samedi 26 janvier 2008

LA CELLULE

Jean Luc VALLEREAU


HISTORIQUE
Première représentation de la cellule en 1662 par Robert HOOKE. Tissus végétaux: le liège.
Premiers travaux sur la cellule entre 1830 et 1860. Théorie cellulaire en 1839.
Les êtres vivants sont des organismes collectifs dont les unités sont appelées cellules.


I - MORPHOLOGIE GÉNÉRALE DE LA CELLULE

A - MOYENS D'ÉTUDE
Pouvoir séparateur de l'oeil humain: 0.2 mm à 25 cm.
Deux types de microscopes:

1) MICROSCOPE OPTIQUE
Utilisation de la lumière.
Possibilité d'étudier des cellules vivantes.
Pouvoir de séparation: 0.2 µm.
Utilisation de colorants qui peuvent tuer la cellule, sauf les colorants dits vitaux.

2) MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE
Utilise des faisceaux d'électrons qui bombardent la préparation.
Les zones qui laissent passer les électrons apparaissent en blanc.
Celles qui ne les laissent pas passer apparaissent en noir.
Les zones intermédiaires donnent tous les dégradés de gris.
Grand pouvoir séparateur, jusqu'à 4 Å et plus (1 Å = 10-10 m).
Grossissement qui peut aller jusqu'à 1 000 000 de fois.
La préparation doit être placée dans le vide, ce qui entraîne la mort des cellules aérobies.
Nécessité d'observer des coupes de l'ordre de 5.10-5 mm d'épaisseur.

B - NOMBRE & DIMENSIONS

1) NOMBRE
De 1 chez les êtres unicellulaires à environ 1015 par exemple chez l'homme.
Chez l'être humain, 50 millions de cellules meurent par seconde.

2) DIMENSIONS
Elle peuvent aller jusqu'à 7 cm: le jaune d'oeuf d'autruche.
La plupart mesurent entre 7 et 20 µm.
Les neurones ont un diamètre faible mais leur longueur peut aller jusqu'à 1 m.

C - ORGANISATION GÉNÉRALE DE LA CELLULE

(schéma)


II - LES CONSTITUANTS DE LA MATIÈRE VIVANTE

A - LES SUBSTANCES ORGANIQUES

1) LES GLUCIDES (SUCRES)

a) Les glucides simples (oses)
Monosaccharides
Molécules à 6 carbones ou hexoses
. Glucose
. Fructose (fruits)
. Galactose (lait)
Molécules à 5 carbones ou pentoses
. Ribose (ARN)
. Désoxyribose (ADN)
Disaccharides (composés de deux sucres simples)
Saccharose: glucose + fructose (sucre de table)
Lactose: glucose + galactose (sucre du lait)
Maltose: glucose + glucose (graines en germination)

b) Les glucides complexes ou polysaccharides constitués de plusieurs oses
Les glucides végétaux
Amidon (céréales, féculents)
Cellulose (bois)
Les glucides animaux
Glycogène (présent dans le foie et les muscles).

2) LES LIPIDES
Ils peuvent être liquides ou solides.
Ils sont constitués de 2 types de molécules:

a) Les acides gras
Ce sont de longues chaînes de carbone.
Ils peuvent être:
saturées (graisse animale)
insaturées(graisse végétale)
Ils sont associés à un alcool qui est souvent le glycérol.
Acide gras + alcool (glycérol): Triglycérides.

(Schéma)

Acide gras + alcool (stérol): Cholestérol
Les lipides sont aussi utilisés pour l'énergie.
Ils sont stockés dans le tissu adipeux.

b) Les phospholipides
Ce sont les constituants essentiels de la membrane plasmique.
Ils ont un pôle hydrophile et un pôle hydrophobe.

(schéma)

3) LES PROTIDES

a) Les acides aminés
Ce sont les composants de base (a.a.).
Il en existe 20 dans la matière organique vivante.
Ils peuvent s'associer entre eux pour former des chaînes ± longues que l'on appelle des protéines.

(schéma) (-aa1) (-aa2) (-aa3) (-aa4)

b) Les protéines
Les petites protéines sont appelées des peptides.
Les grandes chaînes sont appelées des polypeptides.
Les enzyme sont des protéines actives.
Il existe aussi des protéines de structure.
Elles se différencient selon:
Le nombre d'acides aminés ou le nombre de séquences.
L'ordre des acides aminés.

B - LES SUBSTANCES MINÉRALES

1) L'EAU
2/3 du poids corporel.
Rôle: dissolution des composants de l'organisme.
Liquide caloriporteur (peut porter la chaleur).

2) LES SELS MINÉRAUX
Éléments chimiques sous formes ioniques (chargés électriquement)
Sodium: Na+
Potassium: K+
Chlorure de sodium: Cl-
Calcium: Ca++
Magnésium: Mg++
Fer: Fe


III - LES ASPECTS STRUCTURAUX ET FONCTIONNELS DE LA CELLULE

A - LES ÉCHANGES AVEC LE MILIEU EXTRA-CELLULAIRE

1) LA MEMBRANE PLASMIQUE
2 couches avec au centre une zone plus claire
C'est une double couche de phospholipides
Modèle en mosaïque fluide

(schéma)


2) LE TRANSPORT DES MOLÉCULES A TRAVERS LA MEMBRANE

a) Transport des petites molécules
Transport passif
Les échanges se font en fonction des différences de concentration.

(schéma)

L'eau passe à travers la membrane, du milieu le moins concentré vers le milieu le plus concentré. C'est l'osmose.
La pression osmotique est proportionnelle à la différence de concentration entre milieu interne et externe.
Si une hématie (globule rouge) est plongée dans de l'eau salée, l'eau va en sortir.
Si au contraire elle est plongée dans de l'eau distillée, elle gonfle et peut éclater par hémolyse.

(schéma)

Les autres molécules peuvent également traverser la membrane en fonction de sa porosité.
C'est la diffusion.

Transport actif
Il se fait en dépit et contre la différence de concentration (gradient).
Il nécessite des pompes.

b) Transport de grosses molécules (particules)
Si la membrane n'est pas perméable aux grosses molécules, leur transport va nécessiter la formation de vésicules.
Endocytose
Absorption de molécules par la cellule.
Phagocytose pour les solides.
Pinocytose pour les liquides.
Une fois introduites dans la cellule les particules sont détruites par d'autres vésicules: les lysosomes.
Ceux-ci contiennent des enzymes (exemple: les hydrolases) qui digèrent les particules.
Exocytose
Élimination des déchets et des sécrétions d'hormones ou d'enzymes

3) LES AUTRES RÔLES DE LA MEMBRANE PLASMIQUE

a) Activité enzymatique/antigénique
Les cellules nerveuses ont des contacts entre elles: message nerveux ou influx nerveux (transfert d'ions) (transfert de molécules)

B - LES PHÉNOMÈNES ÉNERGÉTIQUES - LE MÉTABOLISME

1) LA RESPIRATION (AÉROBIE)

Absorption d'oxygène
Rejet de CO2
La respiration utilise les nutriments (aliments digérés: glucose, acide gras...)
Ces nutriments, en présence de O2, sont oxydés pour former de l'énergie (molécules d'ATP)
Les déchets sont du gaz carbonique (CO2) et de l'eau (H20)
Nutriments + O2 ==> Énergie (ATP) + CO2 + H2O

La respiration se fait en 2 étapes:
- au niveau du cytoplasme, le glucose est transformé en pyruvate (c'est une glycolyse)
- au niveau des crêtes mitochondriales, le pyruvate + O2 donne par oxydation de l'ATP

(schéma) crêtes (oxydation et production importante d'énergie)

Le pyruvate va être dégradé en présence d'O2 d'où production d'énergie sous forme d'ATP.
L'énergie produite sera utilisée ensuite par la cellule.

2) LA FERMENTATION (ANAÉROBIE)

Fermentation alcoolique par les levures.
La fermentation lactique qui, avec le pyruvate, va produire de l'acide lactique.
L'acide lactique est responsable de la fatigue musculaire qui peut donner des crampes.

(Schéma)

La fermentation proprement dite ne produit pas d'énergie.


IV - L'INFORMATION GÉNÉTIQUE ET SON EXPRESSION

A - LE CYCLE CELLULAIRE

1) LA DIVISION CELLULAIRE OU MITOSE

Découverte en 1870 environ
Une cellule naît, vit et meurt. Elle doit donc être remplacée.
Ce remplacement fait intervenir un certain nombre de mécanismes: c'est la division cellulaire.
Chaque cellule possède une information génétique qui sera transmise aux cellules filles.

Les étapes de la mitose:
- L'interphase est la période d'activité de la cellule
- La division cellulaire commence: réduction de l'activité, modification essentiellement perçue au niveau du noyau (la division dure environ une heure et se déroule àavec une fréquence variée). Les cellules nerveuses, elles, ne se reproduisent pas.

Au fur et à mesure que la division progresse, l'ADN va se condenser (devenir de plus en plus épaisse par spiralisation) Les chromosomes deviennent apparents.

a) La prophase
Les chromosomes apparaissent. Ils se condensent de plus en plus et se spiralisent.

(schéma)

b) La métaphase
Apparition des centrioles qui migrent aux pôles de la cellule.
Se forment alors des fils constituant le fuseau achromatique.
Les chromosomes qui se sont individualisés se fixent sur le fuseau achromatique au niveau du centromère.
L'enveloppe nucléaire commence à disparaître.

(schéma)

c) L'anaphase
Les chromosomes se retrouvent alignés au milieu de la cellule sur la plaque équatoriale.
Chaque chromatide de chaque chromosome migre vers un pôle de la cellule.
Les chromosomes se cassent en deux.

(schéma)

d) La télophase
Disparition du fuseau achromatique.
Reconstitution progressive de l'enveloppe nucléaire.
Décondensation des chromosomes.
Le cytoplasme se coupe en deux au niveau du sillon de division et les deux cellules filles se séparent.

(schéma)

Au début on a 46 chromosomes à 2 chromatides chacun.
A la fin de la mitose, on se retrouve avec 2 fois 46 chromosomes à 1 chromatide.

2 - LA CONSERVATION DE L'INFORMATION GÉNÉTIQUE

a) La molécule d'ADN (acide désoxyribonucléique)
L'ADN est constitué de 3 types de molécules:
- Un sucre: le désoxyribose
- Un phosphate: P
- Une base azotée qui peut être:
. Adénine A
. Thymine T
. Cytosine C
. Guanine G
Ces bases sont complémentaires 2 à 2: A/T et G/C
L'ensemble forme un nucléotide.
L'ADN est une double hélice, succession de désoxyribose et de phosphates.

(schéma)

b) La réplication de l'ADN
Ouverture de la molécule grâce à l'ADN polymérase.
Les 2 brins de l'ADN se séparent.
L'ADN polymérase va reformer le brin manquant par complémentarité.
Les 2 molécules d'ADN sont donc identiques génétiquement.

(schéma)

Les cellules filles possèdent donc la même information génétique que les cellules mères.

B - LA SYNTHÈSE DES PROTÉINES

Ce sont les protéines qui sont porteuses de l'information génétique.
L'ADN est dans le noyau.
La synthèse des protéines a lieu dans le cytoplasme.
Un messager est nécessaire entre les deux: l'ARNm (Acide Ribonucléique messager).

1) LA TRANSCRIPTION DE L'ADN EN ARNm
N'est traduit qu'un seul des deux brins: le brin codant.
On joue de la complémentarité en remplaçant la thymine (T) par l'uracile (U).
Dans la structure, la ribose est remplacée par la désoxyribose.

(schéma)

C'est une petite partie de l'ADN (1 gène) qui va donner naissance à une protéine spécifique.
Cet ARN est constitué dans le noyau.
D'autres ARN sont constitués:
. l'ARN de transfert (ARNt)
. l'ARN ribosomial.
Il se présente sous forme de chromatine (ARN non condensé).
Les ARNm sortent du noyau par les pores de la membrane nucléaire: ce sont les petites molécules.

2) LA TRADUCTION DE L'ARNm EN PROTÉINE

L'ARNm est traduit grâce à des organites qui s'appellent les ribosomes.
Seules certaines parties du gène sont traduites.
Les ribosomes se situent sur le réticulum endoplasmique.
Ils peuvent aussi être libres dans le cytoplasme et s'associer dans les polysomes.
Les polysomes produisent les protéines qui servent à la cellule elle-même.
Les ribosomes viennent se fixer sur les brins de l'ARNm.

(schéma)

Il existe 4 bases pour former 20 acides aminés.
Cela nécessite donc des combinaisons de 3 base (64 possibilités).
Le code va être redondant.
Plusieurs codons (ensembles de 3 bases) peuvent coder pour le même acide aminé.

Tableau: le code génétique.

Il y a 61 ARNt différents.
Ils sont dans le cytoplasme.
Ils viennent se placer dans les cavités des ribosomes.
Fixation des ARNt.
Une liaison se fait entre les acides aminés.
Le ribosomes se déplacent d'un cran (3 bases).
L'ARNt disparaît, seule reste la chaîne d'acides aminés.

(schéma)

Les acides aminés:

voir liste.

A la rencontre d'un codon stop, ou codon non sens, le ribosome s'en va.
La protéine est libérée (enzyme).
Elle va dans le cytoplasme:
. soit dans le réticulum endoplasmique
. soit directement dans le hialoplasme.

3) LE DEVENIR DES PROTÉINES

On enlève la métionine qui sert de signal start.
Acquisition de la forme en 3 dimensions des protéines.
C'est la séquence qui détermine la forme de la protéine en 3 dimensions.
C'est cette forme qui va déterminer à son tour la fonction de chaque protéine.
Cette structure est acquise soit directement dans le cytoplasme au niveau des polysomes, soit dans le réticulum endoplasmique.
Ce sont des enzymes.

Celles qui vont être exportées sont d'abord stockées dans des structures particulières: les appareils de Golgi.

(schéma)

Quand l'organisme a besoin de ces protéines, il se forme des vésicules de sécrétion.
Ces vésicules transportent les protéines par exocytose vers l'extérieur de la cellule.
Ce peut être des lisosomes.
Ils sont constitués d'une bulle formée par une membrane


V - LA TRANSMISSION DES CARACTÈRES HÉRÉDITAIRES - LA GÉNÉTIQUE

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