BIOCEL PDF - Ultrastructure Cellulaire

Ultrastructure cellulaire Organites cellulaires: Lysosome Ils peuvent être primaires (nouvellement formés) ou secondaires (lysosome primaire + vésicules d’endocytose ou organites cellulaires vieillis)...

Ultrastructure cellulaire Organites cellulaires: Lysosome Ils peuvent être primaires (nouvellement formés) ou secondaires (lysosome primaire + vésicules d’endocytose ou organites cellulaires vieillis) 1  Ultrastructure cellulaire Organites cellulaires: Ribosome Les ribosomes sont des complexes ribonucléoprotéiques (c'est-à-dire composés de protéines et d'ARN) présents dans les cellules eucaryotes et procaryotes. Leur fonction est de synthétiser les protéines en décodant l'information contenue dans l'ARN messager. Ils sont constitués d'ARN ribosomiques, qui portent l'activité catalytique, et de protéines ribosomiques. Les ribosomes sont constitués de deux sous-unités, une plus petite qui « lit » l'ARN messager et une plus grosse qui se charge de la synthèse de la protéine correspondante. Les ARNr sont synthétisés au niveau du nucléole. Les ribosomes peuvent être associés au REG ou libre dans le cytoplasme pour former des polysomes. Grande sous-unité Petite sous-unité 2 Ribosome  Ultrastructure cellulaire Organites cellulaires: Mitochondrie Mitochondries sont présentes dans le cytoplasme de presque tous les eucaryotes aérobies, leur nombre varie selon le type de cellule. Le nombre de mitochondries d'une cellule appelée chondriome. Fonctions: la respiration cellulaire, la synthèse d'ATP. elles sont délimitées par une double membrane. La membrane externe est lisse, alors que la membrane interne présente des membrane externe plis dites crêtes mitochondriales. La cavité interne est remplie d'un liquide appelé la matrice mitochondriale, où il ya des membrane interne enzymes, l'ADN, l'ARN, les mitoribosomes et des petites structures nécessaires pour la crêtes mitochondriales production de certaines protéines. Les Mitochondries se multiplient par fission matrice 3 mitochondriale  Ultrastructure cellulaire Organites cellulaires: Mitochondrie C'est dans la mitochondrie que se font la plupart des réactions chimiques impliquées dans la respiration cellulaire. Pour cela, la mitochondrie est appelée l'usine des la cellule. La matrice mitochondriale: Mélange concentré contenant un grand nombre d’enzymes intervenant dans la dégradation de l’Ac. pyruvique et dans le fonctionnement du cycle de Krebs. Contient également de L’ADN, ARNm, ribosomes ainsi que les enzymes nécessaires à l’expression de ses gènes et à la duplication de son ADN. La membrane interne: son repliement en crêtes permet d’augmenter sa surface. elle contient des protéines qui accomplissent trois types de fonctions (1) protéines de la chaine respiratoire (2) un complexe enzymatique appelé ATP synthase qui synthétise l’ATP dans la matrice et (3) des protéines de transport qui régulent les échanges de métabolites entre la matrice et l’extérieur. La membrane externe: contient de canaux permettant le passage de molécules ne dépassant pas une taille de 5000 daltons. Elle contient aussi des enzymes intervenant dans le métabolisme des lipides. L’espace intermenbranaire: contient des protéines de transport d’ATP vers l’extérieur 4 La respiration cellulaire comprend une série de réactions chimiques assez complexes qui consistent à l'extraire l'énergie des molécules complexes comme le glucose, et la convertir en ATP. Elle sera présentée en 3 étapes. La respiration comprend trois stades qui permettent de libérer l'énergie emmagasinée dans le glucose : 1. la glycolyse qui a lieu dans le cytosol 2. le cycle de Krebs qui a lieu dans la matrice de la mitochondrie 3. la phosphorylation oxydative qui a lieu dans la membrane de la mitochondrie. 5 A : LA GLYCOLYSE OU VOIE D'EMBDEN-MEYERHOL On définit ce processus métabolique comme l'oxydation d'une molécule de glucose en 2 molécules de pyruvate, dont l'équation bilan est la suivante: C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2Pi --> 2CH3CO COOH + 2NADH + 2H+ + ATP La dégradation initiale du glucose se fait dans le cytosol et comprend une série de 10 étapes chacune catalysées par une enzyme spécifique. Le glucose (un sucre à 6 carbones) se fait dégrader pour produire 2 molécules à 3 carbones chaque, le pyruvate. Cette dégradation se fait en deux phases : 1) La première phase utilise l'énergie de l'ATP (2 ATP) pour déstabiliser le glucose, une molécule très stable qui autrement ne pourrait se faire dégrader. C'est la phase d'investissement d'énergie. 2) La deuxième étape voit la libération de l'énergie à partir des molécules organiques, donc 4 ATP et 2 NADH + 2 H+ sont produits. La molécule de glucose a été convertie en 2 molécules de pyruvate. 6 B : LE CYCLE DE KREBS Le cycle de Krebs comprend 8 étapes qui termine la travail de la glycolyse en dégradant un dérivé de l'acide pyruvique (l'acétyl-CoA) en dioxyde de carbone (CO2) et en produisant de l'ATP. Les molécules de pyruvates produites par la glycolyse contiennent encore beaucoup d'énergie qui doit être extraite. Si l'oxygène est présent, le pyruvate rentre dans la mitochondrie pour être oxydé et relâcher l'énergie. Elles seront d'abord transformées en acétyl-CoA (réaction intermédiaire), engendrant la formation de NADH + H+. 7 8 C : LA CHAINE RESPIRATOIRE La phosporylation oxydative produit près de 90% de l'ATP engendrée par la respiration. Il s'agit donc de la production d'ATP par l'ajout d'un groupement phosphate à l'ADP grâce à l'énergie libérée lors du transport d'électrons le long d'une chaîne de molécules (réactions d'oxydo-réduction). 9 10  Ultrastructure cellulaire Organites cellulaires: Plastes Les plastes sont des organites spécifiques des végétaux. Il en existe trois types les chloroplastes, les chromoplastes et les leucoplastes qui dérivent tous de la maturation d'un type de plaste indifférencié (proplaste). Leur génome est plus complet que celui des mitochondries. chloroplastes leucoplastes chromoplastes amyloplastes Composition chimique d’un chloroplaste 11  Ultrastructure cellulaire Organites cellulaires: Plastes plaste initial amyloplaste proplaste amidon chloroplaste cristal jeune leucoplaste protéique Différentiation des plastes leucoplaste cristaux de caroténoïdes chromoplaste gouttelette lipidique amyloplaste grain goutte lipidique contenant d’amidon des pigments en solution chloroplaste mature 12 chromoplaste  Les proplastes sont des petits organites spécifiques des cellules végétales de structure simple et non différenciés que l'on trouve généralement dans les méristèmes Les chloroplastes sont des organites présents dans le cytoplasme des cellules végétales. Ils sont sensibles aux expositions des différentes ondes du spectre lumineux. Par l'intermédiaire de la chlorophylle qu'ils possèdent. Un chromoplaste est un organite observé dans les cellules des organes végétaux riches en pigments non chlorophylliens, comme les carotènes, colorés de jaune à orange (par exemple les cellules de pétales de fleurs). Les leucoplastes représentent une catégorie de plastes, N'ayant pas de pigments, les leucoplastes ne sont pas verts, ce qui suggère une localisation dans les racines et dans les tissus non photosynthétiques. Ils peuvent se spécialiser pour stocker des réserves d'amidon, de lipides ou de protéines, ils sont alors respectivement appelés amyloplastes, oléoplastes, ou protéinoplastes. Un amyloplaste est un plaste qui s'est spécialisé dans le stockage de l'amidon. Il est présent en particulier dans les cellules des organes de réserves, comme les tiges souterraines hypertrophiées (tubercules) de pomme de terre. Les oléoplastes sont des organites spécifiques des cellules végétales spécialisés dans le stockage des lipides, essentiellement sous forme de plastoglobules (gouttelettes lipidiques sphériques).. 13  Les protéinoplastes (parfois appelés protéoplastes, aleuroplastes, ou aleuronaplastes) sont des organites spécialisés et spécifiques des cellules végétales. Ils contiennent des corps cristallins de protéines dont certaines peuvent être des enzymes. Les protéinoplastes sont présents dans de nombreuses graines, telles que les cacahuètes 14  Ultrastructure cellulaire Organites cellulaires: Plastes Comme la mitochondrie le chloroplaste possède également une double membrane (une interne et une externe), ADN, ARN et ribosomes. Il est aussi capable de s’autodupliquer. L’intérieur de cette organite est occupé par des petites saccules qu’on appelle les thylacoïdes. Ces derniers s’empilent les uns sur les autres pour former un granum. l’ensemble des Grana baignent dans un liquide appelé le stroma. Le stroma (comme la matrice de la mitochondrie) contient un grand nombre d’enzymes qui sont impliqués dans différents processus métaboliques. Le chloroplaste est le siège de la transformation de l’énergie lumineuse en énergie chimique qui sert à la production des molécules organiques. Ce processus est assuré par un pigment vert qu’il contient: la chlorophylle. Duplication des chloroplastes structure d’un chloroplaste membrane interne membrane externe empilement de thylacoïde = granum 15 stroma Thylacoïdes Structure et rôles du matériel héréditaire 1- Rappel sur la structure des acides nucléique 2- Synthèse des protéines 3- Multiplication cellulaire 16  Structure et rôles du matériel héréditaire 1- Rappel sur la structure des acides nucléique Les nucléosides sont des glycosylamines faites par le rattachement d'une base azotée (purine ou pyrimidine)à un ose à cinq carbones le ribose (pour l’ARN) ou desoxyribose (pour l’ADN). Dans les cellules, les nucléosides peuvent être phosphorylés par des kinases spécifiques, ce qui produit des nucléotides, les éléments constitutifs de l'ADN et de l'ARN Guanine Thymine nucleotide nucleoside Guanosine Thymidine Cytosine Uracile Adenine 17 Cytidine Uridine Adenosine Structure et rôles du matériel héréditaire 1- Rappel sur la structure des acides nucléique 18  Structure et rôles du matériel héréditaire 1- Rappel sur la structure des acides nucléique L’ADN est constitué par C, T, G et A alors que dans l’ARN le T est remplacée par U les nucléotides se lient entre eux par des liaisons phosphodiesteres pour former une structure monocaténaire d’acide nucléique (ex: ARNm) c’est la structure primaire de l’acide nucléique: Donc les acides nucléiques sont des polymères linéaires de nucléotides reliés par des liaisons phosphodiesteres. L’ARN est un polymère de ribonucleotides alors que l’ADN est un polymère de desoxyribonucleotides 19  Structure et rôles du matériel héréditaire 1- Rappel sur la structure des acides nucléique Des acides nucléiques bicaténaire (ex: ADN, certaines portion d’ARNt ou ARNr) peuvent se former par l’appariement entre deux chaines monocaténaires complémentaires. Structure bicaténaire Structure en hélice de l’ADN 20  Structure et rôles du matériel héréditaire 1- Rappel sur la structure des acides nucléique Structure II Structure III ADN bicaténaire ARN monocaténaire Structure II et III Structure II et III 21 ARNr ARNt  Structure et rôles du matériel héréditaire 1- Rappel sur la structure des acides nucléique Structure secondaire de l’ARN ARNr 22  Structure et rôles du matériel héréditaire 1- Rappel sur la structure des acides nucléique Sciences Réplication Génomique Réparation ADN Transcription Transcription reverse Transcriptomique ARN Expression de Traduction l’information Protéomique Protéine 23 Structure et rôles du matériel héréditaire 2- Synthèse des protéines 24 25  2- Synthèse des protéines Dans la cellule, l'ADN possède l'information nécessaire à la synthèse des protéines. Cette information est contenue dans la séquence en nucléotides des gènes. Le transfert de l'information des gènes vers les protéines se déroule en deux grandes étapes : la transcription et la traduction. 1- la transcription: L'information contenue dans le noyau, au sein de la molécule d'ADN, est transmise au cytoplasme, lieu de synthèse des protéines : c'est la transcription. L'ADN contient la totalité de l'information génétique, mais un seul brin, le brin transcrit, transmet l'information par l'intermédiaire d'une molécule, l'ARN messager (ARNm). L'ARN est formé d'un seul brin comprenant une succession de nucléotides dont les bases sont : Adénine (A), Cytosine (C), Guanine (G) et Uracile (U). Les bases sont complémentaires de celles de l'ADN : A-U, T-A, C-G, G-C. Lors de la transcription, l'ADN se détache localement, des nucléotides se placent de façon complémentaire le long du brin transcrit, formant l'ARNm. C'est la transcription génétique (voir schéma 1 : La transcription). L'ARNm quitte le noyau pour le cytoplasme. La transcription de l'ADN en ARNm nécessite l'intervention d'une enzyme : l'ARN polymérase. 26 27 28  2- Synthèse des protéines 2- Traduction -Dans le cytoplasme, l'assemblage des acides aminés constitutifs d'une protéine est dicté par l'ARNm : c'est la traduction. Au cours de cette étape, le message de l'ADN contenu dans l'ARNm est décodé. Un code de correspondance doit donc exister : c'est le code génétique. L'unité de code, ou codon, est formée de trois nucléotides. A chaque codon correspond un acide aminé. Il existe donc 43 = 64 possibilités, c'est à dire 64 codons pour vingt acides aminés. (voir schéma 2 : Le code génétique). -Des codons différents codent le même acide aminé : on les appelle codons synonymes et on dit alors que le code génétique est redondant ou dégénéré. Par exemple, l'alanine est codée par 4 codons différents : GCU, GCC, GCA, GCG. Certains codons ne correspondent à aucun acide aminé : ce sont des codons non-sens ou codons-stop. Malgré quelques exceptions, le code génétique est le même chez tous les êtres vivants : il est universel. 29  2- Synthèse des protéines NB: le code génétique est redondant. La redondance est propriété du code génétique par laquelle plusieurs codons de l‘ARNm peuvent correspondre au 30 même acide aminé.  2- Synthèse des protéines 2-Traduction (fin) -Les acides aminés sont reconnus par des ARN de transfert (ARNt) qui comprennent une séquence de trois nucléotides (appelé anticodon), complémentaire d'un codon de l'ARNm. -La traduction se déroule en trois étapes. -La protéine formée est déversée dans le cytoplasme. Elle est soit conduite directement vers son lieu d'utilisation dans la cellule, soit destinée à l'exportation et dans ce cas subit une mutation, c'est à dire des remaniements (coupures, acquisition de la structure tridimensionnelle, etc.). Elle est rejetée de la cellule par exocytose. Toutes ces étapes se réalisent en présence d'enzymes et nécessitent de l'énergie apportée par les mitochondries. 31  3- Multiplication cellulaire Le cycle cellulaire: Le cycle cellulaire des eucaryotes comporte quatre grandes étapes (Figure ci-contre). La phase S où la synthèse d'ADN se produit lors de duplication des chromosomes en deux chromatides sœurs identiques. Entre la Phase S: Phase G1: phase S et le début de la mitose (phase M) une période de croissance, croissance duplication de cellulaire avant l’ADN désigné par phase G2. duplication de Une autre période de croissance, l’ADN appelé la phase G1, se produit entre la fin de la phase M et le début de la phases S. Phase G2: La mitose est composé de quatre phases croissance consécutives: prophase, métaphase, cellulaire après anaphase et télophase duplication de l’ADN 32 Cycle cellulaire d’une cellule eucaryote 3- Multiplication cellulaire Le cycle cellulaire: 33  3- Multiplication cellulaire Le cycle cellulaire: dédoublement des chromosomes et par conséquence de la quantité d’ADN (si au départ on avait 2n, au cours de ses phase on a 4n Séparations des chromatides sœurs et retour à la quantité initiale d’ADN au niveau des cellules filles. 34  3- Multiplication cellulaire La mitose ou la phase M: Interphase début de milieu de fin de Prophase Prophase Prophase Au cours de la prophase, chaque chromosome se raccourcit et s'épaissit par enroulement sur lui même. Le centrosome se duplique et migrent progressivement vers les deux pôles de la cellule L’enveloppe nucléaire se désagrège et disparait en fin de prophase Le fuseau mitotique se forme á partir des centrosomes 35  3- Multiplication cellulaire La mitose ou la phase M: 1 A la métaphase, se forme le fuseau mitotique (filaments aux quels s’associant les chromosomes au niveau de leurs centromères) et les chromosomes migrent vers le milieu de la cellule pour formé la plaque équatoriale. 2 Lors de l'anaphase, les deux chromatides se séparent de chacun des chromosomes répliqués migrent vers les pôles opposés par dépolymérisation des microtubules du fuseau. Ces chromatides sœurs sont, à ce stade considérés comme de nouveaux chromosomes 3 La division du cytoplasme (cytocinèse) commence en télophase, les chromosomes se relâchent et de nouvelles membranes nucléaires se forment au tour des groupes de chromosomes à chaque pôle de la cellule. 4 Lorsque la mitose est terminée, deux cellules filles identiques, contenant le même nombre de chromosomes que la cellule mère, seront formées 36 37  3- Multiplication cellulaire La mitose ou la phase M: fin interphase fin prophase fin anaphase A D G debut prophase metaphase telophase B E H prophase debut anaphase cellules soeurs debut interphase C F I 38  3- Multiplication cellulaire La méiose La forme prédominante de reproduction chez la plupart des eucaryotes pluricellulaires est la reproduction sexuée (par opposition a la reproduction asexuée qui se fait par mitose). À la maturité sexuelle, certaines cellules (diploïdes) de la lignée germinale se spécialisent pour former des gamètes (haploïdes). le processus biologique qui aboutit a la formation de gamètes s’appelle la méiose La méiose est subdivisé en deux cycles: - Le 1er correspond à la division réductionnelle ou Méiose I - Le 2eme correspond à la division équationnelle ou Méiose II Un cycle méiotique complet comprend une réplication initiale de l'ADN et deux divisions cytoplasmiques, ce qui donne quatre produits haploïdes, qui ne sont pas génétiquement identiques. 39  3- Multiplication cellulaire La méiose Schéma résumant les étapes de la méiose pour une cellule à 2n = 4 40