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