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COURS IFSI 2009
UE2 S1 Biologie fondamentaleLa cellule
Viviane GUILLAUME Professeur
Biochimie - Génie Biologique -Biologie médicale
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Les cellules
Les plus petits organismes sont constitués d’une seule cellule et sont microscopiques.Les grands organismes sont multicellulaires.les corps humain contient au moins 1014 cellules et plus de 300 types différents.Toutes les cellules par tagent les mêmes caractéristiques structurales.La membrane plasmique définit la périphérie de la c e l l u l e , q u i s é p a r e s o n c o n t e n u d e l’environnement.Le cytoplasme comprend le cytosol dans lequel se trouvent les organites ou organelles.
Plan
Généralités
- Définition eucaryotes et procaryotes
- Vue d’ensemble d’une cellule.
- Les différents domaines de la biologie cellulaire.
- Méthodes d’étude des cellules.
- La cellule, un contenant et un contenu.
- Le contenant : la membrane cellulaire.
- Le contenu : le cytosol.
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Structure et architecture- protéines- glucides - lipides
Propriétés de la membrane plasmique- perméabilité- les transports- des petites molécules- des macromolécules
Lʼosmose
La membrane plasmique
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Le cytosol- Ultrastructure- Les organites
Entourés dʼune membrane Non entourés dʼune membrane
Réticulum endoplasmique rugueux Ribosomes
Réticulum endoplasmique lisse Microtubules - MicrofilamentsCytosquelette
Appareil de Golgi Centrioles
Lysosome
Mitochondrie
Noyau
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Cellules eucaryotes et procaryotes
Une cellule eucaryote possède « un vrai noyau ». Le matériel génétique est délimité par une structure membranaire.
Les organismes sont différents et variés et appartiennent au règne animal OU végétal.
L’ ultrastructure est générale et commune à l’intérieur de chaque règne.
Une cellule procaryote a son matériel génétique « libre » dans la cellule. Les bactéries sont des procaryotes.
Levure Poisson zèbre Ascaris Drosophile
Eschérichia coli - MEB
Eschérichia coli - MET
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Méthodes d’étudeÉtude de lʼorganisation cellulaire
Techniques morphologiques
Microscope à fond noir Microscope à contraste de phase
Microscope à contraste d’interférence différentielle Microscope à fluorescence
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Étude de la constitution physico-chimique des cellules
Techniques analytiques
Physiques Chimiques
CytophotométrieDiffraction aux RX
Cytophotométrie de flux
CytochimieCytoenzymologie
Immunocytochimie
Méthodes biochimiques
Fractionnement cellulaire
Caractérisation
UltracentrifugationChromatographieÉlectrophorèse
SpectrophotométrieHybridation moléculaire
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Étude du fonctionnement cellulaire
Techniques expérimentales
Cultures cellulaires Méthodes expérimentales
Utilisation de marqueursUtilisation de traceursMicromanipulations
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La cellule est entourée par une membrane appelée membrane cellulaire ou plasmique
Deux espaces intérieur et extérieur
L’intérieur est constitué par le cytosol
Le contenant
Le contenu
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La membrane cellulaire est aussi appelée membrane plasmique
La membrane plasmique qui entoure les cellules, forme des compartiments fermés en séparant les unes des autres les cellules et permet leur individualité.
La membrane plasmique contrôle l’entrée des substances nutritives et le rejet des déchets. Elle maintient les différences indispensables entre son contenu et l’environnement et engendre des différences de concentration ioniques entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule.
La membrane plasmique est un capteur de signaux externes et permet à la cellule de se modifier en réponse aux modifications de l’environnement
Toutes les membranes biologiques ont une structure globale commune. Ce sont des assemblages de molécules protéiques et lipidiques selon le modèle de la mosaïque fluide.
La membrane cellulaire
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Le cytosol
Le cytosol est constitué en moyenne à 85 % dʼeau, mais il est quatre fois plus visqueux que lʼeau.
Lʼensemble des organites de la cellule baigne dans cette solution neutre dont le pH est de 7.
On appelle « cytoplasme » lʼensemble du cytosol et des organites quʼil contient.
Cʼest dans ce milieu aqueux que la plupart des activités cellulaires
(le métabolisme) ont lieu.
En plus des organites, on y trouve différents solutés dissous tels que :
- des molécules sous formes simples, - des molécules sous formes complexes (macromolécules), - des ions inorganiques, - des gaz dissous (oxygène et dioxyde de carbone).
LA MEMBRANE PLASMIQUE
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Structure de la membranefibres de la matrice
extracellulaire
glycoprotéine
glucide LIQUIDE EXTRACELLULAIRE
microfilaments du cytosquelette
cholestérol
protéine périphérique protéine
intramembranaire CYTOPLASME14
Phospholipides
La double couche phospholipidique
Glycolipides
Cholestérol
comprend- des phospholipides- des glycolipides- du cholestérol
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PropriétésLes phospholipides sont «amphiphiles»- ont une extrémité «polaire» : qui aime lʼeau hydrophile- ont une extrémité «apolaire» : qui nʼaime pas lʼeau hydrophobe
Cʼest la nature amphiphile des molécules lipidiques qui provoque la formation spontanée de doubles couches en solution aqueuse. La formation de la partie lipidique des membranes biologiques est un processus dʼauto-assemblage. En plus, ces molécules lipidiques ont tendance à se refermer sur elles-mêmes pour former des compartiments.Les phospholipides forment des «micelles».
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Propriétés générales conférées à la membrane par la double couche lipidique
La double couche lipidique est un fluide bidimensionnel.
La fluidité de la membrane dépend de sa composition
Les phospholipides
- Les chaînes dʼacides gras saturés et insaturés sont liés dans la même molécule lipidique ce qui leur permet de rester dans la même phase (liquide).Les acides gras à chaîne saturée peuvent passer de lʼétat liquide à lʼétat cristallin ou de gel.
- La distribution des phospholipides est asymétrique cʼest-à-dire que ce ne sont pas les mêmes dans chaque couche .
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Le cholestérol- Tend à rendre les doubles couches moins fluides (noyau
stéroïde) , il empêche le rapprochement des chaînes hydrocarbonées et leur cristallisation.
- Le cholestérol permet à la cellule de changer de forme car il peut subir le « mouvement de bascule » flip-flop et ceci très rapidement. Il maintient la stabilité mécanique de la cellule.
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Les protéines membranaires
Nombreuses protéines différentes
Posit ionnement précis dans la bicouche , asymétrique
Protéines intrinsèques
Passages transmembranaires sont généralement des hélices α hydrophobes de 20 à 25 acides aminés
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Protéines ancrées et glycoprotéines
Liées aux membranes par des interactions électrostatiques faibles
- soit aux groupements polaires des lipides (a)- soit aux domaines intracellulaires de protéines intrinsèques (b)
cytosol
Les glucides sont exposés à lʼextérieur de la cellule
b
protéines du globule rouge
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Fonctions de la membrane plasmiqueLa membrane plasmique est une barrière imperméable
Le caractère hydrophobe de la double couche lipidique ne permet pas le passage des molécules polaires.
Les cellules doivent aussi régler les concentrations ioniques intracellulaires.Cʼest donc que la membrane peut être perméable à certaines substances
Concentration intracellulaire
mM
Concentration extracellulaire
mM
CationsNa+
K+
Ca+
Mg+
H+
5 -151400,5
10 -48.10-4 - pH 7.1
1455
1 - 21 - 2
4.10-5 - pH 7,4
AnionsCl- 5 -15 110
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La perméabilité de la membrane
On utilise une membrane artificielle cʼest–à- dire constituée dʼune double couche de phospholipides uniquement et on mesure la vitesse diffusion dʼun certain nombre de molécules.
La membrane artificielle, faite de phospholipides, ne contient pas de protéines.
animation à voir un peu difficilehttp://www.johnkyrk.com/cellmembrane.fr.html
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Les protéines de transportIl existe deux types de protéines de transport
- Les canaux protéiques- Les protéines porteuses
Les canaux protéiques forment des pores aqueux qui traversent la membrane. Lorsque ces canaux sont ouverts, des ions inorganiques de petite taille peuvent passer.
Les protéines porteuses transporteurs se lient à un soluté spécifique et subissent un changement de conformation pour faire passer le soluté dʼun côté lʼautre de la membrane
fermé
ouvert
animation
animation 23
Transports membranairesPetites molécules
Les molécules peuvent traverser la double couche par un mouvement spontané vers l’équilibre sans apport d’énergie, dans le sens du gradient de concentration on parle dans ce cas de transport passif.
Si le mouvement des molécules a lieu contre le gradient de concentration, on parle de transport actif car ce type de transport nécessite de l’énergie.
Transport passif
La diffusion simple : passage dʼune petite molécule à travers la membrane comme les gaz par exemple. La v i tesse d i f f us ion es t tou jou rs proportionnelle à la concentration du soluté.
La diffusion facilitée : nécessitela présence dʼune protéine canalou protéine porteuse.
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Direction de la molécule transportée et co transports
Uniport Molécule véhiculée dʼun côté à lʼautre.
Symport Le transfert dʼun soluté dépend dʼun transfert simultané ou consécutif dʼun second soluté dans le même sens.
Antiport Le transfert des deux molécules se fait dans le sens opposé.
animation
voir l’ animationhttp://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120068/bio03.swf
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Transport actifDe premier ordre ou primaire
La protéine porteuse doit être reliée directement à une source dʼénergie comme lʼhydrolyse de lʼATP. Un soluté est pompé contre un gradient de concentration.
La pompe Na+/K+/ATPase
- La concentration des ions sodium est supérieure à la concentration du sodium à lʼintérieur, ils devraient donc entrer dans la cellule.
- Le sodium entre mais il est expulsé vers lʼextérieur par la pompe qui fonctionne grâce à lʼénergie qui provient du métabolisme.
- Pour les ions potassium c ʼest lʼinverse, cʼest-à-dire quʼil est refoulé vers lʼintérieur de la cellule. voir une animation
http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120068/bio03.swf
animation
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La pompe Ca++/ATPase
- Même principe que la pompe sodium. Elle existe au niveau dela membrane plasmique et du réticulum endoplasmique.
- Le Ca++ sort du cytoplasme vers le milieu extérieur. Il entre dans le réticulum endoplasmique.
La pompe H+/K+/ATPase
- Les ions K+ entrent et les ions H+ sortent
- Cette pompe existe dans les cellules sécrétrices de lʼestomac, dans les cellules de lʼépithélium rénal
http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.102.b3/index.htm
http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.102.b3/index.htm
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- La protéine porteuse a deux sites l’un pour Na+ l’autre pour le glucose. La concentration du sodium est importante à l’extérieur, le glucose se fixe à la pompe à l’état « pong » Na+ et le glucose pénètrent en même temps dans la cellule.
- Le sodium est réexpulsé vers l’extérieur par la pompe Na+/K+ATPase
- L e g l u c o s e a u n a u t r e t r a n s p o r t e u r d a n s l a membrane baso-latérale et il passe par diffusion facilitée vers le liquide extracellulaire via le sang.
- L a p o m p e f o u r n i t indirectement l’énergie pour le système symport Na+/glucose.
- C’est pourquoi on dit que c’est un transport secondaire.
animation
Transport actif de second ordre ou secondaire « PONG – PING »
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Transports membranairesMacromolécules
L’endocytose est le processus qui permet l’incorporation des grosses molécules. Certaines de ces molécules sont des sources d’éléments nutritionnels.
La pinocytose est une propriété de toutes les cellules. Elle permet lʼentrée de liquides ou de ce que contiennent les liquides dans la cellule.
La phagocytose ne sʼeffectue que dans les cellules spécialisées telles les macrophages et les granulocytes
- La phagocytose des particules de grande dimension comme les microorganismes et les débris cel lulaires sont ingérés par l ʼ in termédiaire de vésicules dʼendocytose de grande taille appelées phagosomes.
- Les phagosomes fusionnent avec les lysosomes en formant des phagolysosomes ; le matériel est digéré et le matériel indigeste forme « les corps résiduels »
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L’exocytose
La majorité des cellules libèrent également des macromolécules à lʼextérieur par exocytose. Ce processus est ainsi engagé dans le remodelage des membranes
Les molécules libérées par exocytose peuvent :
- S’intégrer dans la membrane plasmique- Faire partie des structures sous extra
membranaires- Etre libérées dans le liquide extra cellulaire et
servir de signaux aux autres cellules
Une caractéristique importante de l’endocytose et de l’exocytose est que les macromolécules sécrétées ou ingérées sont isolées à l’intérieur de vésicules et ne se mélangent pas à d’autres molécules ou organites du cytoplasme.
reticulum endoplasmique
appareil de Golgi
vésicule
animation
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animation à voirhttp://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120068/bio02.swf
Lʼendocytose par récepteurs interposés est une voie qui permet de prélever des molécules spécifiques à partir du liquide extracellulaire par lʼintermédiaire de récepteurs.
http://www.susanahalpine.com/anim/Life/endo.htm
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OsmoseDéfinition
Lʼosmose correspond à la diffusion nette de lʼeau, dʼune zone riche en eau vers une zone pauvre en eau
Expérience 1
Dans un récipient,on définit deux compartiments séparés par une membrane perméable à lʼeau et aux molécules de solutés X.
- Dans le compartiment 1 on met de lʼeau pure- Dans le compartiment 2 on met le soluté X
Observation
‣ Le soluté se déplace de 2 ---> 1‣ Lʼeau se déplace de 1 --->2
➡ A l'EQUILIBRE
- La concentration en eau dans les deux compartiments est la même sans changement de volume
- Le mouvement de lʼeau dépend de la concentration du soluté cʼest-à-dire du nombre de particules de soluté
- Plus la concentration de soluté est forte plus la concentration de lʼeau est faible
Si on dépose une cellule (contenant des solutés) dans un liquide, la membrane cellulaire délimite un compartiment extracellulaire et un compartiment intracellulaire. La membrane est imperméable aux solutés.
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Expérience 2
On modifie le système en plaçant une membrane perméable à lʼeau mais NON perméable au soluté
- Lʼeau diffuse dans le compartiment 2 jusquʼà ce que la concentration soit égale dans les deux compartiments
- La concentration du soluté en 2 diminue en raison de lʼeau et augmente en 1
➡ A LʼEQUILIBRE
Lʼeau atteint lʼéquilibre de diffusion et la concentration des solutés dans les deux compartiment est égale
Conséquence
‣ Les volumes des deux compartiments ont changé. C ʼest l ʼ imperméabi l i té de la membrane au soluté qui condui t au changemen t de vo l ume assoc ié au phénomène de lʼosmose
‣ Dans cette expérience, on a considéré que les « compartiments » nʼavaient pas de limite et que le déplacement de lʼeau ne créé as de différence de pression à travers la membrane
‣ Si les parois du compartiment 2 ne pouvaient pas se distendre, le déplacement de lʼeau vers le compartiment 2 provoquerait une élévation de pression qui s ʼopposerait à toute pénétration supplémentaire dʼeau
Pression Osmotique
La pression osmotique est la force qui sʻoppose au flux de lʼeau à travers une membrane qui sépare une solution contenant des solutés non diffusibles et de lʼeau pure.
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Application aux cellules
Si on dépose une cellule (contenant des solutés) dans un liquide, la membrane cellulaire délimite un compartiment extracellulaire et un compartiment intracellulaire.
La membrane est imperméable aux solutés
Importance pratique en médecine
On injecte souvent des médicaments dissous soit dans une solutionde NaCl ou de Glucose isotonique cʼest-à-dire de même concentration que le liquide intracellulaire.
Si le même médicament était d i s s o u s d a n s l ʼe a u p u r e , i l entraînerait le gonflement des cellules et destruction des cellules
Isotonicité
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http://rea.decclic.qc.ca/dec_virtuel/biologie/101-NYA-05/Cellule_et_evolution/1.La_Cellule/Transport_membranaire/transport.htm
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Transports membranaires
transport passif transport actif
http://programs.northlandcollege.edu/biology/Biology1111/animations/transport1.html
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LE CYTOSOL
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Cellule eucaryote ultrastructure
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ribosomes
enveloppe nucléairenucléoplasme
nucléole
noyau
réticulum endoplasmique
rugueux
péroxysome
centriole
microtubule
vésicule
mitochondrie
complexe de Golgilysosome
réticulum endoplasmique lisse
microfilaments
membrane plasmique
cytosol
Cellule eucaryote ultrastructure
ribosomes
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Entourés dʼune membrane Non entourés dʼune membrane
Réticulum endoplasmique rugueux Ribosomes
Réticulum endoplasmique lisse Microtubules - MicrofilamentsCytosquelette
Appareil de Golgi Centrioles
Lysosome
Mitochondrie
Noyau
Les organites
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Les organites non entourés d’une membrane
Le cytosquelette
- Ce réseau fibreux, de nature protéique, constitue à la fois un squelette et une musculature pour les cellules eucaryotes.
- Il sert à maintenir la forme de la cellule et il intervient également dans les mouvements internes, les déplacements, ainsi qu'au cours de la division cellulaire.
- Les filaments du cytosquelette mesurent de 7 à 25 nm de diamètre.
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Les ribosomes sont des petites structures constituées de deux sous-unités dʼARN liées ensemble.Certains sont libres dans le cytosol tandis que dʼautres sont attachés au réticulum endoplasmique.Les ribosomes sont le siège de la synthèse des protéines.Les ribosomes libres assurent la synthèse des protéines qui demeureront dans le cytosol.
Les ribosomes liés au réticulum endoplasmique rugueux assurent principalement la synthèse des protéines qui sont destinées - à la membrane cellulaire- aux lysosomes- à être sécrétées hors de la cellules
25 nm
Les ribosomes
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- Présent uniquement dans les cellules animales, le centrosome est localisé près du noyau.
- Il est constitué de deux centrioles disposés perpendiculairement l'un par rapport à l'autre en association avec des protéines associées aux microtubules (protéines MAP).
- Un centriole mesure environ 0,15 μm de diamètre et 0,5 μm de long.
- On peut observer un centrosome au microscope électronique à transmission à très fort grossissement (X 20 000).
Le centrosomeCentrosome
Paire de centrioles
Microtubule
Centrioles
9 paires de microtubules
200 nm sur 400 nm de longueur
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Le réticulum endoplasmique rugueux
Le réticulum endoplasmique (RE) est un réseau de membranes parallèles reliées et formant des cavités appelées « citernes ». Il est en continuité avec la membrane du noyau.
- Le réticulum endoplasmique rugueux a sa surface recouverte de ribosomes.
- Le réticulum endoplasmique lisse nʼen porte pas.
Les organites entourés d’une membrane
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L’appareil de Golgi
- Lʼappareil de Golgi est un empilement de sacs membraneux aplatis.
- Chaque sac mesure environ 100 nm de diamètre.
- La fonction principale de lʼappareil de Golgi est de modifier, de trier et de concentrer les protéines synthétisées par les ribosomes.
- Les protéines sont acheminées par des vésicules provenant du réticulum endoplasmique.
- Dans lʼappareil de Golgi, une fois modifiées, triées et concentrées, les protéines sont à nouveau emballées dans une vésicule qui se détachera de son sac membraneux.
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Les lysosomes
lysosome
appareil de Golgi
enzymes
200 à 500 nm de diamètre
- Les lysosomes sont fabriqués par lʼappareil de Golgi.
- Ils se présentent sous la forme de vésicules contenant une q u a r a n t a i n e d ʼ e n z y m e s digestives dans un milieu acide.
- C e s e n z y m e s s e r v e n t à dégrader en formes simples, certaines formes complexes (macromolécules) que l ʼon trouve dans le cytosol.
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La mitochondrie
- Les mitochondries sont des organites en forme de bâtonnets possédant deux membranes. La membrane interne forme des replis appelés « crêtes », qui sʼimbriquent dans une substance appelée « matrice ».
- Au niveau de la membrane interne et dans la matrice, on trouve de nombreuses enzymes responsables de la dégradation des nutriments sous forme simple, tel le glucose.
- Ces dégradations se déroulent en présence dʼoxygène et portent le nom de «respiration cellulaire ».
- Elles permettent aux mitochondries de former de lʼ ATP, source dʼénergie de la cellule. Le nombre de mitochondries d'une cellule (jusquʼà plusieurs dizaines de milliers) dépend de l'intensité de son activité : une cellule musculaire, par exemple, en possède beaucoup.
LʼATP est utilisé pour lʼensemble des activités de synthèse de la cellule ainsi que pour le transport actif.
- Les mitochondries possèdent leur propre matériel génétique, quʼon appelle « ADN mitochondrial ».
- Elles peuvent synthétiser environ 10 % de leurs propres protéines grâce à la dizaine de gènes de leur ADN. Les autres protéines mitochondriales proviennent du travail de synthèse exécuté par les ribosomes.
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http://highered.mcgraw-hill.com/sites/dl/free/0072437316/120060/ravenanimation.html
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Planches extraites du Manuel d’Anatomie et Physiologie Humaines Tortora & Derrickson Edition de Boeck
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Vue d’ensemble des réactions métaboliques Le carrefour pour l’entrée dans le cycle de Krebs
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Vue d’ensemble des réactions métaboliques - Le carrefour pour l’entrée dans le cycle de Krebs
2 - 3 - 4 - Dans la mitochondrie
1 Dans le cytoplasme
Viviane GuillaumeProfesseur
Biochimie Génie Biologique
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Le noyau
- Le noyau est entouré dʼune membrane nucléaire et le matériel génétique quʼil contient, lʼADN (déroulé 2 mètres).
- La membrane nucléaire permet de séparer les réactions biochimiques se déroulant dans le cytoplasme de celles se déroulant dans le noyau.
- Cette membrane est percée de pores, ce qui permet les échanges entre le noyau et le cytoplasme.
- Le noyau contient le nucléole, lieu de la formation des ribosomes.
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http://highered.mcgraw-hill.com/sites/dl/free/0072437316/120060/ravenanimation.html
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