Notes de cours Biologie Cellulaire (BIO201) : La cellule sa structure et ses fonctions
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Cours
Biologie Cellulaire (BIO201)
Établissement
Grenoble I - Université Joseph-Fourier
Cours sur la structure et les fonctions de la cellule : présentation des différents organites, des
techniques d’observation de la cellule, définition des membranes biologiques et des
transports et introduction à la synthèse et adressage des protéines au sein de la cellule à
partir du co...
Bio 201 : Biologie cellulaire 1
La cellule : sa structure et ses fonctions
Résumé
Cours sur la structure et les fonctions de la cellule : présentation des différents organites, des
techniques d’observation de la cellule, définition des membranes biologiques et des
transports et introduction à la synthèse et adressage des protéines au sein de la cellule à
partir du code génétique.
Prise de notes de l’UE BIO 201 : UGA DLST niveau L1.
LILIAN MOREAUX
,Table des matières
I – Introduction à la cellule ...................................................................................................................................................... 3
1) Introduction ..................................................................................................................................................................... 3
2) Les constituants du vivant ............................................................................................................................................. 4
3) Différents types de cellules ........................................................................................................................................... 5
4) Panorama de la cellule eucaryote ................................................................................................................................ 8
II – Techniques d’observation et d’é tudes des cellules ....................................................................................................14
1) Introduction à la microscopie .....................................................................................................................................14
2) Microscopie photonique..............................................................................................................................................16
A) Principe .....................................................................................................................................................................16
B) Microscope à fond clair..........................................................................................................................................17
C) Microscope à contraste de phase ........................................................................................................................18
D) Microscope à épifluorescence..............................................................................................................................19
D) Microscope confocal ..............................................................................................................................................20
E) Microscope à feuillet de lumière..........................................................................................................................21
F) Préparation des échantillons .................................................................................................................................21
3) Microscopie électronique ............................................................................................................................................23
A) Principe .....................................................................................................................................................................23
B) Microscope électronique à transmission ............................................................................................................23
C) Microscope électronique à balayage ...................................................................................................................25
4) Cytométrie en flux.........................................................................................................................................................26
A) Principe .....................................................................................................................................................................26
B) Exemples...................................................................................................................................................................27
C) Tri cellulaire (Fluorescence Activated Cell Sorting) ...........................................................................................28
III - Structure et fonctions des membranes biologiques ..................................................................................................28
1) Structure et composition des me mbranes ...............................................................................................................28
A) Définition d’une membrane ..................................................................................................................................28
A) Lipides membranaires ............................................................................................................................................29
B) Protéines membranaires .......................................................................................................................................31
C) Glycocalyx .................................................................................................................................................................34
D) Fluidité me mbranaire.............................................................................................................................................35
E) Synthèse des composés membranaires ..............................................................................................................36
2) Transports perméatifs ..................................................................................................................................................36
A) Perméabilité de la membrane ..............................................................................................................................36
B) Transport passif .......................................................................................................................................................38
C) Transports actifs ......................................................................................................................................................40
3) Transports cytotiques...................................................................................................................................................42
A) Exocytose..................................................................................................................................................................42
1
, B) Endocytose ...............................................................................................................................................................43
C) Transcytose ..............................................................................................................................................................44
IV – Synthèse des protéines...................................................................................................................................................44
1) Transcription ..................................................................................................................................................................45
A) Structure des acides nucléiques...........................................................................................................................45
B) Structure d’un gène eucaryote .............................................................................................................................45
C) Synthèse des ARN ...................................................................................................................................................46
D) Maturation du transcrit primaire.........................................................................................................................47
E) Bilan ...........................................................................................................................................................................48
2) Traduction ......................................................................................................................................................................49
A) Le code génétique...................................................................................................................................................49
B) L’ARN de transfert...................................................................................................................................................49
C) Le ribosome..............................................................................................................................................................50
D) Initiation ...................................................................................................................................................................51
E) Elongation .................................................................................................................................................................51
F) Terminaison ..............................................................................................................................................................52
3) Maturation, tri et transport des protéines ...............................................................................................................52
A) Devenir des protéines ............................................................................................................................................52
B) Translocation dans le réticulum endoplasmique ..............................................................................................53
C) Maturation dans le réticulum endoplasmique ..................................................................................................54
D) La voie de sécrétion................................................................................................................................................54
E) L’appareil de Golgi...................................................................................................................................................55
F) Sécrétion des protéines..........................................................................................................................................56
2
,I – Introduction à la cellule
1) Introduction
La définition d’une cellule a beaucoup évolué au cours du temps, aujourd’hui on la
définit selon ces critères :
- La cellule est l'unité fondamentale de structure et de fonction des différents
êtres vivants
- Toutes les cellules descendent de cellules préexistantes par division cellulaire
- Les cellules contiennent une information génétique caractéristique (portée par
l'ADN) transmise successivement à leur descendance
- Toutes les cellules ont une composition chimique identique
- Les cellules possèdent un flux énergétique propre (métabolisme cellulaire)
- L'activité d'un organisme est dépendante de la totalité des activités des cellules
indépendantes qui le constituent.
Les cellules actuelles auraient apparemment évolué à partir d’un ancêtre commun ce
qui explique pourquoi toutes les cellules ont toutes la même chimie de base (étude du
génome et de l’apparition des mutations). Une cellule pour se reproduire duplique son
ADN en transmettant les instructions génétiques contenues dans son ADN à chacune
des cellules filles. Mais parfois la copie n’est pas parfaite et des petites modifications
ou « mutations » qui peuvent conférer aux cellules filles un avantage ou un
désavantage (+ compliqué pour la reproduction sexuée), ce qui explique pourquoi elles
sont si différentes.
L’observation de fossiles nous fait penser que les procaryotes sont apparus avant les
eucaryotes. Et que les cellules se sont complexifiées au cours de l’évolution. On pense
par exemple que le système de membranes internes (noyau, du réticulum
endoplasmique et de l’appareil de golgi ont évolué à partir d’invagination de la
membrane plasmique de procaryotes ancestraux. On pense que des cellules
eucaryotes primitives possédant ce système endomembranaire ont englobé des
bactéries aérobies qui évoluèrent en mitochondries dans la cellule eucaryote et des
bactéries photosynthétiques qui auraient donné les chloroplastes. C’est la théorie de
l’endosymbiose.
Pour décrire une cellule, on utilise un modèle de base qui comprend ces 4 critères :
▪ Elles portent l'information génétique (ADN) : les gènes fournissent les
instructions commandant la forme, la fonction et le comportement complexe
des cellules.
▪ Elles sont délimitées de leur environnement par une membrane formée d'une
double couche lipidique et de protéines
3
, ▪ Leur machinerie permet d'assurer les fonctions de base d'expression de la vie,
comme le métabolisme (production et conversion de l'énergie), la reproduction
(transmission de l'information génétique), la motilité (mobilité cellulaire) etc.
▪ Les cellules échangent avec leur environnement de l'énergie et de la matière et
sont ainsi en état d'équilibre (homéostasie).
Les virus, bien qu’ils soient très similaires aux cellules, ne sont pas des cellules car ils
ne possèdent pas la machinerie nécessaire à l’expression de la vie, ils ont besoin de la
machinerie d’une cellule hôte pour se reproduire.
2) Les constituants du vivant
Les cellules sont constituées d’eau (environ 70%) et de matière (environ 30%) dans
cette matière on retrouve des ions et petites molécules (4%), et le reste ce sont des
molécules organiques (à base de carbone) il y a 4 grandes catégories : Les lipides (2%),
des acides nucléiques 1% ADN, 6% ARN, 15% de protéines et 2% de sucres. Ces 4
grandes catégories de molécules organiques peuvent présenter des structures
complexes constituées à l’origine de petites molécules que l’on peut appeler éléments
unitaires. Ce sont des polymères de monomères :
- Les acides nucléiques peuvent être des chaines de nucléotides reliés par des
liaisons phosphodiester. En plus de l’ADN et de l’ARN il y a aussi des dérivés
nucléotidiques comme l’Adénosine triphosphate dont la déphosphorylation (la
perte d’un atome de phosphate) libère une énergie utilisée dans de nombreuses
réactions cellulaires.
- Les sucres ou glucides peuvent être des polysaccharides, des chaînes de
monosaccharides, comme le glucose relié par une liaison osidique
(Métabolisme cellulaire → grand nombre de liaisons CH dont l’oxydation libère
de l’énergie). On en retrouve dans les acides nucléiques avec le désoxyribose et
le ribose et dans la paroi des plantes (cellulose) et des bactéries
(peptidoglycane) ainsi qu’au niveau de la membrane plasmique
- Les triglycérides par exemple sont composés d’une molécule de glycérol sur
laquelle se lient trois molécules d’acides gras (liaison ester). Les lipides, en
général, sont soit hydrophobes soit amphiphiles. Les phospholipides sont
retrouvés avec le cholestérol dans les membranes. Les triglycérides produisent
une quantité importante d’ATP grâce à l’oxydation d’acides gras (liaisons CH).
Enfin on retrouve aussi les cires (esters d’acides gras et d’alcool), très
hydrophobes dans les cuticules des insectes ou des feuilles et les pigments
photosynthétiques des plantes (chlorophylles, carotènes) comme molécules
lipidiques
- Les protéines sont des chaînes d’acides aminés reliés par des liaisons
peptidiques. On en retrouve de nombreux types aux multiples actions :
enzymatique, défense, transport, structure, mouvement, régulation et réserve.
4
,L’eau joue un triple rôle :
- Rôle de solvant des molécules organiques et inorganiques (sels minéraux
comme le calcium, le fer, le magnésium etc…)
- Permet une organisation des structures grâce aux molécules hydrophobes (ex :
membrane plasmique)
- Intervient dans des réactions chimiques cellulaires en tant que produit
(synthèse par déshydratation) ou tant que réactif (ex : hydrolyse)
3) Différents types de cellules
Caractéristiques Cellule procaryote Cellule eucaryote
Taille typique 1-10µm 10-100µm
Vrai noyau avec une
Type de noyau Nucléoïde
double membrane
Organites Non Oui
Mitose (réplication de la
Division de la cellule Division simple cellule), méiose (menant à
la formation de gamètes)
Cellules animales Non
Paroi cellulaire Oui (peptidoglycane) Cellules végétales Oui
Champignon oui
Membrane nucléaire Non Oui
Nucléole Non Oui
Synthèse de l’ARN dans le
Synthèse ARN et noyau, synthèse de
Couplé, cytoplasme
protéines protéines dans le
cytoplasme
Dispersés dans le
Localisation des Dispersés dans le
cytoplasme ou liés au
ribosomes cytoplasme
réticulum endoplasmique
Il existe deux types fondamentaux de cellules :
Les cellules procaryotes : cellules sans vrai noyau c’est-à-dire que le matériel génétique
n’est pas enfermé dans une enveloppe nucléaire, et sans organites à part des replis de
la membrane plasmique dits mésosomes.
Les cellules eucaryotes : le noyau est délimité par une enveloppe nucléaire. Des
membranes internes délimitent des compartiments cytoplasmiques appelés organites.
Les organismes eucaryotes sont souvent pluricellulaires (végétaux, animaux, la plupart
des champignons sauf levures) mais il y a aussi des eucaryotes unicellulaires (levures =
champignons unicellulaires, et protistes algues, amibes, paramécies)
5
, Chez les procaryotes on retrouve le règne des Archébactéries : procaryotes à paroi
dépourvue de peptidoglycane adaptés aux milieux extrêmes (thermophiles extrêmes,
halophiles salés extrêmes) et des bactéries (procaryotes à paroi de peptidoglycane)
Chez les eucaryotes on retrouve le règne des animaux (pluricellulaires hétérotrophes),
des plantes (pluricellulaires photosynthétiques), des champignons (pluri ou
unicellulaires comme les levures) hétérotrophes à paroi de chitine.
Et des Protistes « fourre-tout ou on a mis les algues et les eucaryotes unicellulaires très
divers qui ne rentrent pas bien dans les autres catégories (paramécies, amibes…) ». Ils
sont principalement unicellulaires
(certaines algues sont pluricellulaires) et
sont photosynthétiques ou hétérotrophes.
Pour les eucaryotes le matériel génétique
est dans le noyau : les cellules animale et
végétale sont entourées par une
membrane plasmique et présentent, en
grande partie les mêmes organites. Mais, la
cellule végétale est caractérisée par :
- La présence d’une paroi
- La présence des plastes (chloroplaste)
- Une vacuole de grande taille pouvant occuper la plus grande partie du volume
cellulaire
Certains protistes et champignons possèdent également parois et vacuoles (plus
petites) et certains protistes ont aussi des plastes (algues)
Les cellules eucaryotes ont une
organisation interne complexe et
compartimentée. La plupart des
structures se retrouvent à la fois chez les
cellules animales et végétales (noyau,
réticulum, ribosomes, golgi,
mitochondries, fibres du cytosquelette,
peroxysomes). Cependant il y a certaines
structures qu’on trouve chez les végétaux
et qui ne sont pas chez les animaux comme la paroi, les plastes, la grande vacuole
centrale. Et inversement il y a des structures que l’on trouve chez les animaux mais pas
chez les végétaux comme, les centrosomes avec centrioles, les lysosomes sont
différents (des vacuoles peuvent des activités enzymatiques proches des lysosomes).
Les cellules animales peuvent avoir des cils et des flagelles alors que les cellules
végétales en sont dépourvues (sauf les gamètes de certaines espèces végétales).
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