Fiche de Révisions : Biologie Cellulaire

Introduction à la Biologie Cellulaire

1. Théorie Cellulaire

Principes fondamentaux :

1.Tous les organismes vivants sont composés de cellules.

2.La cellule est l’unité de base du vivant.

3.Toute cellule provient d’une autre cellule par division.

Chronologie :

• 1665 : Robert Hooke observe des cellules mortes (cellulae).

• 1675 : Antoni van Leeuwenhoek observe des cellules vivantes.

• 1831 : Robert Brown découvre le noyau.

• 1838 : Matthias Schleiden : les plantes sont faites de cellules.

• 1839 : Theodor Schwann : les animaux sont faits de cellules.

• 1855 : Rudolf Virchow : toute cellule provient d’une autre cellule.

2. La Membrane Plasmique

Définition et caractéristiques :

• Structure fine, semi-perméable, élastique, délimitant la cellule.

• Constituée de bicouches phospholipidiques avec des protéines intégrées.

• Épaisseur : 7,5 à 11 nm.

Fonctions :

• Maintient la forme et protège la cellule.

• Régule les échanges (entrée/sortie de substances).

• Permet la communication et l’union entre cellules.

Composition des lipides :

• Phospholipides (tête hydrophile et queues hydrophobes), sphingolipides, stérols.

Protéines membranaires :

• Transmembranaires : traversent la membrane pour transporter des molécules.

• Périphériques : associées aux têtes des phospholipides.

3. Compartimentation et Types de Cellules

Origine et évolution :

• 3,5 milliards d’années : première cellule (procaryote).

• 1,5 milliard d’années : cellules eucaryotes (compartimentation interne par organites).

Types cellulaires :

• Procaryotes : simples, sans noyau, un chromosome circulaire d’ADN.

• Eucaryotes : complexes, noyau avec enveloppe, organites internes.

Différences majeures :

Caractéristique Procaryotes Eucaryotes

Taille 1 à 10 µm 10 à 100 µm

Noyau Non (nucléoïde) Oui (enveloppe nucléaire)

Organites Absents Présents

ADN Circulaire, non compacté Linéaire, compacté (histones)

4. Origine des Molécules de la Vie

Formation des molécules organiques :

• Conditions extrêmes (“soupe prébiotique”) → Expérience de Miller et Urey (1953) : synthèse de 14 acides aminés.

• LUCA : dernier ancêtre commun universel.

Évolution de l’énergie :

1. Glycolyse : dégradation des sucres.

2. Photosynthèse : production d’ATP et de matière organique.

3. Respiration : utilisation de l’oxygène pour produire de l’énergie.

5. Principales Fonctions et Étapes de la Vie Cellulaire

Fonctions cellulaires :

• Métabolisme : fabrication et dégradation de molécules.

• Production et gestion de l’énergie (ATP).

• Communication et réponses aux stimuli.

• Échanges avec l’extérieur (transport membranaire).

Cycle de vie d’une cellule :

1. Croissance.

2. Différenciation.

3. Division cellulaire.

4. Mort (apoptose).

L’Énergie de la Cellule

1. Origine de l’Énergie Cellulaire

Les voies du métabolisme :

• Catabolisme : dégradation des nutriments en molécules simples → libération d’énergie et chaleur.

• Anabolisme : synthèse de molécules complexes à partir de molécules simples → nécessite de l’énergie.

ATP (Adénosine Triphosphate) :

• Source principale d’énergie pour la cellule.

• Liaison riche en énergie entre les groupements phosphates.

• Hydrolyse (ATP → ADP + Pi) : libération d’énergie (exergonique).

• Phosphorylation (ADP → ATP) : stockage d’énergie (endergonique).

2. Les Organites Énergétiques

Mitochondries :

• Présentes dans les cellules animales et végétales.

• Fonction : respiration cellulaire → production d’ATP par catabolisme oxydatif.

• Structure :

• Membrane externe (perméable, présence de porines).

• Membrane interne (imperméable, riches en transporteurs et ATP synthase).

• Crêtes mitochondriales : lieu de production d’ATP.

• Matrice : contient ADN mitochondrial circulaire, mitoribosomes, enzymes du cycle de Krebs.

Chloroplastes (cellules végétales) :

• Responsable de la photosynthèse.

• Structure :

• Membranes externe et interne.

• Thylakoïdes (site des photosystèmes I et II).

• Stroma (milieu interne contenant enzymes et ADN chloroplastique).

• Métabolisme : phase photochimique (production d’ATP et NADPH) et cycle de Calvin (synthèse de sucres).

Peroxysomes :

• Coopèrent avec mitochondries et chloroplastes (mais ne produisent pas directement d’ATP).

• Fonction : détoxification cellulaire via des réactions oxydatives (production et dégradation de H₂O₂).

3. Fonctionnement des Mitochondries

Respiration cellulaire (catabolisme aérobie) :

1. Glycolyse (cytosol) : conversion du glucose en pyruvate.

2. Cycle de Krebs (matrice) : production de NADH et FADH₂.

3. Chaîne de transport d’électrons (membrane interne) :

• Oxydation du NADH/FADH₂ → transport des électrons.

• Création d’un gradient de protons (H⁺) → synthèse d’ATP via l’ATP synthase.

Autres fonctions :

• Synthèse de phospholipides et hormones stéroïdes.

• Régulation du calcium intracellulaire.

• Implication dans l’apoptose.

4. Fonctionnement des Chloroplastes

Photosynthèse :

1. Phase photochimique :

• Localisation : thylakoïdes.

• Capture de lumière → excitation des électrons.

• Photolyse de l’eau : production d’O₂, H⁺ et électrons.

• Formation d’ATP et NADPH.

2. Cycle de Calvin :

• Localisation : stroma.

• Fixation du CO₂ par la rubisco → production de sucres.

5. Origine des Organites

• Mitochondries : issues d’une endosymbiose avec une alpha-protéobactérie aérobie.

• Chloroplastes : issues d’une endosymbiose avec une cyanobactérie photosynthétique.

Arguments en faveur de la théorie endosymbiotique :

• ADN circulaire double brin.

• Autonomie partielle pour la synthèse protéique.

• Multiplication indépendante du noyau par fission.

Synthèse et Transport des Protéines

1.Synthèse des Protéines

Flux de l’information génétique :

1. ADN → ARN (transcription) : L’ADN est copié en ARN messager (ARNm).

2. ARN → Protéine (traduction) : L’ARNm est traduit en chaîne polypeptidique.

Le code génétique :

• Codons : 3 nucléotides codent pour un acide aminé (AA).

• 64 codons possibles : 61 codent pour des AA, 3 codons STOP (UAA, UAG, UGA).

• AUG : codon initiateur (méthionine).

ARNt :

• Molécules adaptatrices spécifiques à chaque AA.

• Structure en trèfle, compacte en 3D :

• Anticodon : reconnaît le codon de l’ARNm.

• CCA : fixation de l’AA par l’ARNt synthétase.

2. Les Ribosomes

• Structure : Grande + petite sous-unité (ARN ribosomique 60%, protéines 40%).

• Ribosomes procaryotes : 70S.

• Ribosomes eucaryotes : 80S.

• Sites de fixation :

• A (Acide aminé) : réception de l’ARNt.

• P (Process) : synthèse de la chaîne polypeptidique.

• E (Exit) : sortie de l’ARNt déchargé.

3. Étapes de Traduction

1. Initiation :

• Complexe de préinitiation (petite sous-unité + ARNt initiateur).

• Balayage de l’ARNm (coiffe 5’) jusqu’au codon AUG → assemblage du ribosome complet.

2. Élongation :

• Ajout d’ARNt au site A.

• Formation de liaisons peptidiques (activité peptidyl transférase).

• Translocation du ribosome (déplacement de 3 nucléotides).

3. Terminaison :

• Reconnaissance des codons STOP par des facteurs de terminaison (eRF).

• Libération de la chaîne polypeptidique et dissociation du ribosome.

4. Transport et Adressage

• Adressage : Signal spécifique dirigeant les protéines vers leur destination finale.

• Synthèse :

• Ribosomes libres : protéines pour mitochondries, peroxysomes, cytosol.

• Ribosomes liés au RE : protéines pour RE, Golgi, lysosomes, membrane plasmique, ou sécrétion.

5. Système Endomembranaire

Réticulum Endoplasmique (RE) :

1. REG (granuleux) :

• Synthèse et modification des protéines (ponts disulfures, N-glycosylation, repliement).

• Intégration des protéines membranaires.

2. REL (lisse) :

• Synthèse des lipides, détoxification, stockage de calcium.

Appareil de Golgi :

• Structure : Empilement de dictyosomes (face Cis vers RE, face Trans vers membrane).

• Fonctions :

• Réception des protéines/lipides du RE.

• Modifications (O-glycosylation, sulfatation, phosphorylation).

• Tri et exportation (vésicules transgolgiennes).

Lysosomes :

• Système digestif de la cellule (hydrolases).

• Dégradation des matériaux extracellulaires (phagocytose) et intracellulaires (autophagie).

6. Exocytose et Endocytose

Exocytose :

• Sécrétion des protéines via vésicules de transport (RE → Golgi → membrane plasmique).

Endocytose :

• Capture de molécules extracellulaires.

• Pinocytose : ingestion de petites molécules/liquides.

• Phagocytose : ingestion de particules larges.

Endosomes :

• Compartiments triant les molécules endocytées.

• Transport vers lysosomes (fusion avec hydrolases).

7. Points Clés pour les Examens

• Mécanisme de traduction (initiation, élongation, terminaison).

• Structure et rôles des organites du système endomembranaire (REG, REL, Golgi, lysosomes).

• Expérience de pulse-chase : preuve de la voie RE → Golgi → membrane plasmique.

• Endosymbiose : origine des mitochondries et plastes.

Le Noyau Cellulaire et le Cycle Cellulaire

1. Définition du Cycle Cellulaire

• Cycle cellulaire : Processus permettant à une cellule mère de se diviser en deux cellules filles identiques.

• Implique des événements cytologiques (structurels) et métaboliques (biochimiques).

Cellules capables de se diviser :

1. Cellules embryonnaires.

2. Épithéliums (renouvellement constant).

3. Cellules germinales (sexuelles).

4. Cellules sanguines et cellules souches.

5. Méristèmes végétaux (croissance des plantes).

2. Phases du Cycle Cellulaire

1. Interphase : Phase préparatoire. Comprend trois étapes :

• G1 : Croissance cellulaire, synthèse d’ARN et de protéines.

• S : Réplication de l’ADN (de 2C à 4C).

• G2 : Préparation à la mitose (reprise des synthèses).

2. Mitose : Division de la cellule en deux cellules filles identiques.

3. Évolution de la Masse et de l’ADN

• Phase G1 : ADN constant (2C), augmentation de la masse cellulaire.

• Phase S : Réplication de l’ADN → passage à 4C.

• Phase G2 : ADN constant (4C), masse cellulaire continue d’augmenter.

• Mitose : Séparation en deux cellules filles (ADN revient à 2C).

4. Contrôle du Cycle Cellulaire

• Points de contrôle : Garantissent la transmission correcte de l’information génétique et la progression du cycle.

1. G1 → S : Vérifie la taille cellulaire, l’état de l’ADN, et les signaux externes.

• Si validé, engagement irréversible dans la division.

2. G2 → M : Vérifie que l’ADN est intégralement répliqué et intact, et que la cellule est prête pour la division.

3. Point M (métaphase) : Vérifie l’alignement correct des chromosomes sur la plaque équatoriale.

5. Régulation et Arrêt du Cycle Cellulaire

• Phase G0 : Cellules en quiescence (cycle arrêté).

• Apoptose : Mort programmée après 50 divisions en moyenne.

• Dysfonctionnement : Provoque une prolifération non contrôlée → tumeurs/cancers.

6. Points Clés pour les Examens

• Connaître les étapes de l’interphase et leurs spécificités.

• Comprendre l’évolution de la masse cellulaire et de l’ADN pendant le cycle.

• Mémoriser les points de contrôle et leur importance dans la régulation du cycle.

• Savoir l’impact des dysfonctionnements sur la prolifération cellulaire.

 Le Noyau Interphasique

1. Introduction

• Élément constant des cellules eucaryotes, présent pendant l’interphase.

• Structure et caractéristiques :

• Taille : 5-20 µm (dépend de l’activité cellulaire).

• Forme : sphérique, allongée, lenticulaire ou plurilobée.

• Position : centrale (cellules animales) ou périphérique (cellules végétales).

• Rapport nucléocytoplasmique : 10 % du volume cellulaire.

2. Structure Générale (Microscopie Photonique)

• Colorants basiques : mettent en évidence la chromatine (acide) et les nucléoles.

• Composants principaux :

• Nucléoplasme : liquide interne du noyau.

• Enveloppe nucléaire : double membrane séparée par l’espace périnucléaire.

• Percée de pores nucléaires pour la communication avec le cytoplasme.

• Associée au réticulum endoplasmique rugueux (RER).

3. Ultrastructure du Noyau

1. Lamina Nucléaire

• Réseau protéique sous la membrane interne (15-50 nm).

• Composée de lamines (A, B, C).

• Rigidifie l’enveloppe nucléaire et forme le nucléosquelette.

2. Pores Nucléaires

• Complexes protéiques permettant les échanges entre le nucléoplasme et le cytoplasme.

• Structure en “roue de charrette”.

3. Nucléoles

• Non délimités par une membrane, structures spongieuses et hétérogènes.

• Sous-compartiments :

1. Centres fibrillaires : chromatine diffuse.

2. Composants fibrillaires denses : ADN + ARNr en transcription active.

3. Composants granulaires : particules riches en ARN et protéines (sous-unités ribosomales).

• Fonction principale : Synthèse et assemblage des ribosomes.

4. Organisation de la Chromatine

Types de Chromatine :

• Hétérochromatine : condensée, dense, sombre.

• Euchromatine : diffuse, claire, active transcriptionnellement.

Composition :

1. ADN associé à des protéines :

• Histones (basiques) : rôle structural, responsables du compactage de l’ADN.

• Non-histones (acides) : peu abondantes, impliquées dans l’expression des gènes et la réplication.

2. Histones nucléosomiques (H2A, H2B, H3, H4) et internucléosomique (H1).

5. Organisation Macromoléculaire de l’ADN

• Nucléosome : unité de base de la chromatine.

• Composé de 8 histones (2 exemplaires de H2A, H2B, H3, H4) entourées d’ADN.

• Espacés par de l’ADN lié à l’histone H1.

• Nucléofilament : “collier de perles” (10 nm).

• Condensation :

• Solénoïde : compactage en fibre (30 nm).

• Condensation accrue → hétérochromatine → chromosome mitotique.

6. Points Clés pour les Examens

• Rôle du nucléole : Synthèse et assemblage des ribosomes.

• Organisation de la chromatine : Distinction entre hétérochromatine et euchromatine.

• Structure des nucléosomes et leur rôle dans le compactage de l’ADN.

• Fonctions de la lamina : rigidité et protection de l’enveloppe nucléaire.

• Importance des pores nucléaires dans les échanges nucléocytoplasmiques.

Voici une fiche de révisions synthétique pour les partiels basée sur votre cours sur la mitose :

La Mitose

1. Introduction

• Mitose : Division d’une cellule mère somatique en 2 cellules filles identiques (même matériel génétique).

• Caractéristiques :

• Mécaniquement très actif (opposé à l’interphase).

• Processus continu, observable par microscopie.

• Modifications profondes du noyau et du cytoplasme.

2. Phases de la Mitose

1. Prophase (20-30 min)

• Condensation de la chromatine en chromosomes avec l’aide des condensines et de la topoisomérase II.

• Disparition des nucléoles.

• Fragmentation du Golgi et du RE.

• Séparation des centrosomes et formation des pôles cellulaires (asters).

2. Prométaphase (Quelques minutes)

• Fragmentation de l’enveloppe nucléaire (phosphorylation des lamines).

• Formation du fuseau mitotique (microtubules) :

• Polaires : se chevauchent au point équatorial.

• Kinétochoriens : capturent les chromosomes.

• Astériens : non impliqués dans le fuseau.

• Chromosomes sous mouvements désordonnés.

3. Métaphase (20-40 min)

• Alignement des chromosomes sur la plaque équatoriale sous la tension des microtubules kinétochoriens.

• Chromosomes au maximum de condensation.

• Point de contrôle M : vérification de l’alignement correct.

4. Anaphase (5-10 min)

• Clivage du centromère (fin de réplication).

• Dégradation des cohésines par la séparase.

• Séparation des chromatides sœurs et migration vers les pôles opposés :

• Allongement des microtubules polaires.

• Raccourcissement des microtubules kinétochoriens.

5. Télophase (10-30 min)

• Désassemblage des kinétochores et disparition des microtubules kinétochoriens.

• Formation de nouvelles enveloppes nucléaires autour des chromatides.

• Décondensation des chromatides en chromatine.

• Réapparition des nucléoles.

6. Cytodiérèse / Cytocinèse

• Division du cytoplasme en 2 cellules filles :

• Cellules animales : Formation d’un sillon de division par un anneau contractile (actine et myosine).

• Cellules végétales :

• Formation d’un phragmoplaste (disque de microtubules et vésicules golgiennes).

• Fusion des vésicules pour créer une plaque cellulaire, devenant la nouvelle paroi séparant les cellules filles.

3. Points Clés pour les Examens

• Phases de la mitose : Prophase, Prométaphase, Métaphase, Anaphase, Télophase, Cytodiérèse.

• Fuseau mitotique : Types de microtubules et leurs rôles.

• Différences entre la division cellulaire animale (sillon contractile) et végétale (plaque cellulaire).

• Rôles des protéines clés : condenseurs, topoisomérase II, lamines, cohésines, séparase.

• Point de contrôle M : vérification de l’alignement des chromosomes.

La Méiose

1. Définitions et Objectifs

• Méiose : Division cellulaire permettant de produire 4 cellules haploïdes à partir d’une cellule mère diploïde, lors de la gamétogenèse (spermatogenèse, ovogenèse).

• Objectifs :

• Réduction du matériel génétique (de diploïde à haploïde).

• Brassage et diversité génétique (interchromosomique et intrachromosomique).

Définitions clés :

• Haploïde (n) : Cellules avec un seul jeu de chromosomes (ex. gamètes).

• Diploïde (2n) : Cellules avec deux jeux de chromosomes (ex. cellules somatiques).

• Appariement : Alignement des chromosomes homologues en bivalents ou tétrades.

• Synapsis : Association étroite des homologues grâce au complexe synaptonémal.

• Recombinaison (crossing-over) : Échange de segments d’ADN entre chromosomes homologues.

• Ségrégation : Répartition des chromosomes ou chromatides pendant la division.

2. Étapes de la Méiose

Prérequis : Réplication de l’ADN (Interphase)

Méiose I (Division réductionnelle)

1. Prophase I (5 sous-étapes) :

• Leptotène : Chromosomes visibles (2 chromatides sœurs), attachés à la membrane nucléaire.

• Zygotène : Début de l’appariement (synapsis) et organisation en bouquet.

• Pachytène : Synapsis complet, formation du complexe synaptonémal, crossing-over.

• Diplotène : Désintégration du complexe synaptonémal, chromosomes restent liés aux chiasmas.

• Diacinèse : Chromosomes au maximum de condensation, désagrégation de l’enveloppe nucléaire, formation du fuseau.

2. Métaphase I :

• Alignement des bivalents sur la plaque équatoriale.

• Fusion des kinétochores des chromatides sœurs.

• Orientation aléatoire des chromosomes homologues.

3. Anaphase I :

• Séparation des chromosomes homologues (rupture des chiasmas).

• Brassage interchromosomique : Ségrégation indépendante des homologues (2ⁿ combinaisons, n = 23 → 8 millions).

4. Télophase I :

• Reconstitution de l’enveloppe nucléaire.

• Cytodiérèse (formation de 2 cellules haploïdes).

• Courte interphase sans réplication (intercinèse).

Méiose II (Division équationnelle)

1. Prophase II : Condensation des chromosomes.

2. Prométaphase II : Désagrégation de l’enveloppe nucléaire, formation du fuseau.

3. Métaphase II : Alignement des chromosomes sur la plaque équatoriale.

4. Anaphase II : Séparation des chromatides sœurs (ségrégation équationnelle).

5. Télophase II : Formation des noyaux fils avec des chromosomes haploïdes.

6. Cytodiérèse : Division des cellules → 4 cellules haploïdes génétiquement uniques.

3. Diversité Génétique

Sources de Variabilité :

1. Brassage interchromosomique :

• Orientation aléatoire des homologues pendant la métaphase I.

• Ségrégation indépendante des chromosomes (2ⁿ combinaisons possibles).

2. Brassage intrachromosomique (crossing-over) :

• Échange de segments homologues entre chromosomes appariés pendant la prophase I.

• En moyenne, 2-3 crossing-over par paire de chromosomes.

3. Fécondation aléatoire :

• Fusion aléatoire des gamètes → augmentation exponentielle des combinaisons possibles.

4. Points Clés pour les Examens

• Étapes de la méiose : Prophase I (5 sous-étapes), Métaphase I, Anaphase I, Télophase I, Méiose II.

• Différences entre méiose I (réductionnelle) et méiose II (équationnelle).

• Rôles du complexe synaptonémal et des chiasmas.

• Importance du brassage génétique dans la diversité biologique.

• Comparaison avec la mitose (objectif, étapes, résultat).