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UNIVERSITÉ DE PARIS

1er semestre 2020-‐2021 – C. Nicolas

UE 3

BIOLOGIE CELLULAIRE

FICHE DE COURS 1 : ORGANISATION DE LA CELLULE

EUCARYOTE

Organisation de la cellule eucaryote



Table des matières

I. La cellule 3 1) Définition 3 2) Evolution 3 3) Deux différentes classes 4 4) Relation avec la taxinomie des organismes 4

II. Procaryotes 5 1) Généralités 5 2) Cytoplasme 5

A. Eléments constitutifs nécessaires pour la synthèse de protéines 5 B. Eléments constitutifs nécessaires pour la production d’énergie 6

3) Membrane plasmique 6 A. Éléments constitutifs nécessaires pour la formation du compartiment 6 B. Variantes chez certaines bactéries 7 C. Bactériologie médicale : antibiotiques 7

III. Eucaryotes (animales) 8 1) Eléments constitutifs 8 2) Architecture 8 3) Le noyau 9 4) Cytoplasme 10

A. Les mitochondries 10 B. Constitution et fonction du système endomembranaire 11 C. Cytosquelette 12 D. Autres constituants 12

IV. Métazoaires 13 1) Définitions 13 2) Différenciation 14

A. Cellules épithéliales 14 B. Cellules conjonctives 15 C. Cellules musculaires 15 D. Cellules nerveuses 16 E. Cellules sanguines 17

3) Agents pathogènes (pour l’homme) 17



I. La cellule 1) Définition

Unité fondamentale (structurale et fonctionnelle) de tout être

vivant

§ Compartiment délimité par une membrane (= membrane plasmique) et rempli par une solution concentrée d’éléments chimiques

§ Plus petite unité capable de vie autonome et de reproduction

§ Véhicule de la transmission de l’information génétique

Concept de l’évolution de

Charles Darwin

(1809-1882)

§ Idée que l’évolution peut créer, à partir des constituants moléculaires, une cellule et que ces cellules au cours de l’évolution peuvent créer des organismes unicellulaires et même multicellulaires

§ Evolution qui se met en place si deux mécanismes sont présents : 1. Variation aléatoire de l’information génétique par : - Erreur de réplication - Mutation

2. Sélection additive : - Compétition car ressources limitées

2) Evolution

Cellule ancestrale commune

§ Un compartiment avec : o Membrane biologique o Synthèse des protéines contrôlée par des acides nucléiques o Réplication des acides nucléiques - ARN, plus tard ADN

Avantage sélectif d’un

compartiment clos

(exemple théorique)

Sans compartiment

§ La protéine (en vert) agit sur tous les ARN dans

l’environnement

Avec compartiment

§ La protéine (en vert) agit seulement sur les ARN dans

son compartiment o Spécificité, efficacité



3) Deux différentes classes

1. Procaryotes : Absence de

noyau

§ Les cellules les plus simples o Petites cellules (par rapport aux eucaryotes)

§ Exemple : Bactéries

2. Eucaryotes : Cellules

pourvues d’un noyau

Organismes unicellulaires - Protistes

§ Levures § Diatomées (algue

monocellulaire) § Protozoaires

Organismes multicellulaires :

3 règnes

§ Champignons § Végétaux § Animaux (Métazoaires)

4) Relation avec la taxinomie des organismes

Classification des êtres

vivants en 3 domaines et 6 règnes

§ Pour les Bactéries et les Archées, règne = domaine o Les Archées sont capables de survivre dans des environnements

extrêmes : très froids, très chauds, acides, etc… § Pour les eucaryotes, 4 règnes : o Protistes o Végétaux o Champignons o Animaux



II. Procaryotes 1) Généralités

Eléments constitutifs

§ Compartimentation minimale : o Membrane plasmique o Cytoplasme - Absence de noyau

Taille § 0,3 - 2 µm

Structure d’une

bactérie E. coli

§ Présente en plusieurs millions d’exemplaires dans les intestins chez l’Homme par exemple

§ Possède une paroi o Les bactéries ne possèdent pas toutes forcément une paroi ; elle est

facultative

2) Cytoplasme A. Eléments constitutifs nécessaires pour la synthèse de protéines

Une seule molécule d’ADN

circulaire

§ = le chromosome § Associée à la membrane plasmique

Enzymes de réplication de

l’ADN § Permettent la division cellulaire

Facteurs de transcription § Régulation de l’expression génique

Ribosomes

§ Synthèse de protéines cytoplasmiques § Différents types de ribosomes : o Ribosomes libres o Polysomes



B. Eléments constitutifs nécessaires pour la production d’énergie

Machinerie de synthèse d’ATP

§ ATP = adénosine 5’-triphosphate (ATP) o Substrat énergétique des cellules

§ Echange d’énergie par phosphorylation au niveau du substrat o Exemple : utilisation des sucres pour produire de l’ATP - Glycolyse

ü Fermentation, dégradation de glucose - La glycolyse est un métabolisme anaérobie

ü En absence d’oxygène

Réaction chimique : bilan simplifié § Glucose => eau (H2O) + adénosine 5’-triphosphate (ATP)

3) Membrane plasmique A. Éléments constitutifs nécessaires pour la formation du compartiment

Bicouche de phospholipides § Composés structuraux insolubles

Protéines membranaires

§ Ancrées dans la membrane plasmique

§ Elles ont différentes fonctions : o Transporteur, récepteur

Eléments

cytosquelettiques § Rudimentaires o Précurseurs de cytosquelette

Machinerie de synthèse des

protéines membranaires ou des

protéines sécrétées

§ Ribosomes liés à la membrane plasmique

Fonction du compartiment

§ Barrière (filtre actif) o Entre le cytoplasme et l’environnement

§ Echange : o Importation - Exemple : nutriments

o Exportation (déchets)



B. Variantes chez certaines bactéries

Machinerie de synthèse d’ATP

§ Par phosphorylation oxydative (respiration cellulaire – aérobie) o glucose + oxygène (O2) => carbone gazeux (CO2) + eau (H2O) +

ATP o Plus efficace que la glycolyse : augmentation ATP par quantité de

glucose Membrane

externe § Paroi => forme stable avec espace périplasmique

C. Bactériologie médicale : antibiotiques

Agent pharmaceutique § Contre les bactéries

Efficacité

§ Dépend de la présence ou absence de paroi o Nécessité d’utiliser des antibiotiques spécifiques aux types de

bactéries o Différenciation des types de bactéries par coloration (ou non) - Hans Christian Gram (1853-1928)

Bactéries avec paroi

§ Non colorées : GRAM négatives o Exemple : E. coli dans les intestins

Bactéries sans paroi § Colorées (coloration violette) : GRAM positives



III. Eucaryotes (animales) 1) Eléments constitutifs

Compartimentation plus complexe

§ Membrane plasmique § Cytoplasme § + autres caractéristiques dont le noyau (voir ci-dessous)

Principales caractéristiques par rapport aux

procaryotes

§ Noyau § Organites (= petit organe) : o Constituants physiquement séparés - membranes internes,

fibres § Absence de paroi § Cytosquelette, responsable du : o Maintien de la forme de la cellule o Mouvement cellulaire

§ Endocytose et exocytose § Reproduction par mitose (ou méiose) § Métabolisme : aérobie

Taille § 10 - 100 µm

Taille du génome eucaryote (humain)

§ Par rapport à un procaryote (E. coli) : o ~ 1000 x paires de bases o ~ 20 x de gènes

2) Architecture

Représentation schématique



3) Le noyau

Structure

§ Enveloppe nucléaire o Membrane nucléaire interne o Membrane nucléaire externe o Présence de pores nucléaires

§ Chromatine : o ADN + protéines associées (histones)

§ Nucléole o Site de biosynthèse des ribosomes


Fonction du noyau

§ Contient l’ADN o Plusieurs chromosomes linéaires

§ Contient toutes les activités liées à l’ADN qui sont ainsi isolées des autres activités de la cellule o Synthèse de protéines - Transcription de l’ADN en ARN dans le noyau - Exportation de l’ARN du nucléoplasme vers le cytoplasme - Traduction dans le cytoplasme par les ribosomes



4) Cytoplasme A. Les mitochondries

Structure

§ 2 membranes : o Membrane externe o Membrane interne

§ Matrice mitochondriale o A l’intérieur de l’espace délimité par la

membrane interne § Crêtes mitochondriales § Génome propre o ADN mitochondrial, circulaire : 5-10 copies

§ Ribosomes mitochondriaux

Observation des crêtes

en microscopie électronique


Fonction § Assurent la respiration cellulaire (phosphorylation oxydative) § Fournissent la majeure partie de l’énergie sous forme d’ATP pour tous

les eucaryotes



B. Constitution et fonction du système endomembranaire

Réticulum endoplasmique

(RE)

§ Deux sous-compartiments o Réticulum endoplasmique

granulaire (REG) - Ribosomes liés à la membrane du

RE - Fonction : synthèse des protéines

o Réticulum endoplasmique lisse (REL) - Membrane du RE dépourvue de

ribosomes - Fonction : synthèse des lipides

Appareil de Golgi et ses vésicules de

sécrétion

§ Modifications des macromolécules § Tri § Emballage en vésicule et transport o Intracellulaire o Ou par exocytose => sécrétion

Endosomes

§ Petits organites entourés d’une membrane § Impliqués dans le transport intracellulaire et alimentés par endocytose

(formation d’une vésicule)

Lysosomes § Digestion cellulaire o Dégradation par des enzymes à

l’intérieur des lysosomes

Enveloppe nucléaire



C. Cytosquelette

Observation du

cytosquelette par

microscopie à

fluorescence (fibroblaste)

Constitué par

Microfilaments § Constitués d’actine o Fibres protéiques

Microtubules § Constitués de tubuline o Fibres protéiques

Filaments intermédiaires § Fibres protéiques

Centrosome § Centrosome = paire de centrioles § Associé aux microtubules

Fonctions

Microfilaments § Forme § Mouvement et déplacement cellulaire

Microtubules § Transport intracellulaire

Filaments intermédiaires

§ Stabilité mécanique § Adhésion

Centrosome § Impliqué dans la division cellulaire (mitose)

D. Autres constituants

Péroxysomes

§ Petits organites membranaires § Impliqués dans la destruction des radicaux libres

(substances potentiellement toxiques pour la cellule) o Exemple : monoxyde d’azote NO

§ Détoxification en utilisant l’eau oxygénée (H2O2)

Réserves métaboliques

§ Gouttelettes lipidiques o Sans membrane

Le cytosol § Milieu liquide qui baigne tous les constituants du cytoplasme o Organites membranaires, cytosquelette et ribosomes

§ Sans ultrastructure spécifique



IV. Métazoaires 1) Définitions

Comparaison entre animaux

multicellulaires

C. elegans (ver nématode)

§ 959 cellules eucaryotes § Différenciation : o 95 cellules musculaires o 302 neurones, etc

§ Génome : o Code pour ~ 19 000 protéines différentes

Homme

§ 3*1013 cellules eucaryotes o ~ 1011 neurones

§ Génome : o Code pour ~ 22 000 protéines différentes

Animaux multi-cellulaires

§ Spécialisation cellulaire o Différenciation = différences entre cellules o Expression génétique

§ Séparation des fonctions spécifiques § Coopération cellulaire o Cohésion : - Adhésion entre cellules, et à la matrice extracellulaire

o Communication intercellulaire

Tissu § Entité morphologique et fonctionnelle des cellules d’un ou de plusieurs types

Les 5 tissus animaux

§ Les épithéliums § Tissus conjonctifs § Tissus musculaires § Tissu nerveux § « Tissu » sanguin



2) Différenciation A. Cellules épithéliales

Fonctions

§ Marquent la frontière entre milieu intérieur et extérieur § Forment des feuillets cellulaires o Exemple : épiderme

§ Créent des cavités (lumières) internes o Exemples : vessie, tube digestif

§ Certaines ont des fonctions sécrétrices o Exemple : mucus

Polarisation cellulaire Exemple de l’épiderme

§ Domaine basolatéral : face au milieu intérieur (lame basale) § Domaine apical : face au milieu extérieur ou à la lumière

Polarisation cellulaire Capillaire sanguin : cellules endothéliales



B. Cellules conjonctives

Fonction § Sécrétion d’une matrice extracellulaire

3 types

Fibroblastes § Création de matrice souple § Réparation de tissu lésé

Cellules cartilagineuses

§ Création de matrice déformable § Cartilage

Cellules osseuses

§ Création de matrice rigide, minéralisée

§ Cristaux de phosphate de calcium § Squelette

C. Cellules musculaires

Fonction

§ Production de force mécanique (mouvement) par contraction musculaire

§ Cellules avec des filaments spécifiques : myofilaments o Actine et myosine

3 types

Muscle squelettique (strié)

Muscle lisse (non strié)

Muscle cardiaque (strié)



Différenciation des cellules musculaires

Fibre musculaire

striée

§ Ensemble de cellules fusionnées

§ Peut être très large o 2-6 cm de long, 100 µm de

diamètre § Cellule multi-nuclée

Myofilaments

§ Cellules avec des filaments spécifiques : myofilaments = structures

cytosquelettiques spécifiques aux cellules musculaires o Actine et myosine

D. Cellules nerveuses

Fonction § Traitement et transmission de l’information § Cellule avec une membrane plasmique spécifique § Signaux électriques et chimiques

Polarisation cellulaire

du neurone

§ Dendrites o Réception de l’information

§ Corps cellulaire aussi appelé soma o Intégration de l’information

§ Axone o Conduction de l’information

§ Synapse o Transmission chimique de l’information à d’autres neurones



E. Cellules sanguines Type Fonction

Globules rouges ou érythrocytes § Transportent O2 et CO2

Globules blancs ou leucocytes § Combattent l’infection

(Plaquettes) § Ne sont pas des cellules § Déclenchent la coagulation du sang

3) Agents pathogènes (pour l’homme)

Organismes multicellulaires § Exemple : vers intestinaux

Eucaryotes

§ Exemple : hématozoaire (eucaryote unicellulaire qui vit dans le sang) responsable du paludisme / malaria

§ Exemple des cellules cancéreuses

Procaryotes § Certaines bactéries o Exemple : Vibrio cholerae

Virus

§ Organismes sub-cellulaires (acaryotes) o Ce ne sont pas des cellules

§ Taille comprise entre 0,02 – 0,3 µm § Porteurs soit d’ADN, soit d’ARN § Sans reproduction autonome (parasitisme) § Sans métabolisme propre (parasitisme

obligatoire) § Exemples : o Grippe o VIH o Ebola o SARS-CoV-2

Prions

§ Protéines infectieuses o Sans ADN ou ARN mais conformation

aberrante - Exemple : Maladie de Kreutzfeldt-Jakob

(neuro-dégénérative)



QCM d’entraînement

Questions à réponses multiples Une ou plusieurs réponses sont exactes

Question n°1 Concernant les cellules : A. Les procaryotes constituent les cellules les plus simples. B. Les végétaux sont des protistes. C. Les levures sont des eucaryotes multicellulaires. D. Il existe 4 règnes pour les eucaryotes. E. Les procaryotes sont, entre autres, caractérisés par l’absence de membrane plasmique.

Réponses : A, D A. Vrai. B. Faux. Les végétaux ne sont pas des protistes ; ce sont des organismes multicellulaires. C. Faux. Les levures sont des eucaryotes unicellulaires. D. Vrai. Les protistes, les végétaux, les champignons, les animaux. E. Faux. Les procaryotes possèdent une membrane plasmique. Question n°2 A propos des procaryotes : A. Le globule rouge est un procaryote puisqu’il n’a pas de noyau. B. Les procaryotes mesurent en général entre 3 et 20 µm. C. Les procaryotes possèdent une seule molécule d’ADN linéaire. D. Les bactéries possèdent toutes une paroi. E. Le cytoplasme des procaryotes comporte des ribosomes libres et des polysomes.

Réponse : E A. Faux. Le globule rouge n’est pas un procaryote. B. Faux. Les procaryotes mesurent en général entre 0,3 et 2 µm. C. Faux. Les procaryotes possèdent une seule molécule d’ADN circulaire. D. Faux. Certaines bactéries possèdent une paroi. E. Vrai.



Question n°3 A propos des procaryotes : A. Leur membrane plasmique contient, entre autres, des protéines. B. Le chromosome bactérien est associé à la membrane nucléaire. C. Chez certains procaryotes, l’espace périplasmique est situé entre la membrane plasmique

et le cytosol. D. Contrairement aux eucaryotes, les procaryotes ne synthétisent pas d’ATP. E. Les bactéries sans paroi sont GRAM positives.

Réponses : A, E A. Vrai. B. Faux. Pas de noyau chez les procaryotes ; le chromosome bactérien est associé à la membrane plasmique. C. Faux. Chez certains procaryotes, l’espace périplasmique est situé entre la membrane plasmique et la paroi. D. Faux. Les procaryotes synthétisent de l’ATP. E. Vrai.

Question n°4 Lorsque l’on compare les eucaryotes et les procaryotes : A. Les cellules eucaryotes animales ont une paroi. B. Les cellules eucaryotes animales ont un noyau, contrairement aux bactéries. C. Les cellules eucaryotes animales, tout comme les bactéries, se reproduisent par mitose ou

méiose. D. Les cellules eucaryotes animales, tout comme certaines bactéries, ont un métabolisme

aérobie. E. Chez les cellules eucaryotes animales, la transcription se fait dans le noyau, contrairement

aux procaryotes.

Réponses : B, D, E A. Faux. Les cellules eucaryotes animales n’ont pas de paroi. B. Vrai. C. Faux. La mitose (ou la méiose) n’est retrouvée que dans les cellules eucaryotes animales. D. Vrai. E. Vrai. Pas de noyau chez les procaryotes, la transcription se fait dans le cytoplasme.



Question n°5 Concernant les cellules eucaryotes animales : A. Chez les eucaryotes, dans le noyau, l’ADN est associé à des protéines pour former la

chromatine. B. La matrice mitochondriale est localisée entre la membrane mitochondriale externe et la

membrane mitochondriale interne. C. Les endosomes sont des petits organites entourés de deux membranes. D. Le réticulum endoplasmique lisse est impliqué dans la digestion cellulaire. E. Dans le cytosquelette, les filaments intermédiaires sont constitués d’actine.

Réponse : A A. Vrai. B. Faux. La matrice mitochondriale est localisée à l’intérieur de l’espace délimité par la membrane interne. C. Faux. Les endosomes sont des petits organites entourés d’une seule membrane. D. Faux. Les lysosomes sont impliqués dans la digestion cellulaire. E. Faux. Dans le cytosquelette, les microfilaments sont constitués d’actine.

Question n°6 Concernant les cellules eucaryotes animales : A. Le centrosome est une structure associée aux microtubules qui est impliquée dans la

division cellulaire. B. On compte entre 5 et 10 copies d’ADN mitochondrial, lequel est circulaire. C. Les microtubules sont impliqués dans le transport intracellulaire. D. Les peroxysomes sont des réserves métaboliques constituées de gouttelettes lipidiques. E. Le centriole est le site de biosynthèse des ribosomes.

Réponses : A, B, C A. Vrai. B. Vrai. C. Vrai. D. Faux. Les peroxysomes sont des petits organites membranaires. E. Faux. Le nucléole est le site de biosynthèse des ribosomes.



Question n°7 Concernant les tissus animaux : A. Les cellules musculaires créent des cavités internes. B. Les cellules endothéliales sont des cellules polarisées. C. Il existe 3 types de cellules conjonctives, dont les cellules musculaires. D. Une fibre musculaire est une cellule multinucléée. E. Dans le neurone, le corps cellulaire ou soma est responsable de la réception de

l’information.

Réponses : B, D A. Faux. Les cellules épithéliales créent des cavités internes. B. Vrai. C. Faux. Les cellules musculaires ne sont pas des cellules conjonctives. Les 3 types de cellules conjonctives sont les fibroblastes, les cellules cartilagineuses, les cellules osseuses. D. Vrai. E. Faux. Dans le neurone, le corps cellulaire ou soma est responsable de l’intégration de l’information ; les dendrites sont responsables de la réception de l’information.

Question n°8 Les agents pathogènes pour l’homme : A. Sont toujours des organismes unicellulaires. B. Les virus sont des procaryotes dont la taille est comprise entre 0,02 et 0,3 µm. C. L’hématozoaire responsable du paludisme est un organisme pluricellulaire. D. Le choléra est provoqué par un virus. E. Les prions sont des protéines infectieuses possédant des conformations aberrantes.

Réponse : E A. Faux. Ils peuvent être unicellulaire ou pluricellulaire. B. Faux. Les virus ne sont pas des procaryotes ; ce sont des organismes subcellulaires (acaryotes). C. Faux. L’hématozoaire responsable du paludisme est un organisme unicellulaire. D. Faux. Le choléra est provoqué par une bactérie. E. Vrai.

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