l'ADN (codon) correspond un acide aminé. 2. Code génétique On distingue 20 types d'acides aminés (dans les cases jaunes). De 64 combinaisons de codons, nous passons à seulement 20 acides aminés car les acides aminés les plus fréquents sont codés par plusieurs codons. ð Exemple : l’Arginine peut être codée par les codons CGU, CGC, CGA, CGG, AGA et AGG. Certains codons ne correspondent à aucun acide aminé. Ils sont appelés codons STOP (ou "non-sens" ou "de terminaison"), car ils ne sont généralement pas traduits. Ce sont les codons : UAA, UAG et UGA 3. Conversion de l’information génétique L'information codée par l'ADN dans un gène est convertie en protéine par deux phénomènes consécutifs : 1. La transcription : la région codante du gène dans l'ADN est copiée en Acide RiboNucléique simple brin (ARN) avec une séquence équivalente à l'un des deux brins d'ADN. On obtient en final un ARN messager (ARNm) qui quitte le noyau de la cellule 2. La traduction permet la conversion de l'ARNm en protéine grâce à une structure complexe appelée ribosome, constituée de protéines et d'ARN. Le ribosome assemble les uns après les autres les 4 Biologie cellulaire Généralités sur la cellule acides aminés selon l'ordre précis dicté par la séquence de l'ARNm. Les acides aminés une fois assemblés les uns aux autres forment une protéine. Ceci grâce au code génétique E. Les cellules sont capables de se protéger elles-mêmes Les cellules se reproduisent par division. La duplication de l'ADN dans la cellule mère a lieu avant la division cellulaire et elle permet d'avoir une égale et identique répartition de l'ADN dans les 2 cellules filles. Ce phénomène s'appelle la réplication. F. Les cellules acquièrent et consomment de l’énergie C’est l’énergie cellulaire. Chez les cellules animales, l’énergie provient le plus souvent du glucose. Le glucose est dégradé dans la cellule et fournit de l’énergie. Son énergie est transformée en une forme rapidement disponible, l’ATP (= Adénosine TriPhosphate). L'ATP, par hydrolyse (= dégradation) en ADP (adénosine diphosphate) + P (phosphate), apporte de l'énergie pour l'activité cellulaire. G. Les cellules sont des usines chimiques miniatures Simultanément, ont lieu de très nombreuses réactions chimiques. L’ensemble des réactions chimiques de la cellule s’appelle le métabolisme cellulaire. Dans le schéma (qui n’est pas à retenir), se trouve un exemple de métabolisme cellulaire coordonné permettant de fournir de l'énergie à la cellule sous forme d'ATP. La respiration cellulaire consomme de l'oxygène pour produire de l'ATP grâce à une chaîne de transport des électrons (electron transport chain). Elle nécessite la mise en œuvre de nombreux métabolismes. 5 Biologie cellulaire Généralités sur la cellule Le cycle de l'acide citrique (TCA) qui oxyde des groupements acétyles produit des molécules contenant des électrons échangeables, qui seront cédés à la chaîne de transport des électrons afin de permettre son fonctionnement. Les groupements acétyles proviennent de la dégradation : - Du glucose, via la glycolyse - Des acides gras, via la beta-oxydation (ou fatty acid oxygenation) - Des protéines Une partie de ces métabolismes sera étudiée de manière plus approfondie dans le cours sur la mitochondrie. H. Les cellules sont le siège de nombreuses activités mécaniques On peut prendre pour exemple le transport de matériaux (symbolisés ici par les ronds bleus et rouges), le long de structures à l’intérieur de la cellule appelés les microtubules (en vert). Les microtubules sont des filaments particuliers parmi l'ensemble des filaments constituant le cytosquelette. Les déplacements cellulaires peuvent avoir lieu sur support solide (exemple : cellule cancéreuse de métastases) ou en milieu liquide (exemple : spermatozoïde dans le sperme). Ces mouvements font aussi intervenir des structures de la cellule, faisant partie du cytosquelette. Le cytosquelette sera étudié dans un chapitre à venir. III – Classification des cellules A. Domaines 1. La cellule classée en 3 domaines Parmi les êtres vivants actuels, on distingue 3 domaines : - Les eubactéries - Les eucaryotes - Les archéobactéries Parmi les eucaryotes, on trouve 4 sous-domaines : - Les plantes 6 Biologie cellulaire Généralités sur la cellule - Les animaux - Les champignons - Les protistes Parmi les eubactéries que l'on désigne aussi comme "bactéries" tout simplement, on trouve les bactéries courantes comme Escherichia coli. On trouve aussi les cyanobactéries (ou algues bleue ou algues bleu-vert) qui sont des cellules pigmentées. Ces cyanobactéries capturent la lumière pour produire de l'énergie. Elles sont responsables du voile vert bleuté à la surface de certains lacs et étangs. Les protéobactéries sont spécialisées dans l'utilisation de l'oxygène. Les archéobactéries sont des organismes unicellulaires hautement résistants à des environnements extrêmes par exemple à une forte salinité, des températures élevées ou encore à une forte acidité. Les eubactéries et les archéobactéries permettent de définir un ensemble de cellules appelées les procaryotes, que l'on distingue donc des eucaryotes. B. Les cellules procaryotes 1. La structure des cellules bactériennes Caractéristique d’une cellule bactérienne : - Taille : 1 à 3 µm. - Nombre de gènes : 1000 à 6000 - Nombre de protéines : 5000 Pour étudier les cellules procaryotes, on peut prendre l'exemple d'une cellule bactérienne. La structure est relativement simple. Les bactéries disposent de beaucoup moins de gènes que l'homme (24 000 gènes). La cellule bactérienne n’a pas de noyau défini avec une enveloppe, mais une région mal délimitée dans la région centrale de la bactérie. Cette région est appelée nucléoïde. Généralement, elle contient un seul chromosome avec un ADN circulaire. Il peut être relié à la membrane plasmique par des protéines. On peut trouver d'autres petits ADN circulaires appelés plasmides. On trouve également des gènes dans la cellule bactérienne. La membrane plasmique entoure un compartiment unique. Elle est entourée à l'extérieur d'une paroi de peptidoglycanes (qui apporte forme et rigidité). Il peut parfois avoir en plus, une enveloppe enrichie en polysaccharides et glycolipides appelée membrane externe ou capsule (avec un rôle de protection). 7 Biologie cellulaire Généralités sur la cellule Dans le compartiment intérieur qui est unique, se trouvent tous les systèmes moléculaires nécessaires pour les différents métabolismes sans aucune compartimentation dans les activités. Ceci limite donc le nombre d'activités métaboliques simultanées car il peut y avoir des réactions chimiques incompatibles. Le métabolisme des procaryotes est donc simple. Dans la cellule bactérienne, on trouve aussi de nombreux ribosomes. Certains procaryotes disposent de flagelles qui peuvent permettre des déplacements en milieu liquide. C. Les cellules eucaryotes 1. Les caractères des cellules eucaryotes absents des cellules procaryotes Les cellules eucaryotes ont un vrai noyau avec une enveloppe nucléaire. Elles contiennent : - Plusieurs chromosomes - Un ADN linéaire - Un ADN associé à des protéines appelées histones. Les cellules eucaryotes ont des petits compartiments entourés d’une membrane appelés organites. Les organites sont spécialisés dans des fonctions précises. Parfois, des réactions chimiques incompatibles peuvent avoir lieu simultanément. Les organites augmentent l’efficacité du métabolisme cellulaire. 2. Organisation des cellules eucaryotes animales Parmi les organites, on trouve : - Le noyau - Les lysosomes - Les mitochondries, - L'appareil de Golgi - Le réticulum endoplasmique La membrane plasmique et les ribosomes ne sont pas des organites mais des structures cellulaires. - La membrane plasmique (MP) délimite la cellule et protège le milieu intérieur. - Le noyau renferme l'information génétique. - Les mitochondries convertissent de l'énergie en ATP grâce à la respiration et à l'oxygène. - Le réticulum endoplasmique (RE) et l'appareil de Golgi (AG) permettent la synthèse et le transport des protéines et des lipides. - Les lysosomes entretiennent les cellules en dégradant les molécules et les organites endommagés. Toutes ces structures seront étudiées dans les chapitres à venir. 3. Le cytosol Le cytosol est le milieu intérieur de la cellule sans organites. Il est entouré par la membrane plasmique. Le cytosol est composé de : - 85% d’eau - De molécules organiques : protéines et glucides - De molécule inorganiques : électrolytes 8 Biologie cellulaire Généralités sur la cellule Il ne faut pas confondre le cytosol et le cytoplasme. Le cytoplasme représente le contenu entre le noyau et la membrane plasmique. Cytoplasme = Cytosol + Organites SAUF le noyau /!\ D. Différenciation cellulaire 1. Les animaux sont des organismes pluricellulaires Les différentes activités sont assurées par des cellules spécialisées de types différents. Les cellules présentent des aspects et un contenu variable adapté à leurs fonctions. Chez l’homme : - 1014 cellules, soit 100 000 milliards de cellules - 200 types différents de cellules Cette spécialisation est apportée par un phénomène appelé ``différenciation''. Presque toutes les cellules de l’organisme portent la même information génétique. Seulement certains gènes sont actifs et donc transcrits, puis utilisés pour la synthèse des protéines. IV – Conclusion Dans tous les cours à venir, nous ne traiterons que des cellules eucaryotes animales (sauf exception). L’organisation structurale et fonctionnelle des cellules eucaryotes est complexe (noyau et organites), et continue à être explorée. En effet, des perturbations dans cette organisation et ces fonctions peuvent conduire à des pathologies. L’étude de ces perturbations permet de définir de nouvelles cibles thérapeutiques. 9